Menurut SmarTech, sebuah perusahaan konsultan teknologi manufaktur, industri kedirgantaraan adalah industri terbesar kedua yang dilayani oleh manufaktur aditif (AM), setelah industri kedokteran. Namun, masih terdapat kurangnya kesadaran akan potensi manufaktur aditif material keramik dalam pembuatan komponen kedirgantaraan secara cepat, peningkatan fleksibilitas, dan efektivitas biaya. AM dapat menghasilkan komponen keramik yang lebih kuat dan ringan dengan lebih cepat dan berkelanjutan—mengurangi biaya tenaga kerja, meminimalkan perakitan manual, dan meningkatkan efisiensi serta kinerja melalui desain yang dikembangkan dengan pemodelan, sehingga mengurangi bobot pesawat. Selain itu, teknologi keramik manufaktur aditif menyediakan kontrol dimensi komponen jadi untuk fitur yang lebih kecil dari 100 mikron.
Namun, kata keramik mungkin menimbulkan kesalahpahaman tentang kerapuhan. Padahal, keramik yang diproduksi dengan metode aditif menghasilkan komponen yang lebih ringan dan halus dengan kekuatan struktural, ketangguhan, dan ketahanan yang tinggi terhadap berbagai rentang suhu. Perusahaan-perusahaan yang berwawasan ke depan beralih ke pembuatan komponen keramik, termasuk nosel dan baling-baling, isolator listrik, dan bilah turbin.
Sebagai contoh, alumina dengan kemurnian tinggi memiliki kekerasan yang tinggi, serta ketahanan korosi dan rentang suhu yang kuat. Komponen yang terbuat dari alumina juga bersifat isolator listrik pada suhu tinggi yang umum ditemukan dalam sistem kedirgantaraan.
Keramik berbasis zirkonia dapat memenuhi banyak aplikasi dengan persyaratan material ekstrem dan tekanan mekanis tinggi, seperti pencetakan logam kelas atas, katup, dan bantalan. Keramik silikon nitrida memiliki kekuatan tinggi, ketangguhan tinggi, dan ketahanan kejut termal yang sangat baik, serta ketahanan kimia yang baik terhadap korosi berbagai asam, alkali, dan logam cair. Silikon nitrida digunakan untuk isolator, impeler, dan antena dielektrik rendah suhu tinggi.
Keramik komposit menawarkan beberapa kualitas yang diinginkan. Keramik berbasis silikon yang ditambahkan dengan alumina dan zirkon telah terbukti berkinerja baik dalam pembuatan cetakan kristal tunggal untuk bilah turbin. Hal ini karena inti keramik yang terbuat dari material ini memiliki ekspansi termal yang sangat rendah hingga 1.500°C, porositas tinggi, kualitas permukaan yang sangat baik, dan kemampuan pelarutan yang baik. Pencetakan inti ini dapat menghasilkan desain turbin yang dapat menahan suhu operasi yang lebih tinggi dan meningkatkan efisiensi mesin.
Sudah diketahui umum bahwa pencetakan injeksi atau pemesinan keramik sangat sulit, dan pemesinan memberikan akses terbatas ke komponen yang sedang diproduksi. Fitur seperti dinding tipis juga sulit untuk diproses dengan mesin.
Namun, Lithoz menggunakan manufaktur keramik berbasis litografi (LCM) untuk memproduksi komponen keramik 3D yang presisi dan berbentuk kompleks.
Dimulai dari model CAD, spesifikasi detail ditransfer secara digital ke printer 3D. Kemudian, bubuk keramik yang diformulasikan secara presisi diaplikasikan ke bagian atas wadah transparan. Platform konstruksi yang dapat digerakkan dicelupkan ke dalam lumpur dan kemudian secara selektif diekspos ke cahaya tampak dari bawah. Citra lapisan dihasilkan oleh perangkat mikro-cermin digital (DMD) yang digabungkan dengan sistem proyeksi. Dengan mengulangi proses ini, bagian mentah tiga dimensi dapat dihasilkan lapis demi lapis. Setelah perlakuan panas, pengikat dihilangkan dan bagian mentah disinter—digabungkan dengan proses pemanasan khusus—untuk menghasilkan bagian keramik yang sepenuhnya padat dengan sifat mekanik dan kualitas permukaan yang sangat baik.
Teknologi LCM menyediakan proses yang inovatif, hemat biaya, dan lebih cepat untuk pengecoran investasi komponen mesin turbin—melewati pembuatan cetakan yang mahal dan rumit yang diperlukan untuk pencetakan injeksi dan pengecoran lilin hilang.
LCM juga dapat menghasilkan desain yang tidak dapat dicapai dengan metode lain, sekaligus menggunakan bahan baku yang jauh lebih sedikit daripada metode lain.
Terlepas dari potensi besar material keramik dan teknologi LCM, masih terdapat kesenjangan antara produsen peralatan asli (OEM) AM dan perancang kedirgantaraan.
Salah satu alasannya mungkin adalah penolakan terhadap metode manufaktur baru di industri dengan persyaratan keselamatan dan kualitas yang sangat ketat. Manufaktur kedirgantaraan membutuhkan banyak proses verifikasi dan kualifikasi, serta pengujian yang menyeluruh dan ketat.
Kendala lain termasuk keyakinan bahwa pencetakan 3D terutama hanya cocok untuk pembuatan prototipe cepat sekali pakai, bukan untuk sesuatu yang dapat digunakan di udara. Sekali lagi, ini adalah kesalahpahaman, dan komponen keramik yang dicetak 3D telah terbukti dapat digunakan dalam produksi massal.
Salah satu contohnya adalah pembuatan bilah turbin, di mana proses keramik AM menghasilkan inti kristal tunggal (SX), serta bilah turbin superalloy dengan pembekuan terarah (DS) dan pengecoran equiaxed (EX). Inti dengan struktur cabang yang kompleks, dinding ganda, dan tepi belakang kurang dari 200μm dapat diproduksi dengan cepat dan ekonomis, dan komponen akhir memiliki akurasi dimensi yang konsisten dan hasil akhir permukaan yang sangat baik.
Meningkatkan komunikasi dapat menyatukan perancang kedirgantaraan dan OEM AM serta kepercayaan penuh pada komponen keramik yang diproduksi menggunakan LCM dan teknologi lainnya. Teknologi dan keahlian sudah ada. Yang dibutuhkan adalah mengubah cara berpikir dari AM untuk R&D dan pembuatan prototipe, dan melihatnya sebagai jalan ke depan untuk aplikasi komersial skala besar.
Selain pendidikan, perusahaan kedirgantaraan juga dapat menginvestasikan waktu pada personel, rekayasa, dan pengujian. Produsen harus memahami berbagai standar dan metode untuk mengevaluasi keramik, bukan logam. Misalnya, dua standar ASTM utama Lithoz untuk keramik struktural adalah ASTM C1161 untuk pengujian kekuatan dan ASTM C1421 untuk pengujian ketangguhan. Standar ini berlaku untuk keramik yang diproduksi dengan semua metode. Dalam manufaktur aditif keramik, langkah pencetakan hanyalah metode pembentukan, dan bagian-bagian tersebut mengalami jenis sintering yang sama seperti keramik tradisional. Oleh karena itu, mikrostruktur bagian keramik akan sangat mirip dengan pemesinan konvensional.
Berdasarkan kemajuan material dan teknologi yang berkelanjutan, kita dapat dengan yakin mengatakan bahwa para desainer akan mendapatkan lebih banyak data. Material keramik baru akan dikembangkan dan disesuaikan sesuai dengan kebutuhan teknik tertentu. Komponen yang terbuat dari keramik AM akan menyelesaikan proses sertifikasi untuk digunakan di bidang kedirgantaraan. Dan akan menyediakan alat desain yang lebih baik, seperti perangkat lunak pemodelan yang lebih canggih.
Dengan bekerja sama dengan para ahli teknis LCM, perusahaan kedirgantaraan dapat memperkenalkan proses keramik AM secara internal—memperpendek waktu, mengurangi biaya, dan menciptakan peluang untuk pengembangan kekayaan intelektual perusahaan sendiri. Dengan pandangan jauh ke depan dan perencanaan jangka panjang, perusahaan kedirgantaraan yang berinvestasi dalam teknologi keramik dapat menuai manfaat signifikan dalam seluruh portofolio produksi mereka dalam sepuluh tahun ke depan dan seterusnya.
Dengan menjalin kemitraan dengan AM Ceramics, produsen peralatan asli (OEM) dirgantara akan memproduksi komponen yang sebelumnya tidak terbayangkan.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan akan berbicara tentang kesulitan dalam mengkomunikasikan secara efektif keunggulan manufaktur aditif keramik di Ceramics Expo di Cleveland, Ohio pada tanggal 1 September 2021.
Meskipun pengembangan sistem penerbangan hipersonik telah ada selama beberapa dekade, kini hal itu menjadi prioritas utama pertahanan nasional AS, yang membawa bidang ini ke dalam keadaan pertumbuhan dan perubahan yang pesat. Sebagai bidang multidisiplin yang unik, tantangannya adalah menemukan para ahli dengan keterampilan yang diperlukan untuk mendorong perkembangannya. Namun, ketika jumlah ahli tidak mencukupi, hal itu menciptakan kesenjangan inovasi, seperti memprioritaskan desain untuk kemudahan manufaktur (DFM) pada fase R&D, dan kemudian berubah menjadi kesenjangan manufaktur ketika sudah terlambat untuk melakukan perubahan yang hemat biaya.
Aliansi, seperti Aliansi Universitas untuk Hipersonik Terapan (UCAH) yang baru dibentuk, menyediakan lingkungan penting untuk mengembangkan bakat yang dibutuhkan untuk memajukan bidang ini. Mahasiswa dapat bekerja langsung dengan peneliti universitas dan profesional industri untuk mengembangkan teknologi dan memajukan penelitian hipersonik yang penting.
Meskipun UCAH dan konsorsium pertahanan lainnya memberi wewenang kepada anggotanya untuk terlibat dalam berbagai pekerjaan teknik, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mengembangkan bakat yang beragam dan berpengalaman, mulai dari desain hingga pengembangan dan pemilihan material hingga bengkel manufaktur.
Untuk memberikan nilai yang lebih berkelanjutan di bidang ini, aliansi universitas harus menjadikan pengembangan tenaga kerja sebagai prioritas dengan menyelaraskan diri dengan kebutuhan industri, melibatkan anggota dalam penelitian yang sesuai dengan industri, dan berinvestasi dalam program tersebut.
Dalam mentransformasikan teknologi hipersonik menjadi proyek-proyek yang dapat diproduksi dalam skala besar, kesenjangan keterampilan tenaga kerja di bidang teknik dan manufaktur yang ada merupakan tantangan terbesar. Jika penelitian awal tidak mampu melewati "lembah kematian" yang tepat ini—kesenjangan antara penelitian dan pengembangan (R&D) dan manufaktur, dan banyak proyek ambisius telah gagal—maka kita telah kehilangan solusi yang dapat diterapkan dan layak.
Industri manufaktur AS dapat mempercepat laju pertumbuhannya hingga mencapai kecepatan supersonik, tetapi risiko tertinggalnya adalah perlunya memperluas jumlah tenaga kerja untuk mengimbanginya. Oleh karena itu, pemerintah dan konsorsium pengembangan universitas harus bekerja sama dengan para produsen untuk mewujudkan rencana-rencana ini.
Industri ini telah mengalami kesenjangan keterampilan mulai dari bengkel manufaktur hingga laboratorium teknik—kesenjangan ini hanya akan semakin melebar seiring pertumbuhan pasar hipersonik. Teknologi baru membutuhkan tenaga kerja baru untuk memperluas pengetahuan di bidang ini.
Pekerjaan di bidang hipersonik mencakup beberapa area kunci yang berbeda dengan berbagai material dan struktur, dan setiap area memiliki serangkaian tantangan teknisnya sendiri. Hal ini membutuhkan tingkat pengetahuan yang sangat detail, dan jika keahlian yang dibutuhkan tidak ada, hal ini dapat menciptakan hambatan bagi pengembangan dan produksi. Jika kita tidak memiliki cukup orang untuk menjalankan pekerjaan ini, akan mustahil untuk memenuhi permintaan produksi berkecepatan tinggi.
Sebagai contoh, kita membutuhkan orang-orang yang dapat membangun produk akhir. UCAH dan konsorsium lainnya sangat penting untuk mempromosikan manufaktur modern dan memastikan bahwa mahasiswa yang tertarik pada peran manufaktur dilibatkan. Melalui upaya pengembangan tenaga kerja lintas fungsi yang berdedikasi, industri ini akan mampu mempertahankan keunggulan kompetitif dalam rencana penerbangan hipersonik dalam beberapa tahun ke depan.
Dengan mendirikan UCAH, Departemen Pertahanan menciptakan peluang untuk mengadopsi pendekatan yang lebih terfokus dalam membangun kemampuan di bidang ini. Semua anggota koalisi harus bekerja sama untuk melatih kemampuan khusus para siswa sehingga kita dapat membangun dan mempertahankan momentum penelitian serta memperluasnya untuk menghasilkan hasil yang dibutuhkan negara kita.
Aliansi Komposit Canggih NASA yang kini telah ditutup merupakan contoh upaya pengembangan tenaga kerja yang sukses. Keefektifannya adalah hasil dari penggabungan pekerjaan R&D dengan kepentingan industri, yang memungkinkan inovasi untuk berkembang di seluruh ekosistem pengembangan. Para pemimpin industri telah bekerja langsung dengan NASA dan universitas dalam proyek-proyek selama dua hingga empat tahun. Semua anggota telah mengembangkan pengetahuan dan pengalaman profesional, belajar untuk bekerja sama dalam lingkungan yang tidak kompetitif, dan membina mahasiswa untuk mengembangkan diri guna membina para pemain kunci industri di masa depan.
Pengembangan tenaga kerja jenis ini mengisi kesenjangan dalam industri dan memberikan peluang bagi usaha kecil untuk berinovasi dengan cepat dan melakukan diversifikasi bidang untuk mencapai pertumbuhan lebih lanjut—yang kondusif bagi inisiatif keamanan nasional dan keamanan ekonomi AS.
Aliansi universitas, termasuk UCAH, merupakan aset penting di bidang hipersonik dan industri pertahanan. Meskipun penelitian mereka telah mendorong inovasi-inovasi baru, nilai terbesar mereka terletak pada kemampuan mereka untuk melatih generasi tenaga kerja kita selanjutnya. Konsorsium ini sekarang perlu memprioritaskan investasi dalam rencana-rencana tersebut. Dengan demikian, mereka dapat membantu mendorong keberhasilan jangka panjang inovasi hipersonik.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Para produsen produk yang kompleks dan berteknologi tinggi (seperti komponen pesawat terbang) berkomitmen pada kesempurnaan setiap saat. Tidak ada ruang untuk kesalahan.
Karena produksi pesawat terbang sangat kompleks, produsen harus mengelola proses kualitas dengan cermat, memberikan perhatian besar pada setiap langkahnya. Hal ini membutuhkan pemahaman mendalam tentang cara mengelola dan beradaptasi dengan dinamika produksi, kualitas, keselamatan, dan masalah rantai pasokan sambil memenuhi persyaratan peraturan.
Karena banyak faktor yang memengaruhi pengiriman produk berkualitas tinggi, sulit untuk mengelola pesanan produksi yang kompleks dan sering berubah. Proses kualitas harus dinamis dalam setiap aspek inspeksi dan desain, produksi, dan pengujian. Berkat strategi Industri 4.0 dan solusi manufaktur modern, tantangan kualitas ini menjadi lebih mudah dikelola dan diatasi.
Fokus tradisional produksi pesawat terbang selalu pada material. Sumber sebagian besar masalah kualitas mungkin berupa patahan getas, korosi, kelelahan logam, atau faktor lainnya. Namun, produksi pesawat terbang saat ini mencakup teknologi canggih dan berrekayasa tinggi yang menggunakan material tahan lama. Penciptaan produk menggunakan proses dan sistem elektronik yang sangat khusus dan kompleks. Solusi perangkat lunak manajemen operasi umum mungkin tidak lagi mampu menyelesaikan masalah yang sangat kompleks.
Komponen yang lebih kompleks dapat dibeli dari rantai pasokan global, sehingga perlu lebih banyak pertimbangan untuk mengintegrasikannya di seluruh proses perakitan. Ketidakpastian menghadirkan tantangan baru bagi visibilitas rantai pasokan dan manajemen mutu. Memastikan kualitas begitu banyak komponen dan produk jadi membutuhkan metode mutu yang lebih baik dan terintegrasi.
Industri 4.0 mewakili perkembangan industri manufaktur, dan semakin banyak teknologi canggih yang dibutuhkan untuk memenuhi persyaratan kualitas yang ketat. Teknologi pendukungnya meliputi Industrial Internet of Things (IIoT), digital threads, augmented reality (AR), dan predictive analytics.
Quality 4.0 menggambarkan metode kualitas proses produksi berbasis data yang melibatkan produk, proses, perencanaan, kepatuhan, dan standar. Metode ini dibangun di atas, bukan menggantikan, metode kualitas tradisional, dengan menggunakan banyak teknologi baru yang sama seperti metode industri, termasuk pembelajaran mesin, perangkat terhubung, komputasi awan, dan kembaran digital untuk mentransformasi alur kerja organisasi dan menghilangkan kemungkinan cacat produk atau proses. Munculnya Quality 4.0 diharapkan akan semakin mengubah budaya tempat kerja dengan meningkatkan ketergantungan pada data dan penggunaan kualitas yang lebih mendalam sebagai bagian dari keseluruhan metode pembuatan produk.
Quality 4.0 mengintegrasikan isu operasional dan jaminan kualitas (QA) dari awal hingga tahap desain. Ini termasuk bagaimana mengkonseptualisasikan dan mendesain produk. Hasil survei industri terbaru menunjukkan bahwa sebagian besar pasar tidak memiliki proses transfer desain otomatis. Proses manual memberikan ruang untuk kesalahan, baik itu kesalahan internal maupun komunikasi desain dan perubahan kepada rantai pasokan.
Selain desain, Quality 4.0 juga menggunakan pembelajaran mesin yang berpusat pada proses untuk mengurangi pemborosan, mengurangi pengerjaan ulang, dan mengoptimalkan parameter produksi. Selain itu, ia juga menyelesaikan masalah kinerja produk setelah pengiriman, menggunakan umpan balik di lokasi untuk memperbarui perangkat lunak produk dari jarak jauh, menjaga kepuasan pelanggan, dan pada akhirnya memastikan bisnis berulang. Ia menjadi mitra yang tak terpisahkan dari Industri 4.0.
Namun, kualitas tidak hanya berlaku untuk mata rantai manufaktur tertentu. Inklusivitas Kualitas 4.0 dapat menanamkan pendekatan kualitas yang komprehensif dalam organisasi manufaktur, menjadikan kekuatan transformatif data sebagai bagian integral dari pemikiran perusahaan. Kepatuhan di semua tingkatan organisasi berkontribusi pada pembentukan budaya kualitas secara keseluruhan.
Tidak ada proses produksi yang dapat berjalan sempurna 100% sepanjang waktu. Perubahan kondisi memicu kejadian tak terduga yang memerlukan perbaikan. Mereka yang berpengalaman dalam kualitas memahami bahwa ini semua tentang proses menuju kesempurnaan. Bagaimana Anda memastikan bahwa kualitas diintegrasikan ke dalam proses untuk mendeteksi masalah sedini mungkin? Apa yang akan Anda lakukan ketika menemukan cacat? Apakah ada faktor eksternal yang menyebabkan masalah ini? Perubahan apa yang dapat Anda lakukan pada rencana inspeksi atau prosedur pengujian untuk mencegah masalah ini terjadi lagi?
Tanamkan mentalitas bahwa setiap proses produksi memiliki proses kualitas yang terkait dan saling berhubungan. Bayangkan masa depan di mana terdapat hubungan satu-ke-satu dan kualitas terus diukur. Apa pun yang terjadi secara acak, kualitas sempurna dapat dicapai. Setiap pusat kerja meninjau indikator dan indikator kinerja utama (KPI) setiap hari untuk mengidentifikasi area yang perlu ditingkatkan sebelum masalah terjadi.
Dalam sistem tertutup ini, setiap proses produksi memiliki inferensi kualitas, yang memberikan umpan balik untuk menghentikan proses, memungkinkan proses untuk berlanjut, atau melakukan penyesuaian secara real-time. Sistem ini tidak terpengaruh oleh kelelahan atau kesalahan manusia. Sistem kualitas tertutup yang dirancang untuk produksi pesawat terbang sangat penting untuk mencapai tingkat kualitas yang lebih tinggi, mempersingkat waktu siklus, dan memastikan kepatuhan terhadap standar AS9100.
Sepuluh tahun lalu, gagasan untuk memfokuskan QA pada desain produk, riset pasar, pemasok, layanan produk, atau faktor lain yang memengaruhi kepuasan pelanggan adalah hal yang mustahil. Desain produk dipahami berasal dari otoritas yang lebih tinggi; kualitas adalah tentang mengeksekusi desain tersebut di jalur perakitan, terlepas dari kekurangannya.
Saat ini, banyak perusahaan sedang memikirkan ulang cara berbisnis. Status quo di tahun 2018 mungkin tidak lagi memungkinkan. Semakin banyak produsen menjadi semakin cerdas. Lebih banyak pengetahuan tersedia, yang berarti kecerdasan yang lebih baik untuk membangun produk yang tepat sejak awal, dengan efisiensi dan kinerja yang lebih tinggi.