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西门子和SABIC合作生 产热塑性复合材料
发布时间:2018-12-18 17:09:05 点击次数:152

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这三家公司认为,热塑性复合材料(TPC)是下一代轻质材料,从电子 产品到汽车到航空航天等领域的应用日益增多。在各自 领域内的专业经验是关键。西门子 的数字化功能进一步增强了Airborne在复合 材料部件开发和工艺产业化方面的经验,这些功 能涵盖了完整的复合CAD-CAE-CAM链,数字工 厂解决方案和数字双平台。沙伯基 础创新塑料提供其UDMAX热塑性复合单向带,以及广 泛的材料知识和自己在复合材料加工和产品设计方面的研发。目标:低成本 大规模生产热塑性复合材料。


沙特基础工业公司的FRT业务使用其“专有HPFIT”技术生产UDMAX热塑性胶带,该技术速度快,精度高,可传播 数千种玻璃纤维或碳纤维,并将它 们与聚合物基体相结合。据报道,所得带 材具有高纤维含量,高质量 的纤维浸渍和最小的空隙含量以及更少的断裂纤维。(注意:UDMAX和HPFIT是SABIC及其附 属公司的商标名称。)


合作背景


Airborne已经成 为石油和天然气热塑性复合管的领先制造商。它已开 发并建立全自动化生产流程,于2012年投产新建工厂,两年后成立了Airborne石油和天然气公司,吸引了来自SHELL,Chevron,沙特阿 美和赢创等股东。


“我们在 开发石油和天然气的过程中遇到了SABIC,”vanMourik说。“对于这 些连续复合卷曲管,我们已 经开发出软件和工业化流程,现在可以一次性生产40-50吨产品,无需多余劳动。”


西门子的JohnO'Connor说:“这是复 合材料完全工业化的一个典型例子。最先进 的技术正达到复合材料像其他任何工业材料一样被加工的地步。复合材 料的竞争力一直是生产率的限制问题。所以这 就是我们在西门子认为有独特能力的地方。我们的重点是数字化。我们可以使用CAD-CAE-CAM产品提 供设计和模拟之后再到制造车间。我们也 可以运用数字工厂解决方案,例如控 制器和生产系统驱动器,,以及我 们的数字双生技术。”


材料和零件


材料是SABIC运用开始的地方。“我们有 大量的热塑性树脂。”Francato说,“在沙伯 基础创新塑料集团,我们相信,由于循环时间较短,热塑性 塑料可将复合材料提升到一个新的水平。与热固性材料相比,可重复性问题也较少。多年前,我们开 始着眼于热塑性复合材料,基于UD胶带,我们认 为这是最佳的材料形式。“他指出,热固性 复合材料也已经开始向需要最终性能的应用自动放置单向胶带。“我们使用我们的UDMAX胶带制 作层压板和片材,然后根 据客户要求成型并将其模压成复杂的组件。”Francato说:“这不能在低周期时间,低成本 和集成到零件中的附加功能的热固材料中完成。”


他继续说道:“我们相 信这将实现大规模生产,使汽车 行业能更广泛地利用热塑性复合材料带来的好处。”因此,汽车是其中一个目标。“我们认 为大批量汽车应用所需的低循环时间和部件间一致性类型可能会发生,”Francato说道。其他目 标市场包括航空航天,商务电子,商用车(卡车)和管道。“零件的 可用空间非常宽。”他说,“材料空间也很广,我们一 开始就在寻找玻璃和碳纤维,尼龙(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,(聚醚酰亚胺)等。“


自动化


Francato说通过Airborne和西门 子实现自动化是关键。“我们首 先开始使材料自动化,2016年购买FRT,因此我 们以合适的速度高质量、完美地 制作大宽度胶带,这是不容易实现的。但现在 我们需要高速以不同的方向制造不同层数的层压板。“他说,虽然很 多系统都在试点项目中,但实际上很少有生产。“使用Engel和KraussMaffei的包覆 成型技术进行的自动化已经做得更多,”Francato说道。但他认为速度非常快,大规模 生产的设备依然缺乏。“这就是 为什么我们希望找到合适的公司与之合作。Airborne和西门 子有能力为特定的最终用途产品实现层压板自动化。我们正 在组件的机器将实现目标:每年生 产数十万至数百万个零件。“


机载的方法是灵活的,以满足需要。“我们购买设备,但也建 立我们自己的和结合的技术。我们尽量不重新发明,而是将 机器从其他带来创新的行业整合起来。例如,我们已经研究了纸业、电缆卷绕行业等,以满足 我们对产品制造的需求。我们也正在开发ATL(自动磁带铺设)设备,准备进 军一个尚未被开发的市场。


O'Connor说:“我们看 到公司的生产率很高,但不是 先进的材料系统,反之亦然。”“行业领 先者必须实现机器能力,材料能 力和工艺能力的交叉。”他表示,西门子 带来了大量的数字保护伞,可以涵 盖所有这些领域,结合了 各自的数据以在整个供应链和流程链中达到更高的绩效水平。


零缺陷制造


O’Connor所说的 这种西门子授权数字化生产听起来与一种被称为ZAero的零缺 陷制造十分类似。VanMourik指出这 种类型的优化材料和过程链是人们希望看到的,他还表示:“这两种方法是相同的,并且在 石油和天然气管道中,我们已 经做到了这一点。当你你建造一个3千米长,50吨重的高价值产品时,你很难 生产过程中放弃它。但是你 必须应对材料和环境的变化,并且仍 然能生产出合格的产品。为了做到这一点,我们已 经开发了一种技术,这种技 术能够根据先进的制造工艺模型和内嵌。


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Francato认为过 程建模在这方面将大有作为。他表示:“材料或 接头的缺陷能产生什么影响?我们希 望能够在飞行过程中完成材料的调整。然而,说服OEM厂商需要大量的数据。如果没 有完全自动化的供应链和流程链,是无法做到这一点的。”Francato指出,大量的 模拟应用在了注射成型过程中,但在连 续纤维复合材料方面做的却不多。然而,SABIC在两年 前在这方面却做了很多工作,在选定的地点使用UDMAX磁带制 作了一种通用复合光束。“我只用 了不到一分钟的时间就完成了这个部分,并使用 这部分来测试和验证我们的模拟模型。我们需 要知道一个磁带如何转换到最终部分,同时也 要理解零件的整合和成形过程。”


O’Connor说整个 过程可以通过西门子进行数字化。“我们有 内部研发的产品,也有合作伙伴帮助,为我们 提供一些可能用到的额外功能。”


灵活的 生产线首先被用在生产汽车上


VanMourik还认为,生产线 必须变得如此灵活,才可以 在大系列之间运行小系列。“数字制 造的概念使生产线重新配置为每一种产品的精确、优化的设置。”理想状 态是一小批十分灵活的生产线协同合作。他还补充道:“整合站 将是灵活性最低的,而接头 的建造模块将会更加普及。”


Francato说:“对于汽 车和消费电子产品来说生产线并不像航空航天那么长,所以从 一个部件到另一个部件,从一个 模型到另一个模型,我们都 可以确保拥有一个非常健全的系统。”他承认,在自动 驾驶和传感器方面,TPC当然可 以发挥很重要的作用,“但在汽车内饰方面TPC发挥的作用也不小,因为这 方面需要的功能十分繁多。与传统材料相比,我们可 以在这里降低成本,并且SABIC是汽车 内饰方面的专家。我们认为,与Airborne公司和 西门子公司的合作可以帮助SABIC客户以 一种非常可靠一致的方式制造零部件。”


成本控制


这种合作模式与VanMourik所说的 过去那种分散的组合价值链形成了鲜明的对比。“在20世纪90年代,你可以 花很多钱购买碳纤维布(碳纤维增强塑料)用在飞机上,因为它 节省的重量和提供的性能值这个价钱。但是将 碳纤维转化成飞机部件的成本和提前期都是非常高的。因此,当务之 急是大幅降低成本和时间。”


对于Airborne公司来说,这意味着像SABIC这样的 化学公司必须参与其中。“因为在过去,配方不 一定是针对特定部件的成本效益生产而进行优化的。因为我们正在与SABIC合作,因此我 们可以向材料供应商公开要求材料性能提升或成本降低的目标,而这是史无前例的。”Francato还同意一个观点,即“以合适 的成本进行轻量级生产。”


VanMourik表示:“现在,我们正 在优化材料和生产流程,从根本 上降低成本和生产周期。在消费类电子产品中,用两三 年的时间开发组件是不可接受的,在市场 上的实际情况更接近6-9个月。”


机器学 习加速生产线的发展


VanMourik承认,要在这 一数字生产线上将所有因素连接起来,还有很多工作要做。他解释说:“我们会 试着先把这个过程数字化,而机器 学习也可以作用在局部,例如仅用在压成型上,但是随 后我们会将这一局部过程连接到整个大过程的每个部分。”他指出,这也是与西门子和SABIC合作的地方,例如,“如果机 器告诉我们改变过程设置,那么材 料参数也将被改变。在未来,我们希 望能够自动连接到磁带的生产。但我们会一步一步来。”


O’Connor说:“这是我们行业4.0计划的 一个开端我们有能力在整个过程链中整合各个因素。人们每 天都在做百万美元的决策,但通常 没有数据和视图的支持,这是非 常不合理的现象。”


Francato说:“热塑性 复合材料的潜力是非常巨大的,而这一 合作将会加速热塑性复合材料的开发和应用。”他补充道,数字化 的生产线本身将有助于缩短开发周期。“我们不 需要亲手做所有的分析。这些数 字化的系统将填补大部分数据和细节。”


VanMourik举了个例子。“为了使 复合材料的制造过程不出差错,你必须 监控几十个参数。我们的 工程师注意到的通常是一些最容易理解和控制的部分。在一个生产线中,我们已 经确定了可接受的2-3个关键参数的窗口。然而,在整个 过程中使用高级数据分析,我们惊奇地发现,在这个 窗口之外参数的替代组合都不太符合逻辑,但实际 上它们却提供了更好的结果。”他指出,两名化 学博士花了一些时间才明白其中的原因,“但现在 我们对这个过程有了非常深入的了解和理解,同时也 使得性能和效率有了新的提高。”


O’Connor说:“简单举个例子,西门子 控制器在工厂里有数百个优化设施,使生产方式更加快速、灵活和智能。复合材 料行业正处于能够利用这种水平自动化和控制的尖端水准。


Van Mourik表示:“如果我 们能够将西门子和SABIC的知识 与我们已经证明可以在复合材料部件和工艺开发中取得的成果相结合,那我们 就可以在复合材料和过程开发中取得成功,并且还 可以以一种以往做不到的方式加速。我们的着手点很小,但潜力是巨大的。”


对整个行业的刺激


Francato说:“我们希 望使我们的客户能够充分利用这些连续纤维热塑性材料,而且还 要比以往任何时候都可以更快地带来新的解决方案。”他认为,由于对 减少碳排放和能源使用的需求增加,复合材 料的发展机会越来越大。“考虑一 下这三个合作伙伴的规模和经验。我们可 以激励这个市场的其他玩家,让更多人参与进来,到目前为止,这个市场还太小。”


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