西門子和SABIC合作生產熱塑性複合材料

這三家公司認為，熱塑性複合材料（TPC）是下一代輕質材料，從電子產品到汽車到航空航天等領域的應用日益增多。在各自領域內的專業經驗是關鍵。西門子的數字化功能進一步增強了Airborne在複合材料部件開發和工藝產業化方面的經驗，這些功能涵蓋了完整的複合CAD-CAE-CAM鏈，數字工廠解決方案和數字雙平台。沙伯基礎創新塑料提供其UDMAX熱塑性複合單向帶，以及廣泛的材料知識和自己在複合材料加工和產品設計方面的研發。目標：低成本大規模生產熱塑性複合材料。

沙特基礎工業公司的FRT業務使用其「專有HPFIT」技術生產UDMAX熱塑性膠帶，該技術速度快，精度高，可傳播數千種玻璃纖維或碳纖維，並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已經成為石油和天然氣熱塑性複合管的領先製造商。它已開發並建立全自動化生產流程，於2012年投產新建工廠，兩年後成立了Airborne石油和天然氣公司，吸引了來自SHELL，Chevron，沙特阿美和贏創等股東。

「我們在開發石油和天然氣的過程中遇到了SABIC，」van Mourik說。 「對於這些連續複合捲曲管，我們已經開發出軟體和工業化流程，現在可以一次性生產40-50噸產品，無需多餘勞動。」

西門子的John O"Connor說：「這是複合材料完全工業化的一個典型例子。最先進的技術正達到複合材料像其他任何工業材料一樣被加工的地步。複合材料的競爭力一直是生產率的限制問題。所以這就是我們在西門子認為有獨特能力的地方。我們的重點是數字化。我們可以使用CAD-CAE-CAM產品提供設計和模擬之後再到製造車間。我們也可以運用數字工廠解決方案，例如控制器和生產系統驅動器，，以及我們的數字雙生技術。」

材料和零件

材料是SABIC運用開始的地方。「我們有大量的熱塑性樹脂。」Francato說，「在沙伯基礎創新塑料集團，我們相信，由於循環時間較短，熱塑性塑料可將複合材料提升到一個新的水平。與熱固性材料相比，可重複性問題也較少。多年前，我們開始著眼於熱塑性複合材料，基於UD膠帶，我們認為這是最佳的材料形式。「他指出，熱固性複合材料也已經開始向需要最終性能的應用自動放置單向膠帶。 「我們使用我們的UDMAX膠帶製作層壓板和片材，然後根據客戶要求成型並將其模壓成複雜的組件。」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。」

他繼續說道：「我們相信這將實現大規模生產，使汽車行業能更廣泛地利用熱塑性複合材料帶來的好處。」因此，汽車是其中一個目標。「我們認為大批量汽車應用所需的低循環時間和部件間一致性類型可能會發生，」Francato說道。其他目標市場包括航空航天，商務電子，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（聚醯胺或PA），聚丙烯（PP）和聚碳酸酯（PC），也願意加入高性能聚合物，如PEEK（聚醚醚酮），PEKK（聚醚酮酮），PEI，（聚醚醯亞胺）等。「

自動化

Francato說通過Airborne和西門子實現自動化是關鍵。「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量、完美地製作大寬度膠帶，這是不容易實現的。但現在我們需要高速以不同的方向製造不同層數的層壓板。「他說，雖然很多系統都在試點項目中，但實際上很少有生產。「使用Engel和KraussMaffei的包覆成型技術進行的自動化已經做得更多，」Francato說道。但他認為速度非常快，大規模生產的設備依然缺乏。「這就是為什麼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品實現層壓板自動化。我們正在組件的機器將實現目標：每年生產數十萬至數百萬個零件。「

機載的方法是靈活的，以滿足需要。「我們購買設備，但也建立我們自己的和結合的技術。我們盡量不重新發明，而是將機器從其他帶來創新的行業整合起來。例如，我們已經研究了紙業、電纜卷繞行業等，以滿足我們對產品製造的需求。我們也正在開發ATL(自動磁帶鋪設)設備，準備進軍一個尚未被開發的市場。

O"Connor說：「我們看到公司的生產率很高，但不是先進的材料系統，反之亦然。」 「行業領先者必須實現機器能力，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字保護傘，可以涵蓋所有這些領域，結合了各自的數據以在整個供應鏈和流程鏈中達到更高的績效水平。

零缺陷製造

O』Connor所說的這種西門子授權數字化生產聽起來與一種被稱為ZAero的零缺陷製造十分類似。Van Mourik指出這種類型的優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，並且在石油和天然氣管道中，我們已經做到了這一點。當你你建造一個3千米長，50噸重的高價值產品時，你很難生產過程中放棄它。但是你必須應對材料和環境的變化，並且仍然能生產出合格的產品。為了做到這一點，我們已經開發了一種技術，這種技術能夠根據先進的製造工藝模型和內嵌。

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生什麼影響?我們希望能夠在飛行過程中完成材料的調整。然而，說服OEM廠商需要大量的數據。如果沒有完全自動化的供應鏈和流程鏈，是無法做到這一點的。」 Francato指出，大量的模擬應用在了注射成型過程中，但在連續纖維複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磁帶製作了一種通用複合光束。「我只用了不到一分鐘的時間就完成了這個部分，並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字化。「我們有內部研發的產品，也有合作夥伴幫助，為我們提供一些可能用到的額外功能。」

靈活的生產線首先被用在生產汽車上

Van Mourik還認為，生產線必須變得如此靈活，才可以在大系列之間運行小系列。「數字製造的概念使生產線重新配置為每一種產品的精確、優化的設置。」理想狀態是一小批十分靈活的生產線協同合作。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。」

Francato說:「對於汽車和消費電子產品來說生產線並不像航空航天那麼長，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。」 他承認，在自動駕駛和感測器方面，TPC當然可以發揮很重要的作用，「但在汽車內飾方面TPC發揮的作用也不小，因為這方面需要的功能十分繁多。與傳統材料相比，我們可以在這裡降低成本，並且SABIC是汽車內飾方面的專家。我們認為，與Airborne公司和西門子公司的合作可以幫助SABIC客戶以一種非常可靠一致的方式製造零部件。」

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。「在20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，因為它節省的重量和提供的性能值這個價錢。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，當務之急是大幅降低成本和時間。」

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

Van Mourik表示:「現在，我們正在優化材料和生產流程，從根本上降低成本和生產周期。在消費類電子產品中，用兩三年的時間開發組件是不可接受的，在市場上的實際情況更接近6-9個月。」

機器學習加速生產線的發展

Van Mourik承認，要在這一數字生產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字化，而機器學習也可以作用在局部，例如僅用在壓成型上，但是隨後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置，那麼材料參數也將被改變。在未來，我們希望能夠自動連接到磁帶的生產。但我們會一步一步來。」

O』Connor說:「這是我們行業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，但通常沒有數據和視圖的支持，這是非常不合理的現象。」

Francato 說：「熱塑性複合材料的潛力是非常巨大的，而這一合作將會加速熱塑性複合材料的開發和應用。」他補充道，數字化的生產線本身將有助於縮短開發周期。「我們不需要親手做所有的分析。這些數字化的系統將填補大部分數據和細節。」

Van Mourik舉了個例子。「為了使複合材料的製造過程不出差錯，你必須監控幾十個參數。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。在一個生產線中，我們已經確定了可接受的2-3個關鍵參數的窗口。然而，在整個過程中使用高級數據分析，我們驚奇地發現，在這個窗口之外參數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果。」他指出，兩名化學博士花了一些時間才明白其中的原因，「但現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百個優化設施，使生產方式更加快速、靈活和智能。複合材料行業正處於能夠利用這種水平自動化和控制的尖端水準。

Van Mourik表示：「如果我們能夠將西門子和SABIC的知識與我們已經證明可以在複合材料部件和工藝開發中取得的成果相結合，那我們就可以在複合材料和過程開發中取得成功，並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。」

對整個行業的刺激

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。」他認為，由於對減少碳排放和能源使用的需求增加，複合材料的發展機會越來越大。「考慮一下這三個合作夥伴的規模和經驗。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。」

原文來自compositesworld，原文題目為Airborne, Siemens and SABIC partner to mass produce thermoplastic composites，由材料科技在線匯總整理。

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