這三家公司認為，熱塑性復(fù)合材料（TPC）是下一代輕質(zhì)材料，從電子產(chǎn)品到汽車到航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。在各自領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)經(jīng)驗是關(guān)鍵。西門子的數(shù)字化功能進一步增強了Airborne在復(fù)合材料部件開發(fā)和工藝產(chǎn)業(yè)化方面的經(jīng)驗，這些功能涵蓋了完整的復(fù)合CAD-CAE-CAM鏈，數(shù)字工廠解決方案和數(shù)字雙平臺。sabic' target='_blank'>sabic' target='_blank'>沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料提供其UDMAX熱塑性復(fù)合單向帶，以及廣泛的材料知識和自己在復(fù)合材料加工和產(chǎn)品設(shè)計方面的研發(fā)。目標：低成本大規(guī)模生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料。

沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司的FRT業(yè)務(wù)使用其“專有HPFIT”技術(shù)生產(chǎn)UDMAX熱塑性膠帶，該技術(shù)速度快，精度高，可傳播數(shù)千種玻璃纖維或碳纖維，并將它們與聚合物基體相結(jié)合。據(jù)報道，所得帶材具有高纖維含量，高質(zhì)量的纖維浸漬和最小的空隙含量以及更少的斷裂纖維。(注意：UDMAX和HPFIT是SABIC及其附屬公司的商標名稱。)

合作背景

Airborne已經(jīng)成為石油和天然氣熱塑性復(fù)合管的領(lǐng)先制造商。它已開發(fā)并建立全自動化生產(chǎn)流程，于2012年投產(chǎn)新建工廠，兩年后成立了Airborne石油和天然氣公司，吸引了來自SHELL，Chevron，沙特阿美和贏創(chuàng)等股東。

“我們在開發(fā)石油和天然氣的過程中遇到了SABIC，”van Mourik說。 “對于這些連續(xù)復(fù)合卷曲管，我們已經(jīng)開發(fā)出軟件和工業(yè)化流程，現(xiàn)在可以一次性生產(chǎn)40-50噸產(chǎn)品，無需多余勞動。”

西門子的John O'Connor說：“這是復(fù)合材料完全工業(yè)化的一個典型例子。最先進的技術(shù)正達到復(fù)合材料像其他任何工業(yè)材料一樣被加工的地步。復(fù)合材料的競爭力一直是生產(chǎn)率的限制問題。所以這就是我們在西門子認為有獨特能力的地方。我們的重點是數(shù)字化。我們可以使用CAD-CAE-CAM產(chǎn)品提供設(shè)計和模擬之后再到制造車間。我們也可以運用數(shù)字工廠解決方案，例如控制器和生產(chǎn)系統(tǒng)驅(qū)動器，，以及我們的數(shù)字雙生技術(shù)。”

材料和零件

材料是SABIC運用開始的地方?！拔覀冇写罅康臒崴苄詷渲??！盕rancato說，“在沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料集團，我們相信，由于循環(huán)時間較短，熱塑性塑料可將復(fù)合材料提升到一個新的水平。與熱固性材料相比，可重復(fù)性問題也較少。多年前，我們開始著眼于熱塑性復(fù)合材料，基于UD膠帶，我們認為這是最佳的材料形式?！八赋?，熱固性復(fù)合材料也已經(jīng)開始向需要最終性能的應(yīng)用自動放置單向膠帶。 “我們使用我們的UDMAX膠帶制作層壓板和片材，然后根據(jù)客戶要求成型并將其模壓成復(fù)雜的組件。”Francato說： “這不能在低周期時間，低成本和集成到零件中的附加功能的熱固材料中完成。”

他繼續(xù)說道：“我們相信這將實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，使汽車行業(yè)能更廣泛地利用熱塑性復(fù)合材料帶來的好處?！币虼耍囀瞧渲幸粋€目標?！拔覀冋J為大批量汽車應(yīng)用所需的低循環(huán)時間和部件間一致性類型可能會發(fā)生，”Francato說道。其他目標市場包括航空航天，商務(wù)電子，商用車(卡車)和管道。 “零件的可用空間非常寬。”他說，“材料空間也很廣，我們一開始就在尋找玻璃和碳纖維，尼龍(聚酰胺或PA)，聚丙烯(PP)和聚碳酸酯(PC)，也愿意加入高性能聚合物，如PEEK(聚醚醚酮)，PEKK(聚醚酮酮)，PEI，(聚醚酰亞胺)等?！?/p>

自動化

Francato說通過Airborne和西門子實現(xiàn)自動化是關(guān)鍵。“我們首先開始使材料自動化，2016年購買FRT，因此我們以合適的速度高質(zhì)量、完美地制作大寬度膠帶，這是不容易實現(xiàn)的。但現(xiàn)在我們需要高速以不同的方向制造不同層數(shù)的層壓板?！八f，雖然很多系統(tǒng)都在試點項目中，但實際上很少有生產(chǎn)?！笆褂肊ngel和KraussMaffei的包覆成型技術(shù)進行的自動化已經(jīng)做得更多，”Francato說道。但他認為速度非常快，大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備依然缺乏?！斑@就是為什么我們希望找到合適的公司與之合作。Airborne和西門子有能力為特定的最終用途產(chǎn)品實現(xiàn)層壓板自動化。我們正在組件的機器將實現(xiàn)目標：每年生產(chǎn)數(shù)十萬至數(shù)百萬個零件?！?/p>

機載的方法是靈活的，以滿足需要。“我們購買設(shè)備，但也建立我們自己的和結(jié)合的技術(shù)。我們盡量不重新發(fā)明，而是將機器從其他帶來創(chuàng)新的行業(yè)整合起來。例如，我們已經(jīng)研究了紙業(yè)、電纜卷繞行業(yè)等，以滿足我們對產(chǎn)品制造的需求。我們也正在開發(fā)ATL(自動磁帶鋪設(shè))設(shè)備，準備進軍一個尚未被開發(fā)的市場。

O'Connor說：“我們看到公司的生產(chǎn)率很高，但不是先進的材料系統(tǒng)，反之亦然?！?“行業(yè)領(lǐng)先者必須實現(xiàn)機器能力，材料能力和工藝能力的交叉。”他表示，西門子帶來了大量的數(shù)字保護傘，可以涵蓋所有這些領(lǐng)域，結(jié)合了各自的數(shù)據(jù)以在整個供應(yīng)鏈和流程鏈中達到更高的績效水平。

零缺陷制造

O’Connor所說的這種西門子授權(quán)數(shù)字化生產(chǎn)聽起來與一種被稱為ZAero的零缺陷制造十分類似。Van Mourik指出這種類型的優(yōu)化材料和過程鏈是人們希望看到的，他還表示：“這兩種方法是相同的，并且在石油和天然氣管道中，我們已經(jīng)做到了這一點。當你你建造一個3千米長，50噸重的高價值產(chǎn)品時，你很難生產(chǎn)過程中放棄它。但是你必須應(yīng)對材料和環(huán)境的變化，并且仍然能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。為了做到這一點，我們已經(jīng)開發(fā)了一種技術(shù)，這種技術(shù)能夠根據(jù)先進的制造工藝模型和內(nèi)嵌。

Francato認為過程建模在這方面將大有作為。他表示：“材料或接頭的缺陷能產(chǎn)生什么影響?我們希望能夠在飛行過程中完成材料的調(diào)整。然而，說服OEM廠商需要大量的數(shù)據(jù)。如果沒有完全自動化的供應(yīng)鏈和流程鏈，是無法做到這一點的?！?Francato指出，大量的模擬應(yīng)用在了注射成型過程中，但在連續(xù)纖維復(fù)合材料方面做的卻不多。然而，SABIC在兩年前在這方面卻做了很多工作，在選定的地點使用UDMAX磁帶制作了一種通用復(fù)合光束。“我只用了不到一分鐘的時間就完成了這個部分，并使用這部分來測試和驗證我們的模擬模型。我們需要知道一個磁帶如何轉(zhuǎn)換到最終部分，同時也要理解零件的整合和成形過程。”

O’Connor說整個過程可以通過西門子進行數(shù)字化。“我們有內(nèi)部研發(fā)的產(chǎn)品，也有合作伙伴幫助，為我們提供一些可能用到的額外功能?！?/p>

靈活的生產(chǎn)線首先被用在生產(chǎn)汽車上

Van Mourik還認為，生產(chǎn)線必須變得如此靈活，才可以在大系列之間運行小系列?！皵?shù)字制造的概念使生產(chǎn)線重新配置為每一種產(chǎn)品的精確、優(yōu)化的設(shè)置。”理想狀態(tài)是一小批十分靈活的生產(chǎn)線協(xié)同合作。他還補充道:“整合站將是靈活性最低的，而接頭的建造模塊將會更加普及?！?/p>

Francato說:“對于汽車和消費電子產(chǎn)品來說生產(chǎn)線并不像航空航天那么長，所以從一個部件到另一個部件，從一個模型到另一個模型，我們都可以確保擁有一個非常健全的系統(tǒng)。” 他承認，在自動駕駛和傳感器方面，TPC當然可以發(fā)揮很重要的作用，“但在汽車內(nèi)飾方面TPC發(fā)揮的作用也不小，因為這方面需要的功能十分繁多。與傳統(tǒng)材料相比，我們可以在這里降低成本，并且SABIC是汽車內(nèi)飾方面的專家。我們認為，與Airborne公司和西門子公司的合作可以幫助SABIC客戶以一種非?？煽恳恢碌姆绞街圃炝悴考??！?/p>

成本控制

這種合作模式與Van Mourik所說的過去那種分散的組合價值鏈形成了鮮明的對比?！霸?0世紀90年代，你可以花很多錢購買碳纖維布(碳纖維增強塑料)用在飛機上，因為它節(jié)省的重量和提供的性能值這個價錢。但是將碳纖維轉(zhuǎn)化成飛機部件的成本和提前期都是非常高的。因此，當務(wù)之急是大幅降低成本和時間?！?/p>

對于Airborne公司來說，這意味著像SABIC這樣的化學(xué)公司必須參與其中。“因為在過去，配方不一定是針對特定部件的成本效益生產(chǎn)而進行優(yōu)化的。因為我們正在與SABIC合作，因此我們可以向材料供應(yīng)商公開要求材料性能提升或成本降低的目標，而這是史無前例的?！盕rancato還同意一個觀點，即“以合適的成本進行輕量級生產(chǎn)?！?/p>

Van Mourik表示:“現(xiàn)在，我們正在優(yōu)化材料和生產(chǎn)流程，從根本上降低成本和生產(chǎn)周期。在消費類電子產(chǎn)品中，用兩三年的時間開發(fā)組件是不可接受的，在市場上的實際情況更接近6-9個月?！?/p>

機器學(xué)習(xí)加速生產(chǎn)線的發(fā)展

Van Mourik承認，要在這一數(shù)字生產(chǎn)線上將所有因素連接起來，還有很多工作要做。他解釋說:“我們會試著先把這個過程數(shù)字化，而機器學(xué)習(xí)也可以作用在局部，例如僅用在壓成型上，但是隨后我們會將這一局部過程連接到整個大過程的每個部分。”他指出，這也是與西門子和SABIC合作的地方，例如，“如果機器告訴我們改變過程設(shè)置，那么材料參數(shù)也將被改變。在未來，我們希望能夠自動連接到磁帶的生產(chǎn)。但我們會一步一步來。”

O’Connor說:“這是我們行業(yè)4.0計劃的一個開端我們有能力在整個過程鏈中整合各個因素。人們每天都在做百萬美元的決策，但通常沒有數(shù)據(jù)和視圖的支持，這是非常不合理的現(xiàn)象。”

Francato 說：“熱塑性復(fù)合材料的潛力是非常巨大的，而這一合作將會加速熱塑性復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用?！彼a充道，數(shù)字化的生產(chǎn)線本身將有助于縮短開發(fā)周期?！拔覀儾恍枰H手做所有的分析。這些數(shù)字化的系統(tǒng)將填補大部分數(shù)據(jù)和細節(jié)?！?/p>

Van Mourik舉了個例子?！盀榱耸箯?fù)合材料的制造過程不出差錯，你必須監(jiān)控幾十個參數(shù)。我們的工程師注意到的通常是一些最容易理解和控制的部分。在一個生產(chǎn)線中，我們已經(jīng)確定了可接受的2-3個關(guān)鍵參數(shù)的窗口。然而，在整個過程中使用高級數(shù)據(jù)分析，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在這個窗口之外參數(shù)的替代組合都不太符合邏輯，但實際上它們卻提供了更好的結(jié)果?！彼赋觯瑑擅瘜W(xué)博士花了一些時間才明白其中的原因，“但現(xiàn)在我們對這個過程有了非常深入的了解和理解，同時也使得性能和效率有了新的提高。”

O’Connor說：“簡單舉個例子，西門子控制器在工廠里有數(shù)百個優(yōu)化設(shè)施，使生產(chǎn)方式更加快速、靈活和智能。復(fù)合材料行業(yè)正處于能夠利用這種水平自動化和控制的尖端水準。

Van Mourik表示：“如果我們能夠?qū)⑽鏖T子和SABIC的知識與我們已經(jīng)證明可以在復(fù)合材料部件和工藝開發(fā)中取得的成果相結(jié)合，那我們就可以在復(fù)合材料和過程開發(fā)中取得成功，并且還可以以一種以往做不到的方式加速。我們的著手點很小，但潛力是巨大的?！?/p>

對整個行業(yè)的刺激

Francato說：“我們希望使我們的客戶能夠充分利用這些連續(xù)纖維熱塑性材料，而且還要比以往任何時候都可以更快地帶來新的解決方案?！彼J為，由于對減少碳排放和能源使用的需求增加，復(fù)合材料的發(fā)展機會越來越大。“考慮一下這三個合作伙伴的規(guī)模和經(jīng)驗。我們可以激勵這個市場的其他玩家，讓更多人參與進來，到目前為止，這個市場還太小。”

來源：材料科技在線