簡(jiǎn)單分析汽車(chē)復(fù)合材料是否需要交鑰匙的自動(dòng)化系統(tǒng)

集成的生產(chǎn)系統(tǒng)：一家韓國(guó)客戶(hù)工廠中的這套生產(chǎn)系統(tǒng)提供了多種工藝選項(xiàng)：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(shì)——設(shè)備供應(yīng)商們總是捆綁在一起，為客戶(hù)提供完整的生產(chǎn)系統(tǒng)。

與提供單臺(tái)設(shè)備不同，這些合作伙伴或聯(lián)盟是在向客戶(hù)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(shí)施的？這一趨勢(shì)會(huì)持續(xù)下去嗎？

一起來(lái)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(rèn)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(gòu)設(shè)備，如壓機(jī)、計(jì)量系統(tǒng)、加熱單元、預(yù)成型設(shè)備以及自動(dòng)化技術(shù)等，他就只能自己來(lái)連接、協(xié)調(diào)并控制整條生產(chǎn)線(xiàn)。

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(gè)部分能夠彼此“對(duì)話(huà)”，客戶(hù)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。
? 為集成這些系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)最佳的控制技術(shù)，雖然客戶(hù)需要對(duì)集成商進(jìn)行投資，但最終將節(jié)省時(shí)間。這樣的項(xiàng)目工程，對(duì)于交鑰匙的生產(chǎn)系統(tǒng)是必要的。
? 無(wú)論選擇哪一種方式，客戶(hù)都要為此付費(fèi)。問(wèn)題是，你是否知道這項(xiàng)投資是什么?或者你所想到的以及承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)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(hù)必須預(yù)付總的投資費(fèi)用，但供應(yīng)商必須滿(mǎn)足性能要求并履行合同，這將帶走客戶(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，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(dú)采購(gòu)設(shè)備相比，采購(gòu)一套交鑰匙的解決方案，可使客戶(hù)獲得更高的生產(chǎn)靈活性。因?yàn)樯a(chǎn)系統(tǒng)的成本不同，所適用的部件類(lèi)型數(shù)量也不同，成本越高的生產(chǎn)系統(tǒng)，適用的部件類(lèi)型必然更多。關(guān)鍵是，客戶(hù)要提前作出決定。

作為交鑰匙系統(tǒng)的供應(yīng)商，美國(guó)Composite Alliance公司的Chantal Wierckx則談到了制造商的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題：
? 如果在生產(chǎn)部件時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題，誰(shuí)來(lái)承擔(dān)責(zé)任？但交鑰匙的生產(chǎn)系統(tǒng)可以避免這類(lèi)問(wèn)題。

Sven Torstrick是德國(guó)國(guó)家航空航天研究機(jī)構(gòu)DLR凈形狀RTM團(tuán)隊(duì)的經(jīng)理和一個(gè)系統(tǒng)用戶(hù)，他也看到了向交鑰匙解決方案方向發(fā)展的趨勢(shì)：
? 在提供更多的選項(xiàng)方面，設(shè)備供應(yīng)商們已經(jīng)取得了重大進(jìn)步。

但Torstrick同時(shí)也表示：
? 我們沒(méi)有依靠單獨(dú)一家供應(yīng)商，所以我們對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中的每一個(gè)關(guān)鍵部分都了如指掌、理解到位，包括：生產(chǎn)線(xiàn)是如何運(yùn)行的，問(wèn)題可能出現(xiàn)在哪里。

恩格爾奧地利公司的Egger承認(rèn)：
? 客戶(hù)需要具備這樣的知識(shí)水平。
? 有一些客戶(hù)，想分別采購(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)的每一個(gè)部分，因?yàn)樗麄冃枰ＷC有自己的know-how。
? 但也有一些客戶(hù)，想要完整的生產(chǎn)系統(tǒng)而不想在此方面花費(fèi)太多的精力。
? 因此，我們必須為這兩類(lèi)客戶(hù)做好準(zhǔn)備。

克勞斯瑪菲的Erich Fries認(rèn)為，沒(méi)有真正的趨勢(shì)：
? 要么提供簡(jiǎn)單的解決方案，要么提供交鑰匙的解決方案。
? 根據(jù)客戶(hù)的需求，我們需要同時(shí)兼顧這兩個(gè)方面。比如，亞洲的一些公司需要立刻采用一套完全自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)，但也有一些小公司仍然在使用勞動(dòng)力，因此會(huì)選擇較小型的、自動(dòng)化水平不高的生產(chǎn)系統(tǒng)。
? 更大的問(wèn)題是：市場(chǎng)是什么？

解決方案必須適應(yīng)市場(chǎng)的需求
克勞斯瑪菲的Fries指出：
? 經(jīng)過(guò)過(guò)去幾年大手筆的投資后，德國(guó)對(duì)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(qián)？
? 其他國(guó)家，包括美國(guó)和中國(guó)，正表現(xiàn)出對(duì)復(fù)合材料的需求。
? 中國(guó)正在非常積極地向前推進(jìn)，并將在不久的將來(lái)引領(lǐng)銷(xiāo)售和汽車(chē)制造。所以，我們需要向中國(guó)提供怎樣的解決方案？
? 在德國(guó)，總是需要高度自動(dòng)化的解決方案，因?yàn)閯趧?dòng)報(bào)酬很高。但是，看看中國(guó)和印度，能有完全自動(dòng)化的生產(chǎn)嗎？或者，他們需要一種組合、一種方法來(lái)進(jìn)入完全自動(dòng)化的生產(chǎn)之中嗎？
? 高產(chǎn)量需要更高水平的自動(dòng)化系統(tǒng)，這意味著實(shí)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(rèn)為：
? 熱塑性復(fù)合材料為汽車(chē)和其他高產(chǎn)量的市場(chǎng)提供了最高的效率，因?yàn)榭梢圆捎米⑺艹尚?，而且可以通過(guò)嵌入和包覆成型來(lái)集成多種功能。

克勞斯瑪菲的Fries補(bǔ)充說(shuō)：
? 如果走向注塑成型（這對(duì)復(fù)合材料而言是未來(lái)的技術(shù)），將完全自動(dòng)化，因?yàn)榈陀?~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(rèn)：
? 像HP-RTM之類(lèi)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(shí)間不到3分鐘，如果沒(méi)有完全自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)，這是做不到的。

恩格爾的Egger認(rèn)為：
? 注塑成型和HP-RTM將會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，因?yàn)樗鼈兲峁┝瞬煌膬?yōu)勢(shì)，但熱塑性塑料最終會(huì)勝出，特別是如果能夠開(kāi)發(fā)出像“采用熱固性塑料可以實(shí)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(chē)行業(yè)廣泛的成功應(yīng)用還沒(méi)有顯現(xiàn)，很多仍處在開(kāi)發(fā)之中。

法國(guó)模壓設(shè)備供應(yīng)商Pinette Emidecau Industries（簡(jiǎn)稱(chēng)“PEI”）認(rèn)為，相比RTM，熱塑性材料具有更長(zhǎng)久的可行性。目前，該公司正在推動(dòng)其新的 Quilted Stratum Process（QSP）工藝在此方面的發(fā)展。

QSP工藝采用自動(dòng)鋪層方式來(lái)構(gòu)建預(yù)成型件，然后再對(duì)其成型，但需要采用非常有效的專(zhuān)利技術(shù)對(duì)預(yù)成型件進(jìn)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(guò)程中為實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)而進(jìn)行包覆成型。



熱塑性材料適應(yīng)“每分鐘一個(gè)汽車(chē)部件”的目標(biāo)：熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)潛力能夠通過(guò)這些汽車(chē)制動(dòng)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(shí)（左下圖來(lái)自恩格爾，右上圖來(lái)自克勞斯瑪菲）

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

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(fù)載下經(jīng)過(guò)32萬(wàn)次-35~80℃的循環(huán)試驗(yàn)后，其功能與金屬相當(dāng)。

雖然該項(xiàng)目是小批量的（限量生產(chǎn)的918汽車(chē)），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(shí)捷為對(duì)未來(lái)汽車(chē)進(jìn)行改進(jìn)而在918上試驗(yàn)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(jià)值。

生產(chǎn)的可行性及發(fā)展

無(wú)論材料系統(tǒng)或循環(huán)時(shí)間怎樣，將自動(dòng)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(jìn)展。

一級(jí)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(shuō)：
? OEMs需要復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，但不打算資助一級(jí)供應(yīng)商的科研項(xiàng)目，這種大規(guī)模的開(kāi)發(fā)不適合他們用于目前試制車(chē)輛的成本模型。

迪芬巴赫的Graf認(rèn)為：
? 我們不能只交付設(shè)備而不知道如何制成一個(gè)部件，我們需要充分理解工藝和材料要求。
? 為此，我們與德國(guó)弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究院達(dá)成了15年的合作協(xié)議，通過(guò)廣泛的工藝開(kāi)發(fā)，來(lái)加強(qiáng)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(lái)制成一個(gè)好的部件。

簡(jiǎn)言之，為汽車(chē)應(yīng)用而提供集成系統(tǒng)的供應(yīng)商們必須學(xué)會(huì)如何制造部件。

美國(guó)Fives集團(tuán)的Dan Allman指出：
? 這在汽車(chē)行業(yè)中是所謂“面向制造”的設(shè)計(jì)。如果不做一些開(kāi)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(jì)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(lái)制造的各種部件，然后看看應(yīng)該如何對(duì)它們進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

在位于美國(guó)希伯倫的Fives Cincinnati，F(xiàn)ives集團(tuán)組建了一個(gè)復(fù)合材料技術(shù)與示范中心，以為汽車(chē)、航空和風(fēng)能行業(yè)開(kāi)發(fā)工藝并進(jìn)行示范。

該中心具備Fives集團(tuán)自動(dòng)化的帶材和纖維鋪放能力，擁有裁切、機(jī)加工以及由機(jī)器人完成的轉(zhuǎn)換工藝，允許行業(yè)為開(kāi)發(fā)工藝而開(kāi)展全面的原型開(kāi)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(jī)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(hù)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(guó)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(yùn)行所有的復(fù)合材料技術(shù)。

德國(guó)國(guó)家航空航天研究機(jī)構(gòu)DLR的EVo生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)建成并用于工藝開(kāi)發(fā)。

DLR的Torstrick說(shuō)：
? 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(gè)工業(yè)化的自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境中表現(xiàn)如何。同時(shí)也想看看自動(dòng)化是否是最好的，或者是否由人工完成一些加工步驟會(huì)更好。
? 我們正在試驗(yàn)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(duì)于航空工業(yè)至關(guān)重要，但速度和低成本對(duì)汽車(chē)行業(yè)更重要。


虛擬測(cè)試對(duì)于成功實(shí)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(lái)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(qiáng)調(diào)了模擬的重要性。

該公司的Wierckx說(shuō)：
? 如果先對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬，就有可能降低投資成本。比如，法國(guó)一家客戶(hù)需要為一種航空部件規(guī)劃高速生產(chǎn)線(xiàn),起先，這條生產(chǎn)線(xiàn)要求30臺(tái)RTM壓機(jī)，但基于我們的模擬工作，減少到只需23臺(tái)，而且滿(mǎn)足了所有的要求。
? 為實(shí)現(xiàn)精益制造而優(yōu)化自動(dòng)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(yàn)積累的系統(tǒng)集成商的另一優(yōu)勢(shì)。
? 我們沒(méi)有局限在任何一種類(lèi)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(hào)

克勞斯瑪菲看到了市場(chǎng)對(duì)熱塑性材料日益增長(zhǎng)的需求。

該公司的Fries說(shuō)：
? 我們獲得了越來(lái)越多的有關(guān)注塑成型復(fù)合材料的咨詢(xún)，第一條完全自動(dòng)化的生產(chǎn)線(xiàn)也于2016年安裝完畢。
? 對(duì)于熱塑性復(fù)合材料，就像我們從寶馬看到的，汽車(chē)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(yàn)。

從寶馬7系的車(chē)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(lái)的一種全自動(dòng)化且更加經(jīng)濟(jì)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(dòng)化”添加到用于RTM的干法預(yù)成型生產(chǎn)中——由機(jī)器人拾取和鋪層，并通過(guò)視覺(jué)控制系統(tǒng)來(lái)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(jìn)行拾取和折疊的機(jī)器人，以將它們擺放成一個(gè)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(hù)還來(lái)自材料供應(yīng)商：
? 恩格爾為SABIC提供了一臺(tái)配有加熱爐和自動(dòng)化系統(tǒng)的機(jī)器，用于生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料部件。SABIC采用這種工藝來(lái)開(kāi)展研究的目的是，獲得適合生產(chǎn)的恰當(dāng)材料。
? 恩格爾還向朗盛的子公司Bond Laminates交付了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室級(jí)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(hào)呢？

恩格爾的Egger說(shuō)：
? 對(duì)熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)的需求才剛剛開(kāi)始，一些真正的項(xiàng)目即將到來(lái)，比如采用織物來(lái)開(kāi)展研究。
? 自2010年以來(lái)，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?xún)煞N工藝?，F(xiàn)在，似乎這項(xiàng)業(yè)務(wù)將真正開(kāi)始。

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