這(zhè)三家公司認為(wèi)，熱(rè)塑性複合材料（TPC）是下(xià)一(yī)代輕質材料，從(cóng)電子産品到汽車到航空航天等領域的應用日益增多。在各自(zì)領域內(nèi)的專業經驗是關鍵。西(xī)門子的數(shù)字化功能(néng)進一(yī)步增強了(le)Airborne在複合材料部件開(kāi)發和(hé)工(gōng)藝産業化方面的經驗，這(zhè)些功能(néng)涵蓋了(le)完整的複合CAD-CAE-CAM鏈，數(shù)字工(gōng)廠解決方案和(hé)數(shù)字雙平台。沙伯基礎創新塑料提供其UDMAX熱(rè)塑性複合單向帶，以及廣泛的材料知識和(hé)自(zì)己在複合材料加工(gōng)和(hé)産品設計方面的研發。目标：低(dī)成本大規模生産熱(rè)塑性複合材料。

沙特基礎工(gōng)業公司的FRT業務使用其“專有HPFIT”技術(shù)生産UDMAX熱(rè)塑性膠帶，該技術(shù)速度快(kuài)，精度高，可(kě)傳播數(shù)千種玻璃纖維或碳纖維，并将它們與聚合物(wù)基體相結合。據報道(dào)，所得帶材具有高纖維含量，高質量的纖維浸漬和(hé)最小的空隙含量以及更少(shǎo)的斷裂纖維。(注意：UDMAX和(hé)HPFIT是SABIC及其附屬公司的商标名稱。)

合作(zuò)背景

Airborne已經成為(wèi)石油和(hé)天然氣熱(rè)塑性複合管的領先制造商。它已開(kāi)發并建立全自(zì)動化生産流程，于2012年(nián)投産新建工(gōng)廠，兩年(nián)後成立了(le)Airborne石油和(hé)天然氣公司，吸引了(le)來自(zì)SHELL，Chevron，沙特阿美和(hé)赢創等股東。

“我們在開(kāi)發石油和(hé)天然氣的過程中遇到了(le)SABIC，”vanMourik說。“對于這(zhè)些連續複合卷曲管，我們已經開(kāi)發出軟件和(hé)工(gōng)業化流程，現在可(kě)以一(yī)次性生産40-50噸産品，無需多餘勞動。”

西(xī)門子的JohnO'Connor說：“這(zhè)是複合材料完全工(gōng)業化的一(yī)個典型例子。最先進的技術(shù)正達到複合材料像其他(tā)任何工(gōng)業材料一(yī)樣被加工(gōng)的地(dì)步。複合材料的競争力一(yī)直是生産率的限制問(wèn)題。所以這(zhè)就是我們在西(xī)門子認為(wèi)有獨特能(néng)力的地(dì)方。我們的重點是數(shù)字化。我們可(kě)以使用CAD-CAE-CAM産品提供設計和(hé)模拟之後再到制造車間(jiān)。我們也可(kě)以運用數(shù)字工(gōng)廠解決方案，例如(rú)控制器和(hé)生産系統驅動器，，以及我們的數(shù)字雙生技術(shù)。”

材料和(hé)零件

材料是SABIC運用開(kāi)始的地(dì)方。“我們有大量的熱(rè)塑性樹(shù)脂。”Francato說，“在沙伯基礎創新塑料集團，我們相信，由于循環時(shí)間(jiān)較短，熱(rè)塑性塑料可(kě)将複合材料提升到一(yī)個新的水平。與熱(rè)固性材料相比，可(kě)重複性問(wèn)題也較少(shǎo)。多年(nián)前，我們開(kāi)始着眼于熱(rè)塑性複合材料，基于UD膠帶，我們認為(wèi)這(zhè)是最佳的材料形式。“他(tā)指出，熱(rè)固性複合材料也已經開(kāi)始向需要(yào)最終性能(néng)的應用自(zì)動放置單向膠帶。“我們使用我們的UDMAX膠帶制作(zuò)層壓闆和(hé)片材，然後根據客戶要(yào)求成型并将其模壓成複雜(zá)的組件。”Francato說：“這(zhè)不能(néng)在低(dī)周期時(shí)間(jiān)，低(dī)成本和(hé)集成到零件中的附加功能(néng)的熱(rè)固材料中完成。”

他(tā)繼續說道(dào)：“我們相信這(zhè)将實現大規模生産，使汽車行(xíng)業能(néng)更廣泛地(dì)利用熱(rè)塑性複合材料帶來的好處。”因此，汽車是其中一(yī)個目标。“我們認為(wèi)大批量汽車應用所需的低(dī)循環時(shí)間(jiān)和(hé)部件間(jiān)一(yī)緻性類型可(kě)能(néng)會發生，”Francato說道(dào)。其他(tā)目标市場包括航空航天，商務電子，商用車(卡車)和(hé)管道(dào)。“零件的可(kě)用空間(jiān)非常寬。”他(tā)說，“材料空間(jiān)也很(hěn)廣，我們一(yī)開(kāi)始就在尋找玻璃和(hé)碳纖維，尼龍(聚酰胺或PA)，聚丙烯(PP)和(hé)聚碳酸酯(PC)，也願意加入高性能(néng)聚合物(wù)，如(rú)PEEK(聚醚醚酮)，PEKK(聚醚酮酮)，PEI，(聚醚酰亞胺)等。“

自(zì)動化

Francato說通(tōng)過Airborne和(hé)西(xī)門子實現自(zì)動化是關鍵。“我們首先開(kāi)始使材料自(zì)動化，2016年(nián)購買FRT，因此我們以合适的速度高質量、完美地(dì)制作(zuò)大寬度膠帶，這(zhè)是不容易實現的。但(dàn)現在我們需要(yào)高速以不同的方向制造不同層數(shù)的層壓闆。“他(tā)說，雖然很(hěn)多系統都(dōu)在試點項目中，但(dàn)實際上(shàng)很(hěn)少(shǎo)有生産。“使用Engel和(hé)KraussMaffei的包覆成型技術(shù)進行(xíng)的自(zì)動化已經做(zuò)得更多，”Francato說道(dào)。但(dàn)他(tā)認為(wèi)速度非常快(kuài)，大規模生産的設備依然缺乏。“這(zhè)就是為(wèi)什麽我們希望找到合适的公司與之合作(zuò)。Airborne和(hé)西(xī)門子有能(néng)力為(wèi)特定的最終用途産品實現層壓闆自(zì)動化。我們正在組件的機器将實現目标：每年(nián)生産數(shù)十萬至數(shù)百萬個零件。“

機載的方法是靈活的，以滿足需要(yào)。“我們購買設備，但(dàn)也建立我們自(zì)己的和(hé)結合的技術(shù)。我們盡量不重新發明(míng)，而是将機器從(cóng)其他(tā)帶來創新的行(xíng)業整合起來。例如(rú)，我們已經研究了(le)紙(zhǐ)業、電纜卷繞行(xíng)業等，以滿足我們對産品制造的需求。我們也正在開(kāi)發ATL(自(zì)動磁帶鋪設)設備，準備進軍一(yī)個尚未被開(kāi)發的市場。

O'Connor說：“我們看(kàn)到公司的生産率很(hěn)高，但(dàn)不是先進的材料系統，反之亦然。”“行(xíng)業領先者必須實現機器能(néng)力，材料能(néng)力和(hé)工(gōng)藝能(néng)力的交叉。”他(tā)表示，西(xī)門子帶來了(le)大量的數(shù)字保護傘，可(kě)以涵蓋所有這(zhè)些領域，結合了(le)各自(zì)的數(shù)據以在整個供應鏈和(hé)流程鏈中達到更高的績效水平。

零缺陷制造

O’Connor所說的這(zhè)種西(xī)門子授權數(shù)字化生産聽起來與一(yī)種被稱為(wèi)ZAero的零缺陷制造十分類似。VanMourik指出這(zhè)種類型的優化材料和(hé)過程鏈是人(rén)們希望看(kàn)到的，他(tā)還表示：“這(zhè)兩種方法是相同的，并且在石油和(hé)天然氣管道(dào)中，我們已經做(zuò)到了(le)這(zhè)一(yī)點。當你你建造一(yī)個3千米長(cháng)，50噸重的高價值産品時(shí)，你很(hěn)難生産過程中放棄它。但(dàn)是你必須應對材料和(hé)環境的變化，并且仍然能(néng)生産出合格的産品。為(wèi)了(le)做(zuò)到這(zhè)一(yī)點，我們已經開(kāi)發了(le)一(yī)種技術(shù)，這(zhè)種技術(shù)能(néng)夠根據先進的制造工(gōng)藝模型和(hé)內(nèi)嵌。

Francato認為(wèi)過程建模在這(zhè)方面将大有作(zuò)為(wèi)。他(tā)表示：“材料或接頭的缺陷能(néng)産生什麽影響?我們希望能(néng)夠在飛行(xíng)過程中完成材料的調整。然而，說服OEM廠商需要(yào)大量的數(shù)據。如(rú)果沒有完全自(zì)動化的供應鏈和(hé)流程鏈，是無法做(zuò)到這(zhè)一(yī)點的。”Francato指出，大量的模拟應用在了(le)注射成型過程中，但(dàn)在連續纖維複合材料方面做(zuò)的卻不多。然而，SABIC在兩年(nián)前在這(zhè)方面卻做(zuò)了(le)很(hěn)多工(gōng)作(zuò)，在選定的地(dì)點使用UDMAX磁帶制作(zuò)了(le)一(yī)種通(tōng)用複合光(guāng)束。“我隻用了(le)不到一(yī)分鐘(zhōng)的時(shí)間(jiān)就完成了(le)這(zhè)個部分，并使用這(zhè)部分來測試和(hé)驗證我們的模拟模型。我們需要(yào)知道(dào)一(yī)個磁帶如(rú)何轉換到最終部分，同時(shí)也要(yào)理解零件的整合和(hé)成形過程。”

O’Connor說整個過程可(kě)以通(tōng)過西(xī)門子進行(xíng)數(shù)字化。“我們有內(nèi)部研發的産品，也有合作(zuò)夥伴幫助，為(wèi)我們提供一(yī)些可(kě)能(néng)用到的額外(wài)功能(néng)。”

靈活的生産線首先被用在生産汽車上(shàng)

VanMourik還認為(wèi)，生産線必須變得如(rú)此靈活，才可(kě)以在大系列之間(jiān)運行(xíng)小系列。“數(shù)字制造的概念使生産線重新配置為(wèi)每一(yī)種産品的精确、優化的設置。”理想狀态是一(yī)小批十分靈活的生産線協同合作(zuò)。他(tā)還補充道(dào):“整合站将是靈活性最低(dī)的，而接頭的建造模塊将會更加普及。”

Francato說:“對于汽車和(hé)消費(fèi)電子産品來說生産線并不像航空航天那(nà)麽長(cháng)，所以從(cóng)一(yī)個部件到另一(yī)個部件，從(cóng)一(yī)個模型到另一(yī)個模型，我們都(dōu)可(kě)以确保擁有一(yī)個非常健全的系統。”他(tā)承認，在自(zì)動駕駛和(hé)傳感器方面，TPC當然可(kě)以發揮很(hěn)重要(yào)的作(zuò)用，“但(dàn)在汽車內(nèi)飾方面TPC發揮的作(zuò)用也不小，因為(wèi)這(zhè)方面需要(yào)的功能(néng)十分繁多。與傳統材料相比，我們可(kě)以在這(zhè)裏降低(dī)成本，并且SABIC是汽車內(nèi)飾方面的專家。我們認為(wèi)，與Airborne公司和(hé)西(xī)門子公司的合作(zuò)可(kě)以幫助SABIC客戶以一(yī)種非常可(kě)靠一(yī)緻的方式制造零部件。”

成本控制

這(zhè)種合作(zuò)模式與VanMourik所說的過去那(nà)種分散的組合價值鏈形成了(le)鮮明(míng)的對比。“在20世紀90年(nián)代，你可(kě)以花很(hěn)多錢(qián)購買碳纖維布(碳纖維增強塑料)用在飛機上(shàng)，因為(wèi)它節省的重量和(hé)提供的性能(néng)值這(zhè)個價錢(qián)。但(dàn)是将碳纖維轉化成飛機部件的成本和(hé)提前期都(dōu)是非常高的。因此，當務之急是大幅降低(dī)成本和(hé)時(shí)間(jiān)。”

對于Airborne公司來說，這(zhè)意味着像SABIC這(zhè)樣的化學公司必須參與其中。“因為(wèi)在過去，配方不一(yī)定是針對特定部件的成本效益生産而進行(xíng)優化的。因為(wèi)我們正在與SABIC合作(zuò)，因此我們可(kě)以向材料供應商公開(kāi)要(yào)求材料性能(néng)提升或成本降低(dī)的目标，而這(zhè)是史無前例的。”Francato還同意一(yī)個觀點，即“以合适的成本進行(xíng)輕量級生産。”

VanMourik表示:“現在，我們正在優化材料和(hé)生産流程，從(cóng)根本上(shàng)降低(dī)成本和(hé)生産周期。在消費(fèi)類電子産品中，用兩三年(nián)的時(shí)間(jiān)開(kāi)發組件是不可(kě)接受的，在市場上(shàng)的實際情況更接近6-9個月。”

機器學習加速生産線的發展

VanMourik承認，要(yào)在這(zhè)一(yī)數(shù)字生産線上(shàng)将所有因素連接起來，還有很(hěn)多工(gōng)作(zuò)要(yào)做(zuò)。他(tā)解釋說:“我們會試着先把這(zhè)個過程數(shù)字化，而機器學習也可(kě)以作(zuò)用在局部，例如(rú)僅用在壓成型上(shàng)，但(dàn)是随後我們會将這(zhè)一(yī)局部過程連接到整個大過程的每個部分。”他(tā)指出，這(zhè)也是與西(xī)門子和(hé)SABIC合作(zuò)的地(dì)方，例如(rú)，“如(rú)果機器告訴我們改變過程設置，那(nà)麽材料參數(shù)也将被改變。在未來，我們希望能(néng)夠自(zì)動連接到磁帶的生産。但(dàn)我們會一(yī)步一(yī)步來。”

O’Connor說:“這(zhè)是我們行(xíng)業4.0計劃的一(yī)個開(kāi)端我們有能(néng)力在整個過程鏈中整合各個因素。人(rén)們每天都(dōu)在做(zuò)百萬美元的決策，但(dàn)通(tōng)常沒有數(shù)據和(hé)視(shì)圖的支持，這(zhè)是非常不合理的現象。”

Francato說：“熱(rè)塑性複合材料的潛力是非常巨大的，而這(zhè)一(yī)合作(zuò)将會加速熱(rè)塑性複合材料的開(kāi)發和(hé)應用。”他(tā)補充道(dào)，數(shù)字化的生産線本身将有助于縮短開(kāi)發周期。“我們不需要(yào)親手做(zuò)所有的分析。這(zhè)些數(shù)字化的系統将填補大部分數(shù)據和(hé)細節。”

VanMourik舉了(le)個例子。“為(wèi)了(le)使複合材料的制造過程不出差錯，你必須監控幾十個參數(shù)。我們的工(gōng)程師(shī)注意到的通(tōng)常是一(yī)些最容易理解和(hé)控制的部分。在一(yī)個生産線中，我們已經确定了(le)可(kě)接受的2-3個關鍵參數(shù)的窗口。然而，在整個過程中使用高級數(shù)據分析，我們驚奇地(dì)發現，在這(zhè)個窗口之外(wài)參數(shù)的替代組合都(dōu)不太符合邏輯，但(dàn)實際上(shàng)它們卻提供了(le)更好的結果。”他(tā)指出，兩名化學博士花了(le)一(yī)些時(shí)間(jiān)才明(míng)白其中的原因，“但(dàn)現在我們對這(zhè)個過程有了(le)非常深入的了(le)解和(hé)理解，同時(shí)也使得性能(néng)和(hé)效率有了(le)新的提高。”

O’Connor說：“簡單舉個例子，西(xī)門子控制器在工(gōng)廠裏有數(shù)百個優化設施，使生産方式更加快(kuài)速、靈活和(hé)智能(néng)。複合材料行(xíng)業正處于能(néng)夠利用這(zhè)種水平自(zì)動化和(hé)控制的尖端水準。

Van Mourik表示：“如(rú)果我們能(néng)夠将西(xī)門子和(hé)SABIC的知識與我們已經證明(míng)可(kě)以在複合材料部件和(hé)工(gōng)藝開(kāi)發中取得的成果相結合，那(nà)我們就可(kě)以在複合材料和(hé)過程開(kāi)發中取得成功，并且還可(kě)以以一(yī)種以往做(zuò)不到的方式加速。我們的着手點很(hěn)小，但(dàn)潛力是巨大的。”

對整個行(xíng)業的刺激

Francato說：“我們希望使我們的客戶能(néng)夠充分利用這(zhè)些連續纖維熱(rè)塑性材料，而且還要(yào)比以往任何時(shí)候都(dōu)可(kě)以更快(kuài)地(dì)帶來新的解決方案。”他(tā)認為(wèi)，由于對減少(shǎo)碳排放和(hé)能(néng)源使用的需求增加，複合材料的發展機會越來越大。“考慮一(yī)下(xià)這(zhè)三個合作(zuò)夥伴的規模和(hé)經驗。我們可(kě)以激勵這(zhè)個市場的其他(tā)玩(wán)家，讓更多人(rén)參與進來，到目前為(wèi)止，這(zhè)個市場還太小。”