簡單分析汽車復(fù)合材料是否需要交鑰匙的自動化系統(tǒng)

集成的生產(chǎn)系統(tǒng)：一家韓國客戶工廠中的這套生產(chǎn)系統(tǒng)提供了多種工藝選項：濕法模壓、HP-RTM、C-RTM 和熱塑性RTM




2012~2013年，為復(fù)合材料部件的生產(chǎn)提供“交鑰匙”的集成生產(chǎn)系統(tǒng)已成為明顯的趨勢——設(shè)備供應(yīng)商們總是捆綁在一起，為客戶提供完整的生產(chǎn)系統(tǒng)。

與提供單臺設(shè)備不同，這些合作伙伴或聯(lián)盟是在向客戶承諾：確保整套系統(tǒng)能夠成功地生產(chǎn)出部件。

這種交鑰匙的生產(chǎn)系統(tǒng)是如何實施的？這一趨勢會持續(xù)下去嗎？

一起來看看下面有趣的討論。

交鑰匙或不交鑰匙

迪芬巴赫的Matthias Graf認為：
? 行業(yè)正向交鑰匙系統(tǒng)的方向發(fā)展。
? 如果一家成型商向不同的供應(yīng)商采購設(shè)備，如壓機、計量系統(tǒng)、加熱單元、預(yù)成型設(shè)備以及自動化技術(shù)等，他就只能自己來連接、協(xié)調(diào)并控制整條生產(chǎn)線。

恩格爾奧地利公司的Peter Egger則提到了管理的重要性：
? 為確保生產(chǎn)單元的各個部分能夠彼此“對話”，客戶需要花費大量的時間和精力。
? 為集成這些系統(tǒng)而開發(fā)最佳的控制技術(shù)，雖然客戶需要對集成商進行投資，但最終將節(jié)省時間。這樣的項目工程，對于交鑰匙的生產(chǎn)系統(tǒng)是必要的。
? 無論選擇哪一種方式，客戶都要為此付費。問題是，你是否知道這項投資是什么?或者你所想到的以及承擔(dān)的風(fēng)險是什么？

迪芬巴赫的Graf表示：
? 如果與一家交鑰匙的供應(yīng)商合作，客戶必須預(yù)付總的投資費用，但供應(yīng)商必須滿足性能要求并履行合同，這將帶走客戶的風(fēng)險，節(jié)省勞力，從而減少10%以上的系統(tǒng)成本。

恩格爾奧地利公司的Egger表示：
? 與分別單獨采購設(shè)備相比，采購一套交鑰匙的解決方案，可使客戶獲得更高的生產(chǎn)靈活性。因為生產(chǎn)系統(tǒng)的成本不同，所適用的部件類型數(shù)量也不同，成本越高的生產(chǎn)系統(tǒng)，適用的部件類型必然更多。關(guān)鍵是，客戶要提前作出決定。

作為交鑰匙系統(tǒng)的供應(yīng)商，美國Composite Alliance公司的Chantal Wierckx則談到了制造商的風(fēng)險問題：
? 如果在生產(chǎn)部件時出現(xiàn)了問題，誰來承擔(dān)責(zé)任？但交鑰匙的生產(chǎn)系統(tǒng)可以避免這類問題。

Sven Torstrick是德國國家航空航天研究機構(gòu)DLR凈形狀RTM團隊的經(jīng)理和一個系統(tǒng)用戶，他也看到了向交鑰匙解決方案方向發(fā)展的趨勢：
? 在提供更多的選項方面，設(shè)備供應(yīng)商們已經(jīng)取得了重大進步。

但Torstrick同時也表示：
? 我們沒有依靠單獨一家供應(yīng)商，所以我們對生產(chǎn)系統(tǒng)中的每一個關(guān)鍵部分都了如指掌、理解到位，包括：生產(chǎn)線是如何運行的，問題可能出現(xiàn)在哪里。

恩格爾奧地利公司的Egger承認：
? 客戶需要具備這樣的知識水平。
? 有一些客戶，想分別采購生產(chǎn)系統(tǒng)的每一個部分，因為他們需要保證有自己的know-how。
? 但也有一些客戶，想要完整的生產(chǎn)系統(tǒng)而不想在此方面花費太多的精力。
? 因此，我們必須為這兩類客戶做好準備。

克勞斯瑪菲的Erich Fries認為，沒有真正的趨勢：
? 要么提供簡單的解決方案，要么提供交鑰匙的解決方案。
? 根據(jù)客戶的需求，我們需要同時兼顧這兩個方面。比如，亞洲的一些公司需要立刻采用一套完全自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)，但也有一些小公司仍然在使用勞動力，因此會選擇較小型的、自動化水平不高的生產(chǎn)系統(tǒng)。
? 更大的問題是：市場是什么？

解決方案必須適應(yīng)市場的需求
克勞斯瑪菲的Fries指出：
? 經(jīng)過過去幾年大手筆的投資后，德國對復(fù)合材料設(shè)備的需求正趨于平緩，現(xiàn)在他們必須思考：設(shè)備能為他們做些什么？它們?nèi)绾钨嶅X？
? 其他國家，包括美國和中國，正表現(xiàn)出對復(fù)合材料的需求。
? 中國正在非常積極地向前推進，并將在不久的將來引領(lǐng)銷售和汽車制造。所以，我們需要向中國提供怎樣的解決方案？
? 在德國，總是需要高度自動化的解決方案，因為勞動報酬很高。但是，看看中國和印度，能有完全自動化的生產(chǎn)嗎？或者，他們需要一種組合、一種方法來進入完全自動化的生產(chǎn)之中嗎？
? 高產(chǎn)量需要更高水平的自動化系統(tǒng)，這意味著實際上向注塑成型的方向發(fā)展。

熱固性與熱塑性

恩格爾的Egger認為：
? 熱塑性復(fù)合材料為汽車和其他高產(chǎn)量的市場提供了最高的效率，因為可以采用注塑成型，而且可以通過嵌入和包覆成型來集成多種功能。

克勞斯瑪菲的Fries補充說：
? 如果走向注塑成型（這對復(fù)合材料而言是未來的技術(shù)），將完全自動化，因為低于1~2分鐘的循環(huán)周期根本不可能由手工操作完成。

恩格爾的Egger承認：
? 像HP-RTM之類的熱固性工藝，是目前生產(chǎn)最輕質(zhì)部件的解決方案。

克勞斯瑪菲的Fries則表示：
? 真正將RTM工藝用于批量生產(chǎn)的公司只有寶馬?？纯磳汃R7系就知道，生產(chǎn)復(fù)合材料部件的節(jié)拍時間不到3分鐘，如果沒有完全自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)，這是做不到的。

恩格爾的Egger認為：
? 注塑成型和HP-RTM將會持續(xù)一段時間，因為它們提供了不同的優(yōu)勢，但熱塑性塑料最終會勝出，特別是如果能夠開發(fā)出像“采用熱固性塑料可以實現(xiàn)的輕量化結(jié)構(gòu)”一樣的技術(shù)。
? 但總有一些制造商將繼續(xù)采用熱固性材料，而另外一些將繼續(xù)采用金屬。
? 復(fù)合材料在汽車行業(yè)廣泛的成功應(yīng)用還沒有顯現(xiàn)，很多仍處在開發(fā)之中。

法國模壓設(shè)備供應(yīng)商Pinette Emidecau Industries（簡稱“PEI”）認為，相比RTM，熱塑性材料具有更長久的可行性。目前，該公司正在推動其新的 Quilted Stratum Process（QSP）工藝在此方面的發(fā)展。

QSP工藝采用自動鋪層方式來構(gòu)建預(yù)成型件，然后再對其成型，但需要采用非常有效的專利技術(shù)對預(yù)成型件進行加熱。轉(zhuǎn)移操作也有創(chuàng)新，而且該成型工藝允許在壓制過程中為實現(xiàn)局部增強而進行包覆成型。



熱塑性材料適應(yīng)“每分鐘一個汽車部件”的目標：熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)潛力能夠通過這些汽車制動踏板（左下）和安全氣囊外殼部件（右上）的示范生產(chǎn)而得到證實（左下圖來自恩格爾，右上圖來自克勞斯瑪菲）

不錯，熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)潛力已在保時捷918 Spyder的剎車板上得到了證實。

這種玻纖/尼龍6復(fù)合材料與兼容的短纖維填充的包覆成型是采用一種兩步工藝完成，相比鋼部件，重量減輕了30%。在3000N的負載下經(jīng)過32萬次-35~80℃的循環(huán)試驗后，其功能與金屬相當。

雖然該項目是小批量的（限量生產(chǎn)的918汽車），但卻是真正的生產(chǎn)，而且取得了成功。

不僅如此，這只是保時捷為對未來汽車進行改進而在918上試驗的眾多新技術(shù)之一。從這些結(jié)構(gòu)部件上，恩格爾看到了復(fù)合材料的最高應(yīng)用價值。

生產(chǎn)的可行性及發(fā)展

無論材料系統(tǒng)或循環(huán)時間怎樣，將自動化的復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)投入到大規(guī)模的生產(chǎn)中需要有重大的進展。

一級供應(yīng)商和OEMs都在尋找生產(chǎn)條件可行的且成本足夠低的技術(shù)。

PEI的Andrew Rypkema說：
? OEMs需要復(fù)合材料的優(yōu)勢，但不打算資助一級供應(yīng)商的科研項目，這種大規(guī)模的開發(fā)不適合他們用于目前試制車輛的成本模型。

迪芬巴赫的Graf認為：
? 我們不能只交付設(shè)備而不知道如何制成一個部件，我們需要充分理解工藝和材料要求。
? 為此，我們與德國弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究院達成了15年的合作協(xié)議，通過廣泛的工藝開發(fā)，來加強我們的技術(shù)，包括采用哪些材料，以及如何設(shè)定工藝參數(shù)來制成一個好的部件。

簡言之，為汽車應(yīng)用而提供集成系統(tǒng)的供應(yīng)商們必須學(xué)會如何制造部件。

美國Fives集團的Dan Allman指出：
? 這在汽車行業(yè)中是所謂“面向制造”的設(shè)計。如果不做一些開發(fā)，以前采用SMC制成的一些部件，就不能采用連續(xù)纖維制成。連續(xù)纖維材料和轉(zhuǎn)換的工藝要求采用不同的設(shè)計方法。
? 所以我們現(xiàn)在正在關(guān)注OEMs想要轉(zhuǎn)換成采用連續(xù)纖維來制造的各種部件，然后看看應(yīng)該如何對它們進行重新設(shè)計。

在位于美國希伯倫的Fives Cincinnati，F(xiàn)ives集團組建了一個復(fù)合材料技術(shù)與示范中心，以為汽車、航空和風(fēng)能行業(yè)開發(fā)工藝并進行示范。

該中心具備Fives集團自動化的帶材和纖維鋪放能力，擁有裁切、機加工以及由機器人完成的轉(zhuǎn)換工藝，允許行業(yè)為開發(fā)工藝而開展全面的原型開發(fā)工作。

恩格爾于2012年啟用了位于奧地利圣瓦倫丁的輕量化復(fù)合材料技術(shù)中心，并采用HP-RTM、organomelt（有機片材+熱塑性材料）、注塑成型和原位聚合等工藝試制部件，如有需要，還幫助客戶尋找其他更適合的解決方案。

克勞斯瑪菲的復(fù)合材料技術(shù)中心于2011年啟用，位于德國慕尼黑，靠近其注塑成型技術(shù)中心，擁有從熱塑性到熱固性的所有設(shè)備，可以運行所有的復(fù)合材料技術(shù)。

德國國家航空航天研究機構(gòu)DLR的EVo生產(chǎn)線已經(jīng)建成并用于工藝開發(fā)。

DLR的Torstrick說：
? 建成該設(shè)施的目的不是為了生產(chǎn)部件，而是想看看不同的技術(shù)在一個工業(yè)化的自動化生產(chǎn)環(huán)境中表現(xiàn)如何。同時也想看看自動化是否是最好的，或者是否由人工完成一些加工步驟會更好。
? 我們正在試驗不同的真空夾具、裁切技術(shù)以及用于RTM的加熱方法。
? 我們還在研究不同的優(yōu)化替代方案，比如，部件質(zhì)量對于航空工業(yè)至關(guān)重要，但速度和低成本對汽車行業(yè)更重要。


虛擬測試對于成功實施交鑰匙的集成系統(tǒng)非常重要：交鑰匙系統(tǒng)供應(yīng)商Composite Alliance公司采用生產(chǎn)流程模擬技術(shù)來優(yōu)化精益制造的工作流程，減少了設(shè)備的數(shù)量和成本


Composite Alliance公司強調(diào)了模擬的重要性。

該公司的Wierckx說：
? 如果先對生產(chǎn)流程進行模擬，就有可能降低投資成本。比如，法國一家客戶需要為一種航空部件規(guī)劃高速生產(chǎn)線,起先，這條生產(chǎn)線要求30臺RTM壓機，但基于我們的模擬工作，減少到只需23臺，而且滿足了所有的要求。
? 為實現(xiàn)精益制造而優(yōu)化自動化系統(tǒng)是重要的——不同的組成部分如何彼此連接？什么是工作流的最佳位置？這是一家擁有多年經(jīng)驗積累的系統(tǒng)集成商的另一優(yōu)勢。
? 我們沒有局限在任何一種類型的設(shè)備中，而是要優(yōu)化工藝并降低部件成本。

前方道路上的信號

克勞斯瑪菲看到了市場對熱塑性材料日益增長的需求。

該公司的Fries說：
? 我們獲得了越來越多的有關(guān)注塑成型復(fù)合材料的咨詢，第一條完全自動化的生產(chǎn)線也于2016年安裝完畢。
? 對于熱塑性復(fù)合材料，就像我們從寶馬看到的，汽車行業(yè)想要看看是用在哪兒。
? 復(fù)合材料行業(yè)依然很年輕。在一些領(lǐng)域，我們只有5年的批量化生產(chǎn)經(jīng)驗。

從寶馬7系的車頂框架和其他結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)中，迪芬巴赫的Florian Luginger不僅看到了新的工藝如濕法模壓帶來的一種全自動化且更加經(jīng)濟的方法，還看到了SMC和LFT的復(fù)蘇。

Composite Alliance公司已經(jīng)將“智能自動化”添加到用于RTM的干法預(yù)成型生產(chǎn)中——由機器人拾取和鋪層，并通過視覺控制系統(tǒng)來控制定位和檢查纖維取向。

該公司還有能夠?qū)︿亴雍玫奶琢线M行拾取和折疊的機器人，以將它們擺放成一個三維形狀，而且正在將其推廣到預(yù)浸料生產(chǎn)系統(tǒng)中。

另一方面，客戶還來自材料供應(yīng)商：
? 恩格爾為SABIC提供了一臺配有加熱爐和自動化系統(tǒng)的機器，用于生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料部件。SABIC采用這種工藝來開展研究的目的是，獲得適合生產(chǎn)的恰當材料。
? 恩格爾還向朗盛的子公司Bond Laminates交付了一臺實驗室級別的生產(chǎn)單元。

為什么這是向集成的系統(tǒng)方向發(fā)展的信號呢？

恩格爾的Egger說：
? 對熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)的需求才剛剛開始，一些真正的項目即將到來，比如采用織物來開展研究。
? 自2010年以來，恩格爾、迪芬巴赫和克勞斯瑪菲全都展示了集成的交鑰匙生產(chǎn)系統(tǒng)，涉及熱塑性和熱固性兩種工藝?，F(xiàn)在，似乎這項業(yè)務(wù)將真正開始。

克勞斯瑪菲的Fries說：
? 我們開發(fā)的復(fù)合材料技術(shù)，必須確保未來的工人能夠簡單方便地操作，而簡單、高效主要為注塑成型所具備。