Pro &Kontra Keramik Tingkat Lanjut

Meskipun lambat, adopsi skala besar, keramik canggih dan komposit matriks keramik menemukan tempat di aplikasi utama dirgantara dan militer.

Keramik hari ini telah datang jauh, jauh dari kiln dunia kuno. Keramik kembali 24.000 tahun. Aplikasi mereka, bagaimanapun, terus berkembang, terutama untuk mesin jet militer dan komersial berkinerja tinggi, rudal, pesawat ruang angkasa, dan di bagian komponen dan aplikasi lain termasuk "kekerasan tinggi untuk komponen pelindung dan aus atau ketahanan suhu tinggi untuk aplikasi refraktori," menurut ke Desain Mesin.

Baik sebagai keramik struktural atau sebagai bagian dari komposit matriks keramik, bahan serbaguna membantu produsen meningkatkan efisiensi bahan bakar di mesin turbin jet sambil menghilangkan kebutuhan pendinginan sebanyak mesin tradisional. GE Aviation, misalnya, mengklaim bahwa CMC-nya dua pertiga lebih ringan dari logam dan membawa kemampuan suhu 20 persen lebih tinggi.

“[A]keramik canggih, yang mulai muncul setelah penemuan proses Bayer untuk pemurnian bauksit pada tahun 1887, memiliki sifat mekanik, termal, dan elektronik yang unggul dibandingkan dengan keramik tradisional,” tulis Anthony Vicari dan Anthony Schiavo dari Lux Research, dalam sebuah artikel untuk MachineDesign.

Beberapa pemain industri yang paling besar telah menangkap manfaat keramik dalam desain kedirgantaraan juga. Dari General Electric hingga United Technologies, Safran, Boeing dan Rolls Royce, lebih dari 8.000 paten untuk desain kedirgantaraan dengan keramik telah diberikan sejak awal 1980-an, menurut American Machinist.

Komposit Matriks Keramik &Keramik Tingkat Lanjut:Ambil Yang Baik dengan yang Buruk

Terlepas dari manfaatnya, itu tidak berarti bahwa keramik adalah segalanya, akhir dari segalanya untuk bahan desain kedirgantaraan. Seperti yang juga ditemukan oleh pabrikan, keramik memiliki tantangan dalam pemesinan dan biaya.

Keramik dikemas dengan banyak sifat insulasi panas, menjadikannya alat yang efektif ketika dipasangkan dengan suhu tinggi di dalam turbin pesawat. Mereka juga sangat ringan dan tidak korosif, mampu menahan kontak dengan bahan bakar jet dan mampu mencapai kecepatan lebih cepat dan memperluas wilayah di luar angkasa. Tetapi pembentukan dan pemrosesan bisa lambat dan sulit.

“[B]ketika keramik gagal, mereka melakukannya secara tiba-tiba dan menimbulkan bencana, bukannya anggun seperti logam,” catat Lux Research. “Ini bukan satu-satunya batasan:Keramik struktural memiliki ketahanan suhu yang sangat tinggi, yang berarti mereka harus diproses dengan metode solid-state yang lambat dan intensif energi. Selain itu, kekerasan tinggi setelah pemadatan membuat keramik pemesinan menjadi tantangan besar.”

Untuk mengatasi kegagalan bencana, penguatan serat digunakan untuk membantu mengendalikan "perambatan retak melalui matriks dan beban bantalan setelah material mulai gagal," catat Lux Research, yang memungkinkan CMC untuk "gagal secara bertahap, lebih seperti kegagalan ulet logam."

Keramik Bisa Sulit Dimesin, Tapi Bukan Tidak Mungkin

Pabrikan tahu bahwa menggunakan keramik dalam desain kedirgantaraan adalah cara yang pasti untuk menurunkan berat pesawat mereka sambil menggunakan bahan yang tahan lama.

“Sifat yang sama yang meningkatkan kekuatan dan ketahanan suhu juga membuat pemesinan menjadi lebih sulit,” tulis Don Graham, manajer pendidikan dan layanan teknis di Seco Tools, dalam sebuah artikel untuk Teknik Manufaktur. Kesulitan terjadi selama periode pemesinan atau penggilingan akhir, Graham menunjukkan, di mana integritas permukaan keramik dikompromikan jika dipotong secara tidak benar. Terlebih lagi, kemungkinan dikompromikan semakin meningkat pada tingkat pemindahan material yang tinggi.

“Karena sifat rapuh, kekerasan tinggi, ketahanan terhadap creep dan kekuatan tinggi, metode pemesinan konvensional seperti pembubutan, penggilingan dan pengeboran sulit dilakukan dengan baik pada keramik canggih karena retak, patah getas, dan tepi terkelupas,” jelas Alexander Gorin dan M. Mohan Reddy dalam makalahnya, Advanced Ceramics:Beberapa Tantangan dan Solusi dalam Pemesinan dengan Metode Konvensional.

Kesulitan pemesinan dengan keramik tidak dapat dihilangkan sepenuhnya, tetapi toko telah menemukan cara untuk mengurangi tantangan dengan pemilihan alat yang tepat, menurut Graham. Alat dengan ujung tombak yang tajam dan garu positif akan mengurangi gaya potong, sedangkan sisipan dengan substrat berbutir halus sangat cocok untuk kondisi pemotongan abrasif.

“Penguatan serat sebagian besar telah mengatasi masalah kerapuhan, tetapi kemampuan mesin menderita karena konduktivitas termal yang rendah, kekerasan tinggi, dan abrasivitas CMC,” tulis Graham. “Selain metode pemesinan tradisional, produsen sedang bereksperimen dengan cara alternatif untuk memproses suku cadang CMC seperti waterjet, EDM, pemesinan berbantuan laser, penggilingan, dan penggunaan alat yang disisipkan PCBN.”

Bila Keramik Diproses dengan Tidak Benar, Struktur Akan Kehilangan Kekuatannya 

Jika sepotong keramik tidak dikerjakan dengan benar, kekuatan struktur itu sendiri akan sangat berkurang. Ketika material komposit yang diapit dipotong dengan tepi yang kasar, tidak rata atau berubah bentuk, seluruh struktur akan kehilangan kekakuan yang signifikan.

“Bahan komposit terjepit yang dipotong tidak merata atau berubah bentuk kehilangan kekuatannya, sama seperti karton bergelombang yang kusut menghancurkan kekakuannya,” tulis Graham. “Untuk pengerjaan akhir, toko harus menggunakan pabrik akhir berkecepatan tinggi yang dirancang khusus untuk komposit terjepit tersebut.”

Saat melakukan pemesinan dengan keramik dalam desain ruang angkasa, sangat penting untuk menghindari segala jenis pembengkokan atau kerusakan. Solusinya, kata Graham, adalah dengan menggunakan mesin pemotong dengan tepi yang sangat tajam dan kecepatan pemotongan yang cepat.

Keramik Mahal, Tapi Inovasinya Menguntungkan

Dengan penekanan pada pemotongan yang kuat dan efisien saat mengerjakan keramik, tidak mengherankan jika banyak toko diketahui berkontribusi hingga 80 persen dari keseluruhan pengeluaran mereka untuk menjaga integritas struktur berbasis keramik mereka, menurut Gorin/Reddy kertas. Secara alami, ini dapat menimbulkan masalah ketika mempertahankan anggaran atau mencoba mengalokasikan dana ke aspek lain dari pekerjaan.

“[D]pendesain yang ingin memanfaatkan sifat mekanik superior CMC kami harus membayar untuk hak istimewanya,” catat Lux Research dalam artikel MachineDesign. “CMC grafit/serat karbon dengan biaya terendah memerintahkan harga sekitar $30/lb untuk bentuk sederhana, yang meningkat secara dramatis dengan pemesinan. Matriks silikon karbida/serat silikon karbida CMC untuk aplikasi suhu tinggi menuntut serat dengan kemurnian tinggi, dengan harga mulai dari $4,000/lb, yang mengarah ke harga awal lebih dari $9,000/lb.”

Para ahli mencatat adopsi keramik lambat dan sering didukung oleh subsidi dan insentif dari pendanaan pemerintah, jadi untuk benar-benar lepas landas, biaya perlu diturunkan. Lux Research menunjukkan bahwa “teknologi yang mengurangi biaya intermediet seperti serat dapat membuka pasar baru, dan kemajuan pemrosesan dapat membuat suku cadang CMC lebih andal, sehingga memudahkan kualifikasi”.

Apakah toko Anda pernah mengerjakan mesin dengan keramik sebelumnya? Jika ya, tantangan apa yang Anda dan tim Anda hadapi? Beritahu kami!