交钥匙的生产系统:材料、市场和成熟性

作者:CompositesWorld Ginger Gardiner 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-03-16
自动化的生产单元为扩大复合材料的生产带来了可行性并减少了风险。但真的能够沿着这条道路向前推进吗?

2012~2013年,为复合材料部件的生产提供“交钥匙”的集成生产系统已成为明显的趋势。从风机叶片到航空结构再到汽车部件,针对每一个应用领域,设备供应商们总是捆绑在一起,为客户提供完整的生产系统。与提供单台设备不同,这些合作伙伴或联盟是在向客户承诺一种能力:提供所有所需的生产设备,确保整套系统能够成功地生产出所需的部件。

提供这种交钥匙的生产系统,是如何实施的呢?这一趋势是否已经持续下去?这些系统在运行之中吗?

实际上,集成的生产系统已得到了部署。在此通过几个例子,介绍为什么以及如何开发出这些不同的生产系统,同时展示一些观点及背景情况。

交钥匙或不交钥匙

“我认为,行业正向交钥匙系统的方向发展。”迪芬巴赫(德国埃平根)技术和业务开发总监Matthias Graf表示。根据他的经验,如果一家成型商尝试使用不同的设备,比如向不同的供应商采购压机、计量系统、加热单元和预成型设备等,然后向第五家公司采购自动化技术,那么这家成型商只能自己来连接、协调并控制好整条生产线。

恩格尔奥地利公司(奥地利施韦特贝格)的轻量化复合材料技术中心总监Peter Egger则提到了管理的重要性,他说,“为确保所有的各生产单元能够彼此‘对话’,我们的一些客户花费了大量的时间和精力。”Egger指出,为集成这些系统开发最佳的控制技术,虽然需要对集成者进行投资,但最终将节省客户的时间。“在一个交钥匙的生产系统中,这样的项目工程是必要的。因此,无论是选择哪一种方式,你总要为此付费。问题是,你是否知道这项投资是什么,或者你所想到的以及承担的风险是什么。”

Graf断言:“客户们知道,如果与一家交钥匙的供应商合作,必须预付总的投资费用,同时,供应商必须满足性能要求并履行合同。我认为,这将带走客户的风险,节省劳力,因为经过几个月的努力而获得的这条能够生产出良品的生产线,能够轻易地减少10%以上的系统成本。”

Egger补充道,采购一套交钥匙的解决方案,意味着客户们获得的生产灵活性要比他们分别单独采购的设备要高。“生产系统的成本不同,所适用的部件类型数量也不同,成本高的生产系统,必然适用于多种不同类型的部件,关键是客户需要提前作出决定。”

集成的生产系统:系统集成商们强调,将生产设备组合成自动化的生产系统,不一定会限制客户的生产灵活性。一家韩国客户工厂中的这套生产系统提供了多种工艺选项:湿法模压、HP-RTM、C-RTM 和热塑性RTM(图片来自克劳斯玛菲)

作为交钥匙系统供应商,Composite Alliance公司(美国德克萨斯州达拉斯)的业务开发总监Chantal Wierckx则谈到了制造商的风险问题,他说:“如果在生产部件时出现了问题,谁来承担责任?模具制造商能协调解决吗?或者他是否会说是压机系统出了问题?但交钥匙的生产系统可以避免这类问题,对我们而言,是提供“一站式”的责任。”

Sven Torstrick是德国国家航空航天研究机构DLR(德国施塔德)净形状RTM团队的经理和一个系统用户,他也看到了向交钥匙解决方案的方向发展的趋势,并指出,设备供应商们已经在提供更多选项方面取得了重大进步。但他同时也表示:“我们没有依靠单独一家供应商,所以我们对生产系统中的每一个关键部分都了如指掌、理解到位,包括:生产线是如何运行的,问题可能出现在哪里。如果采用一个交钥匙的生产系统,情况会完全不同。”

Egger承认,客户需要具备这样的知识水平。他说:“我们有一些客户,想分别采购生产系统的每一个部分,因为他们需要保证有自己的know-how。但我们还有一些客户,他们想要获得一套完整的生产系统而不想在此方面花费太多的精力。因此,我们必须为这两类客户做好准备。”

克劳斯玛菲(德国慕尼黑)复合材料业务单元负责人Erich Fries认为,没有真正的趋势。“你要么提供简单的解决方案,要么提供交钥匙的解决方案。”他说,“基于客户的需求,未来我们需要同时兼顾这两个方面。比如,亚洲的一些公司认为,他们需要立刻采用一套完全自动化的生产系统,因此他们会选择交钥匙的解决方案。但也有一些小公司仍然在使用劳动力,因此他们会选择较小型的、自动化水平不高的生产系统。”Fries认为,更大的问题是:市场是什么?

解决方案必须适应市场的需求

“我们看到的是取决于行业和国家的解决方案。”Fries指出,经过过去几年的大手笔投资后,德国对复合材料设备的需求正趋于平缓,现在他们必须通过“设备能为他们做些什么”以及“它们如何赚钱”这样的思考来开展工作。其他国家,包括美国和中国,正表现出对复合材料的需求,因此未来来自德国之外的推动力会更大。中国正在非常积极地向前推进,并将在不久的将来引领销售和汽车制造。

Fries引述了英国Textile Media Services公司于2015年9月发表的Adrian Wilson的报告“汽车复合材料:碳纤维和天然纤维不成则败的十年”。Wilson指出,2009年,中国汽车销量增长了45%,产量达到1360万辆,成为全球最大的汽车市场。2014年,中国制造了2370万辆轿车和商用车。“所以,我们需要向中国提供怎样的解决方案呢?”Fries说道,“在德国,总是需要高度自动化的解决方案,因为德国的劳动报酬很高。但是,看看中国和印度,能有完全自动化的生产吗?或者,他们需要一种组合、一种方法来进入完全自动化的生产之中吗?” Fries承认,高产量需要更高水平的自动化系统,但也主张,这实际上意味着向注塑成型的方向发展。

热固性与热塑性

恩格尔的Egger认为,热塑性复合材料为汽车和其他高产量的市场提供了最高的效率,“因为你可以采用注塑成型,而且可以通过嵌入和包覆成型来集成多种功能。”

Fries补充说,“如果你走向注塑成型(这对复合材料而言是未来的技术),将完全是自动化的,因为在不到1~2分钟的循环周期内,你根本就没有时间完成手工操作。”

Egger承认,像HP-RTM之类的热固性工艺是目前生产最轻质部件的解决方案。

“但是,真正将RTM工艺用于批量生产的公司只有宝马。”Fries接着说,“看看宝马7系就知道,生产复合材料部件的节拍时间不到3分钟,如果没有完全自动化的生产系统,这是做不到的。”

“显然,每个人都试图从热塑性复合材料中得到些什么,因为它提供了许多优势,包括可回收性。”Egger说道,“热塑性复合材料将进入下一个有竞争力的阶段,但这需要时间。”他认为,注塑成型和HP-RTM 将会持续一段时间,因为它们提供了不同的优势。“我认为热塑性塑料最终会胜出,特别是如果能够开发出像‘采用热固性塑料可以实现的轻量化结构’一样的技术。但是,总有一些制造商将继续采用热固性材料,而另外一些将继续采用金属。”Egger则指出,复合材料在汽车行业广泛的成功应用还没有显现,很多仍处在开发之中。

模压设备供应商Pinette Emidecau Industries (简称“PEI”,法国Chalon-sur-Saône)认为,相比RTM,热塑性材料具有更长久的可行性。目前,该公司正在推动其新的 Quilted Stratum Process (QSP)工艺在此方面的发展。

“采用热塑性材料不存在固化周期问题。”PEI的北美业务开发经理Andrew Rypkema说道,“QSP工艺采用自动铺层方式来构建预成型件,然后再对其成型,但需要采用非常有效的专利技术对预成型件进行加热。转移操作也有创新,而且该成型工艺允许在压制过程中为实现局部增强而进行包覆成型。”

不错,热塑性复合材料的生产潜力已在保时捷918 Spyder 的刹车板上得到了证实。这种玻纤/尼龙6复合材料与兼容的短纤维填充的包覆成型是采用一种两步工艺完成,而且相比钢部件,重量减轻了30%。在3000N的负载下经过32万次-35~80℃的循环试验后,其功能与金属相当。虽然该项目是小批量的(一款限量生产的918汽车), 但Egger指出,“这是真正的生产,而且取得了成功。”不仅如此,这只是保时捷为对未来汽车进行改进而在918 上试验的许多新技术中的一项。从这些结构部件上,恩格尔看到了复合材料的最高应用价值。

 

热塑性材料适应“每分钟一个汽车部件”的目标:热塑性复合材料的生产潜力能够通过这些汽车制动踏板(左下)和安全气囊外壳部件(右上)的示范生产而得到证实(左下图来自恩格尔,右上图来自克劳斯玛菲)

生产的可行性及发展

无论材料系统或循环时间怎样,将自动化的复合材料生产系统投入到大规模的生产中需要有重大的进展。“我曾经说过的一家汽车OEM很沮丧。”Rypkema说,“因为复合材料行业似乎想要OEM承担为开发模具、材料和工艺所花费的成本。”他指出,PEI已经引起了许多汽车一级供应商和OEMs的兴趣,他们都在寻找生产条件可行的且成本足够低的技术。“OEMs需要复合材料的优势,但他们不打算资助一级供应商的科研项目,这种大规模的开发不适合他们用于目前试制车辆的成本模型。”

“我们不能只交付设备而不知道如何制成一个部件。”Graf说,“我们需要充分理解工艺和材料要求。”为此,迪芬巴赫已与弗劳恩霍夫化学技术研究院(简称“ICT”,德国Pfinztal)达成了15年的合作协议。“我们广泛从事工艺开发,并与弗劳恩霍夫化学技术研究院密切合作来加强我们的技术。”Graf解释道,“包括采用哪些材料,以及如何设定工艺参数来制成一个好的部件。”

简单而言,为汽车应用而提供集成系统的供应商们必须学会如何制造部件。“在汽车行业中,这就是所谓的面向制造的设计。”Fives集团(美国肯塔基州希伯伦)产品战略及开发总监Dan Allman指出,如果不做一些开发,以前采用SMC制成的一些部件,就不能采用连续纤维制成。“连续纤维材料和转换的工艺要求采用不同的设计方法。”Allman说,“所以我们现在正在经历这个过程,关注OEMs和供应商们想要转换成采用连续纤维来制造的各种部件,然后看看应该如何对它们进行重新设计。”

据技术主管Yannick Leprêtre介绍,Fives集团正在位于美国希伯伦的Fives Cincinnati组建一个复合材料技术与示范中心,以为汽车、航空和风能行业开发工艺并进行示范。“该中心将具备我们自动化的带材和纤维铺放能力,拥有裁切、机加工以及由机器人完成的转换工艺。”Allman说,“没有多少地方可以让行业为了工艺的开发而去做全面的原型开发工作。”

恩格尔拥有其自己的研发设施,即于2012年启用的位于奥地利圣瓦伦丁的轻量化复合材料技术中心。“我们的目标是寻找最佳的整体解决方案。”恩格尔项目开发负责人 Matthias Mayr介绍说,恩格尔在该中心的设备上采用HP-RTM、organomelt(有机片材+热塑性材料)、注塑成型和原位聚合等工艺试制部件,如有需要,还帮助客户寻找其他更适合的解决方案。

克劳斯玛菲的复合材料技术中心于2011年启用,位于德国慕尼黑,靠近其注塑成型技术中心。“从热塑性到热固性,我们在此拥有所有的设备,可以运行所有的复合材料技术。”Fries说道。

DLR的EVo生产线已被建成并用于工艺开发。“建成该设备的目的不是为了生产部件,而是为了看看不同的技术在一个工业化的自动化生产环境中表现如何。”Torstrick说,“同时也想看看自动化是否是最好的,或者是否由人工完成一些加工步骤会更好。我们正在试验不同的真空夹具、裁切技术以及用于RTM的加热方法。我们还运行了工艺来研究不同的优化替代方案,比如,部件质量对于航空工业至关重要,但速度和低成本对汽车行业更重要。”

Composite Alliance公司强调了模拟的重要性。“如果你先对生产流程进行模拟,就有可能降低投资成本。”Wierckx说道,并举例说,“法国一家客户需要为一种航空部件规划高速生产线, 起先,这条生产线要求30台RTM压机,但基于我们的模拟工作,减少到只需23台,而且同样满足了所有的要求。”

Wierckx 指出,为实现精益制造而优化自动化系统是重要的,“不同的组成部分如何彼此连接?什么是工作流的最佳位置?”她声称,这是一家拥有多年经验积累的系统集成商的另一优势,“我们没有被局限在任何一种类型的设备中,而是要优化工艺并降低部件成本。”

虚拟测试对于成功实施交钥匙的集成系统非常重要:交钥匙系统供应商 Composite Alliance公司采用生产流程模拟技术来优化精益制造的工作流程,减少了设备的数量和成本(图片来自Composite Alliance/Techni-Modul Engineering)

前方道路上的信号

克劳斯玛菲看到了市场对热塑性材料日益增长的需求。“我们获得了越来越多的有关注塑成型复合材料的咨询,但仍在发展中。”Fries说,“第一条完全自动化的生产线将于2016年得到安装,然后市场就会了解这种类型的生产系统能够做什么。对于热塑性复合材料,就像我们从宝马看到的,如果复合材料将得到应用,汽车行业想要看看是用在哪儿。但复合材料行业依然很年轻。我们在一些领域只有5年的批量化生产经验,这对于汽车行业而言,是非常年轻的。”

在迪芬巴赫2015年出版的《Presses and More: Composites》中,销售负责人 Florian Luginger说,亚洲的汽车行业不仅表现出了对该公司轻量化复合材料技术的兴趣,而且还对其进行了投资。他指出,借助于迪芬巴赫与Fraunhofer Project Center(加拿大安大略省伦敦)的紧密合作,需求的增加还来自北美。目前在宝马7系的车顶框架和其他结构部件的生产中,Luginger不仅看到了新的工艺如湿法模压带来的一种全自动化且更加经济的方法,还看到了在SMC和LFT 方面的复苏。

虽然Composite Alliance公司已经为汽车行业提供了热塑性和热固性的复合材料生产系统,以及集成的生产系统,但该公司却看到了航空领域近期对自动化的预浸料生产系统的需求。“我们已经将‘智能自动化’添加到用于RTM的干法预成型生产中,在此由机器人拾取和铺层,并通过视觉控制系统来控制定位和检查纤维取向。”Wierckx介绍说,“我们还有能够对铺层好的套料进行拾取和折叠的机器人,以将它们摆放成一个三维形状,同时我们正在将其推广到预浸料生产系统中,因为我们看到这个行业正在努力满足目前积压的飞机订单所需要的生产速度。”

同时,客户还将包括材料供应商。Egger指出,恩格尔已经为SABIC(美国马萨诸塞州皮茨菲尔德)提供了一台配有一个加热炉和自动化系统的机器,用于生产热塑性复合材料部件。“为获得适合生产的恰当材料,他们采用这种工艺来开展研究,这很重要。”他解释道。恩格尔还向朗盛(德国科隆)的子公司Bond Laminates交付了一台实验室级别的生产单元。“这表明对热塑性复合材料生产系统的需求才刚刚开始,一些真正的项目即将到来,比如采用织物来开展研究。”Egger说。

为什么这是向集成的系统方向发展的信号呢?“我们开发的复合材料技术,必须确保未来的工人能够简单方便地操作,而简单、高效主要为注塑成型所具备。”Fries说道。Egger指出,自2010年以来,恩格尔、迪芬巴赫和克劳斯玛菲全都展示了集成的交钥匙生产系统,涉及热塑性和热固性两种工艺。“现在,似乎这项业务将真正开始。”

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