Jeśli chodzi o produkcję drobnych elementów wymagających wyjątkowo wąskich tolerancji, jedynie ich nieznaczna część jest niemożliwa do wykonania przez firmę Phillips Plastics
Celem osiągnięcia wysokiego poziomu gęstości energii, jak również działalności ekologicznej i bezpieczeństwa, Amerykańska Agencja Przestrzeni Kosmicznej NASA preferuje napędzanie swoich statków kosmicznych kriogenicznymi paliwami napędowymi, takimi jak ciekły tlen, wodór lub metan. Jednak paliwa te są niesamowicie zimne, mają bardzo niską temperaturę -252º C i muszą być przechowywane w izolowanych termicznie zbiornikach, aby zapobiec ewentualnemu odparowaniu zawartości.
Tym, co sprawia, że wyzwanie to jest jeszcze trudniejsze, jest fakt, że przyszłej generacji misje NASA badania kosmosu, aby móc utrzymać kriogeniczne paliwa napędowe przez wydłużony okres czasu sięgający nawet do sześciu miesięcy, będą wymagały korzystania z takiego statku kosmicznego jak Lądownik Altair Luna.
W celu przeprowadzenia stosownych badań możliwości izolacji kriogenicznych paliw przez wydłużony okres NASA przyznała dotację na realizację pierwszego etapu Badań Innowacyjnych dla Małych Firm (SBIR) firmie Quest Product Development. Zadaniem jest stworzenie prototypu nowego, zaawansowanego pod względem technicznym, termicznego systemu izolacyjnego zwanego „Zintegrowaną Izolacją Wielowarstwową” („Integrated Multi-layer Insulation” – IMLI).
Firma Quest Product Development współpracuje z Ball Aerospace & Technologies w zakresie projektu izolacji termicznej typu IMLI. Projekt ten wymaga opracowania systemu złożonego z wielu warstw działających jako bariera termiczna, której warstwy mają być bardzo dokładnie ułożone i powiązane podstrukturą polimerową.
Spełnianie wysokich kryteriów wydajności
Jednym z wyzwań dla firmy Quest było zapewnienie, że warstwy izolacyjne będą gwarancją spójnego i przewidywalnego działania – jest to wyczyn, wymagający stosowania mikroformowanych przekładek, które zapobiegają gromadzeniu się lub stykaniu barier termicznych, co prowadziłoby do wymiany ciepła.
Ten właśnie cel stał się bodźcem dla firmy Quest, by znaleźć dostawcę, który zdołałby spełnić te kryteria. Jest na świecie bardzo mało zakładów oferujących usługę mikroformowania, Phillips Plastics jest jednym z nich – zauważa Scott Dye, inżynier mechanik w firmie Quest. Wiemy, że są oni specjalistami w procesach formowania i jedynymi ekspertami w dziedzinie mikroformowania, którzy w naszym przekonaniu faktycznie mogą osiągnąć zamierzony przez nas cel.
Firma Quest potrzebowała od Phillips Plastics mikroformowanej przekładki zwanej „Matrycą IMLI”, która składa się z mikroskopijnych stojaków z zatrzaskami przytrzymującymi bariery termiczne na swoim miejscu. Z punktu widzenia możliwości wyprodukowania formy wtryskowej nie mogłaby ona być zbudowana zgodnie ze wstępnymi założeniami – twierdzi Dave Munkwitz, kierownik ds. mikroformowania w firmie Phillips Plastics. – Dodatkowo, aby sprostać wymaganiom czasowym NASA, musieliśmy równolegle opracować kilka metod dotyczących opracowywanej technologii.
Firma Phillips opracowała opcje tworzyw rezerwowych oraz współpracowała z firmą Quest w zakresie tworzenia konstrukcji elementów na wypadek, gdyby wcześniej ustalone plany nie powiodły się. W wyniku przeprowadzonej analizy konstrukcji pod względem możliwości technologicznych, jak również przebiegu formowania, Phillips Plastics dostarczyła alternatyw, które pomogły skrócić czas realizacji i obniżyć koszty poprzez zmniejszenie ilości detali zatrzasków w każdym rogu pola z czterech do jednego. Inżynierowie zwiększyli również wydajność dzięki zastosowaniu plastiku, który powodował znacznie niższe zużycie eksploatacyjne formy wtryskowej aniżeli pierwotnie wymagane tworzywo.
Struktura słupkowo-zatrzaskowa każdej Matrycy IMLI umożliwia firmie Quest zespolenie ze sobą wielokrotnych warstw barier termicznych, co stanowi czynnik kluczowy w stworzeniu integralności strukturalnej, której wymaga powłoka termiczna IMLI, aby przenieść przeciążenie podczas startu wynoszące 10g.
Połączone elementy Matrycy IMLI Matrix stanowiące całość komponentu pozostają w rozmiarach mikroskopijnych. Zatem udało nam się zredukować płaszczyznę styku pomiędzy warstwami i to jest właśnie ten trik, który czyni z Matrycy IMLI super izolator – stwierdza Alan Kopelove, dyrektor ds. Rozwoju Technologii w firmie Quest.
W ciągu blisko trzech miesięcy spędzonych nad optymalną konfiguracją form wtryskowych, materiałów i procesów, ekipie Phillips Plastics udało się stworzyć ponad 6.000 elementów Matrycy IMLI. Program ten zmobilizował nas do tego, aby sprawdzić możliwości sprzętu produkcyjnego przeznaczonego do skutecznej i powtarzalnej produkcji wysokiej jakości elementów dla NASA – dodaje Munkwitz.
W kosmosie i poza przestrzenią kosmiczną
Dzięki pomocy ze strony Phillips Plastics i Ball Aerospace, firma Quest dostarczyła do NASA obiecane prototypy powłoki termicznej IMLI, które dowiodły istnienie możliwości realizacji tej koncepcji. Współpraca z firmą Phillips Plastics przebiegła gładko i bez problemów – twierdzi Kopelove z firmy Quest. Mają oni bardzo pozytywne podejście do przedstawionego zagadnienia oraz przeświadczenie, że wszystko można zrealizować. Mimo faktu, że czasami są to naprawdę wymagające i trudne wyzwania, stawiają im czoła, organizują nadgodziny i zmiany weekendowe, by je urzeczywistnić.
Wytrwałość, jaka cechowała to partnerstwo w zakresie rozwiązań technicznych, prowadzi do coraz to nowych wyzwań. NASA ma teraz wystarczające zaufanie zarówno do firmy Quest, jak również do ekipy firmy Ball Aerospace i Phillips Plastics, aby powierzyć im drugi etap celem kontynuacji rozpoczętej pracy – dodaje Kopelove. W rzeczywistym zastosowaniu powłoka termiczna IMLI będzie grubości od 40 do 120 warstw, które wymagać będą milionów elementów Matrycy IMLI.
Oprócz możliwości wykorzystania jej w dziedzinach związanych z przestrzenią kosmiczną izolacja termiczna o wysokiej wydajności stosowana jest również w urządzeniach, które wymagają nagrzewania, chłodzenia oraz izolacji. Na przykład zastosowana w samej technologii chłodziarek, zamrażarek i podgrzewaczach wody IMLI może obniżyć zużycie energii na skalę krajową o około połowę dla chłodziarkozamrażarek i o około 18 procent w przypadku podgrzewaczy wody. W rezultacie potencjalne oszczędności w skali roku wyniosłyby około 8 miliardów dolarów.
dn
|
Wszystko w naszym świecie jest mikrowymiarowe
Phillips Plastics zajmuje się rutynowo produkcją części wymagających mikroformowania, których rozmiary nie przekraczają wielkości główki igły.
Specjaliści z firmy Phillips Plastics są wyszkoleni w taki sposób, aby myśleć kategoriami mikroskopijnymi. W oddziale formowania mikroskopijnego firmy zlokalizowanym w Menomonie w stanie Wisconsin inżynierowie specjalizują się w konstruowaniu i produkcji komponentów jak najmniejszych – w przedziale wymiarowym od 1,6 do 49 mm, zarówno dla plastiku jak i metalu, z możliwością zachowania tak wąskich tolerancji jak ±0,012 mm.
Przy uwzględnieniu elementów o rozmiarach tak mikroskopijnych nic dziwnego, że firma Philips musiała dostosować do indywidualnych potrzeb sześć z dziewięciu wtryskarek stosowanych w procesach mikroformowania. Była to konieczność, biorąc pod uwagę ekstremalnie małe rozmiary – zauważa Dave Munkwitz, kierownik ds. mikroformowania w firmie Phillips.
Munkwitz twierdzi, że mikroformowanie stało się najszybciej rozwijającym się biznesem w firmie Phillips, z uwagi na fakt, że przedsiębiorstwa przerzucają się na bardziej zwarte konstrukcje w różnorodnych branżach przemysłowych, począwszy od przestrzeni kosmicznej i rozwiązań wojskowych aż po medycynę i elektronikę. Oto kilka spośród wyzwań technicznych, w których firma Philips wsparła swych klientów:
Jeszcze wiele innych zastosowań takich jak implanty medyczne czy układy mikro-elektro-mechaniczne (MEM), wymaga wykorzystywania mikroskopijnych elementów. Firma Phillips ma również możliwości formowania tych elementów z ceramiki, jak również z tworzyw sztucznych i metali.
Tak jak w przypadku wszystkich projektów prowadzonych przez firmę Phillips, Munkwitz radzi swoim klientom zainteresowanym elementami wymagającymi mikroformowania, aby skontaktowali się z firmą tak szybko, jak to tylko możliwe, aby inżynierowie mogli zanalizować projekt z punktu widzenia możliwości wytworzenia. Często zdarza się, że drobne elementy wymagają wykorzystania takiego oprzyrządowania, które nie nadaje się do większych rozmiarów geometrycznych. Istnieje prawdopodobieństwo, że trzeba będzie włożyć do formy wtryskowej bardziej skomplikowane oprzyrządowanie, jak na przykład dodatkowe prowadnice – zauważa Munkwitz.
Podczas całego cyklu mikroformowania sekretem do sukcesu jest ciągła weryfikacja wszystkich etapów procesu, począwszy od projektowania aż po samą produkcję. Sukces zależy od szczególnego zwracania uwagi na każdym etapie procesu – dodaje Munkwitz. |
