這三家公司認為,熱塑性復合材料(TPC)是下一代輕質(zhì)材料,從電子產(chǎn)品到汽車(chē)到航空航天等領(lǐng)域的應用日益增多。在各自領(lǐng)域內的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗是關(guān)鍵。西門(mén)子的數字化功能進(jìn)一步增強了Airborne在復合材料部件開(kāi)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合CAD-CAE-CAM鏈,數字工廠(chǎng)解決方案和數字雙平臺。沙伯基礎創(chuàng )新塑料提供其UDMAX熱塑性復合單向帶,以及廣泛的材料知識和自己在復合材料加工和產(chǎn)品設計方面的研發(fā)。目標:低成本大規模生產(chǎn)熱塑性復合材料。
沙特基礎工業(yè)公司的FRT業(yè)務(wù)使用其“專(zhuān)有HPFIT”技術(shù)生產(chǎn)UDMAX熱塑性膠帶,該技術(shù)速度快,精度高,可傳播數千種玻璃纖維或碳纖維,并將它們與聚合物基體相結合。據報道,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(chēng)。)
合作背景
Airborne已經(jīng)成為石油和天然氣熱塑性復合管的領(lǐng)先制造商。它已開(kāi)發(fā)并建立全自動(dòng)化生產(chǎn)流程,于2012年投產(chǎn)新建工廠(chǎng),兩年后成立了Airborne石油和天然氣公司,吸引了來(lái)自SHELL,Chevron,沙特阿美和贏(yíng)創(chuàng )等股東。
“我們在開(kāi)發(fā)石油和天然氣的過(guò)程中遇到了SABIC,”vanMourik說(shuō)?!皩τ谶@些連續復合卷曲管,我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出軟件和工業(yè)化流程,現在可以一次性生產(chǎn)40-50噸產(chǎn)品,無(wú)需多余勞動(dòng)?!?/span>
西門(mén)子的JohnO'Connor說(shuō):“這是復合材料完全工業(yè)化的一個(gè)典型例子。最先進(jìn)的技術(shù)正達到復合材料像其他任何工業(yè)材料一樣被加工的地步。復合材料的競爭力一直是生產(chǎn)率的限制問(wèn)題。所以這就是我們在西門(mén)子認為有獨特能力的地方。我們的重點(diǎn)是數字化。我們可以使用CAD-CAE-CAM產(chǎn)品提供設計和模擬之后再到制造車(chē)間。我們也可以運用數字工廠(chǎng)解決方案,例如控制器和生產(chǎn)系統驅動(dòng)器,,以及我們的數字雙生技術(shù)?!?/span>
材料和零件
材料是SABIC運用開(kāi)始的地方?!拔覀冇写罅康臒崴苄詷?shù)脂?!盕rancato說(shuō),“在沙伯基礎創(chuàng )新塑料集團,我們相信,由于循環(huán)時(shí)間較短,熱塑性塑料可將復合材料提升到一個(gè)新的水平。與熱固性材料相比,可重復性問(wèn)題也較少。多年前,我們開(kāi)始著(zhù)眼于熱塑性復合材料,基于UD膠帶,我們認為這是最佳的材料形式?!八赋?,熱固性復合材料也已經(jīng)開(kāi)始向需要最終性能的應用自動(dòng)放置單向膠帶?!拔覀兪褂梦覀兊腢DMAX膠帶制作層壓板和片材,然后根據客戶(hù)要求成型并將其模壓成復雜的組件?!盕rancato說(shuō):“這不能在低周期時(shí)間,低成本和集成到零件中的附加功能的熱固材料中完成?!?/span>
他繼續說(shuō)道:“我們相信這將實(shí)現大規模生產(chǎn),使汽車(chē)行業(yè)能更廣泛地利用熱塑性復合材料帶來(lái)的好處?!币虼?,汽車(chē)是其中一個(gè)目標?!拔覀冋J為大批量汽車(chē)應用所需的低循環(huán)時(shí)間和部件間一致性類(lèi)型可能會(huì )發(fā)生,”Francato說(shuō)道。其他目標市場(chǎng)包括航空航天,商務(wù)電子,商用車(chē)(卡車(chē))和管道?!傲慵目捎每臻g非常寬?!彼f(shuō),“材料空間也很廣,我們一開(kāi)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?!?/span>
自動(dòng)化
Francato說(shuō)通過(guò)Airborne和西門(mén)子實(shí)現自動(dòng)化是關(guān)鍵?!拔覀兪紫乳_(kāi)始使材料自動(dòng)化,2016年購買(mǎi)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(shí)現的。但現在我們需要高速以不同的方向制造不同層數的層壓板?!八f(shuō),雖然很多系統都在試點(diǎn)項目中,但實(shí)際上很少有生產(chǎn)?!笆褂肊ngel和KraussMaffei的包覆成型技術(shù)進(jìn)行的自動(dòng)化已經(jīng)做得更多,”Francato說(shuō)道。但他認為速度非???,大規模生產(chǎn)的設備依然缺乏?!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(mén)子有能力為特定的最終用途產(chǎn)品實(shí)現層壓板自動(dòng)化。我們正在組件的機器將實(shí)現目標:每年生產(chǎn)數十萬(wàn)至數百萬(wàn)個(gè)零件?!?/span>
機載的方法是靈活的,以滿(mǎn)足需要?!拔覀冑徺I(mǎi)設備,但也建立我們自己的和結合的技術(shù)。我們盡量不重新發(fā)明,而是將機器從其他帶來(lái)創(chuàng )新的行業(yè)整合起來(lái)。例如,我們已經(jīng)研究了紙業(yè)、電纜卷繞行業(yè)等,以滿(mǎn)足我們對產(chǎn)品制造的需求。我們也正在開(kāi)發(fā)ATL(自動(dòng)磁帶鋪設)設備,準備進(jìn)軍一個(gè)尚未被開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)。
O'Connor說(shuō):“我們看到公司的生產(chǎn)率很高,但不是先進(jìn)的材料系統,反之亦然?!薄靶袠I(yè)領(lǐng)先者必須實(shí)現機器能力,材料能力和工藝能力的交叉?!彼硎?,西門(mén)子帶來(lái)了大量的數字保護傘,可以涵蓋所有這些領(lǐng)域,結合了各自的數據以在整個(gè)供應鏈和流程鏈中達到更高的績(jì)效水平。
零缺陷制造
O’Connor所說(shuō)的這種西門(mén)子授權數字化生產(chǎn)聽(tīng)起來(lái)與一種被稱(chēng)為ZAero的零缺陷制造十分類(lèi)似。VanMourik指出這種類(lèi)型的優(yōu)化材料和過(guò)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(diǎn)。當你你建造一個(gè)3千米長(cháng),50噸重的高價(jià)值產(chǎn)品時(shí),你很難生產(chǎn)過(guò)程中放棄它。但是你必須應對材料和環(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(diǎn),我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種技術(shù),這種技術(shù)能夠根據先進(jìn)的制造工藝模型和內嵌。
Francato認為過(guò)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(guò)程中完成材料的調整。然而,說(shuō)服OEM廠(chǎng)商需要大量的數據。如果沒(méi)有完全自動(dòng)化的供應鏈和流程鏈,是無(wú)法做到這一點(diǎn)的?!盕rancato指出,大量的模擬應用在了注射成型過(guò)程中,但在連續纖維復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(diǎn)使用UDMAX磁帶制作了一種通用復合光束?!拔抑挥昧瞬坏揭环昼姷臅r(shí)間就完成了這個(gè)部分,并使用這部分來(lái)測試和驗證我們的模擬模型。我們需要知道一個(gè)磁帶如何轉換到最終部分,同時(shí)也要理解零件的整合和成形過(guò)程?!?/span>
O’Connor說(shuō)整個(gè)過(guò)程可以通過(guò)西門(mén)子進(jìn)行數字化?!拔覀冇袃炔垦邪l(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?!?/span>
靈活的生產(chǎn)線(xiàn)首先被用在生產(chǎn)汽車(chē)上
VanMourik還認為,生產(chǎn)線(xiàn)必須變得如此靈活,才可以在大系列之間運行小系列?!皵底种圃斓母拍钍股a(chǎn)線(xiàn)重新配置為每一種產(chǎn)品的精確、優(yōu)化的設置?!崩硐霠顟B(tài)是一小批十分靈活的生產(chǎn)線(xiàn)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(huì )更加普及?!?/span>
Francato說(shuō):“對于汽車(chē)和消費電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)生產(chǎn)線(xiàn)并不像航空航天那么長(cháng),所以從一個(gè)部件到另一個(gè)部件,從一個(gè)模型到另一個(gè)模型,我們都可以確保擁有一個(gè)非常健全的系統?!彼姓J,在自動(dòng)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(chē)內飾方面TPC發(fā)揮的作用也不小,因為這方面需要的功能十分繁多。與傳統材料相比,我們可以在這里降低成本,并且SABIC是汽車(chē)內飾方面的專(zhuān)家。我們認為,與Airborne公司和西門(mén)子公司的合作可以幫助SABIC客戶(hù)以一種非??煽恳恢碌姆绞街圃炝悴考??!?/span>
成本控制
這種合作模式與VanMourik所說(shuō)的過(guò)去那種分散的組合價(jià)值鏈形成了鮮明的對比?!霸?0世紀90年代,你可以花很多錢(qián)購買(mǎi)碳纖維布(碳纖維增強塑料)用在飛機上,因為它節省的重量和提供的性能值這個(gè)價(jià)錢(qián)。但是將碳纖維轉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(shí)間?!?/span>
對于A(yíng)irborne公司來(lái)說(shuō),這意味著(zhù)像SABIC這樣的化學(xué)公司必須參與其中?!耙驗樵谶^(guò)去,配方不一定是針對特定部件的成本效益生產(chǎn)而進(jìn)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商公開(kāi)要求材料性能提升或成本降低的目標,而這是史無(wú)前例的?!盕rancato還同意一個(gè)觀(guān)點(diǎn),即“以合適的成本進(jìn)行輕量級生產(chǎn)?!?/span>
VanMourik表示:“現在,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(lèi)電子產(chǎn)品中,用兩三年的時(shí)間開(kāi)發(fā)組件是不可接受的,在市場(chǎng)上的實(shí)際情況更接近6-9個(gè)月?!?/span>
機器學(xué)習加速生產(chǎn)線(xiàn)的發(fā)展
VanMourik承認,要在這一數字生產(chǎn)線(xiàn)上將所有因素連接起來(lái),還有很多工作要做。他解釋說(shuō):“我們會(huì )試著(zhù)先把這個(gè)過(guò)程數字化,而機器學(xué)習也可以作用在局部,例如僅用在壓成型上,但是隨后我們會(huì )將這一局部過(guò)程連接到整個(gè)大過(guò)程的每個(gè)部分?!彼赋?,這也是與西門(mén)子和SABIC合作的地方,例如,“如果機器告訴我們改變過(guò)程設置,那么材料參數也將被改變。在未來(lái),我們希望能夠自動(dòng)連接到磁帶的生產(chǎn)。但我們會(huì )一步一步來(lái)?!?/span>
O’Connor說(shuō):“這是我們行業(yè)4.0計劃的一個(gè)開(kāi)端我們有能力在整個(gè)過(guò)程鏈中整合各個(gè)因素。人們每天都在做百萬(wàn)美元的決策,但通常沒(méi)有數據和視圖的支持,這是非常不合理的現象?!?/span>
Francato說(shuō):“熱塑性復合材料的潛力是非常巨大的,而這一合作將會(huì )加速熱塑性復合材料的開(kāi)發(fā)和應用?!彼a充道,數字化的生產(chǎn)線(xiàn)本身將有助于縮短開(kāi)發(fā)周期?!拔覀儾恍枰H手做所有的分析。這些數字化的系統將填補大部分數據和細節?!?/span>
VanMourik舉了個(gè)例子?!盀榱耸箯秃喜牧系闹圃爝^(guò)程不出差錯,你必須監控幾十個(gè)參數。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(gè)生產(chǎn)線(xiàn)中,我們已經(jīng)確定了可接受的2-3個(gè)關(guān)鍵參數的窗口。然而,在整個(gè)過(guò)程中使用高級數據分析,我們驚奇地發(fā)現,在這個(gè)窗口之外參數的替代組合都不太符合邏輯,但實(shí)際上它們卻提供了更好的結果?!彼赋?,兩名化學(xué)博士花了一些時(shí)間才明白其中的原因,“但現在我們對這個(gè)過(guò)程有了非常深入的了解和理解,同時(shí)也使得性能和效率有了新的提高?!?/span>
O’Connor說(shuō):“簡(jiǎn)單舉個(gè)例子,西門(mén)子控制器在工廠(chǎng)里有數百個(gè)優(yōu)化設施,使生產(chǎn)方式更加快速、靈活和智能。復合材料行業(yè)正處于能夠利用這種水平自動(dòng)化和控制的尖端水準。
Van Mourik表示:“如果我們能夠將西門(mén)子和SABIC的知識與我們已經(jīng)證明可以在復合材料部件和工藝開(kāi)發(fā)中取得的成果相結合,那我們就可以在復合材料和過(guò)程開(kāi)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(zhù)手點(diǎn)很小,但潛力是巨大的?!?/span>
對整個(gè)行業(yè)的刺激
Francato說(shuō):“我們希望使我們的客戶(hù)能夠充分利用這些連續纖維熱塑性材料,而且還要比以往任何時(shí)候都可以更快地帶來(lái)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,復合材料的發(fā)展機會(huì )越來(lái)越大?!翱紤]一下這三個(gè)合作伙伴的規模和經(jīng)驗。我們可以激勵這個(gè)市場(chǎng)的其他玩家,讓更多人參與進(jìn)來(lái),到目前為止,這個(gè)市場(chǎng)還太小?!?/span>