Быстрое, точное производство термопластичных композитов с конвейерной укладкой

Для ускорения укладки и сохранения хорошей гибкости дизайна, SABIC и Airborne заимствовали идею из почтовой системы при разработке процесса укладки слоев для термопластичных композитных лент. Несколько недорогих поддонов, движущихся по конвейерной системе, кратковременно останавливаются под питающими единицами. Каждая питающая единица режет и сбрасывает один слой ленты правильных размеров и ориентации в поддон, который затем продвигается к следующей питающей единице. Поддоны продолжают циклически проходить через питающие единицы, пока в каждой стопке не будет достигнуто нужное число и ориентация слоев для выполнения требований дизайна данного ламината.

Новая высокоскоростная система для производства консолидированных ламинатов из термопластичных композитных лент, линия цифрового производства композитов (DCML), обещает возможность производить до четырех ламинатов (с до 15 слоями каждый) в минуту и 1,5 миллиона ламинатов в год с одной производственной линии — включая полный контроль, который на 100% цифровой, включая измерения и отслеживание данных — входящего материала и исходящих ламинатов. Этот темп производства, как представляется, значительно быстрее любого другого коммерческого системы обработки лент — для термопластиков или термореактвинов — и эта система специально спроектирована для встречи высоких выходов и эффективных затрат конвертации, требуемых промышленностью потребительской электроники (см. «Потребительская электроника: гибридные композитные чехлы»). К счастью, детали для этого рынка не огромны — не в масштабах авиации или автопрома — но OEM нуждаются в большом количестве, на порядок десятков миллионов в год.

«Высокоскоростной процесс конвертации термопластичных лент действительно был нужен, потому что текущая технология относительно трудоемка, дорога и медленна», — объясняет Джино Франкато, глобальный лидер по композитам SABIC. «Это делает трудно экономически обосновать и использовать множество преимуществ этих материалов — для производства тонких, легких деталей с высокой эстетикой, ударной прочностью и механической производительностью, плюс перерабатываемость — в отраслях с высокими и очень высокими объемами производства. Без способности резко увеличить скорости производства и использовать полностью автоматизированную обработку и контроль, термопластичные ленты останутся дорогими нишевыми продуктами, в основном ограниченными использованием в авиации и автопроме».

DCML — это идея SABIC (Берген-оп-Зум, Нидерланды) и Airborne (Гаага, Нидерланды), с технологией от Siemens AG (Мюнхен, Германия) и KUKA AG (Аугсбург, Германия). SABIC внесла материальную технологию и инструменты моделирования композитов для ускорения разработки кастомных материалов и виртуального прототипирования деталей. Airborne построил линию и также внес экспертизу в автоматизацию, оцифровку и индустриализацию производственного процесса композитов. Siemens внесла интегрированное управление жизненным циклом продукта (PLM) и программируемый логический контроллер (PLC) для усиления автоматизации и облегчения машинного обучения. KUKA внесла промышленные роботы и решения фабричной автоматизации. Хотя новый высокоскоростной процесс описывался в общих терминах на нескольких пресс-событиях с 2018 года, есть многие детали, которые еще не были раскрыты. Вот что мы знаем на данный момент.

Линия спроектирована для производства настраиваемых, близких к чистовому размеру плоских ламинатов из однонаправленных (UD) термопластичных лент, и обеспечивает укладку, консолидацию, обрезку, цифровой и визуальный контроль, автоматическое освобождение и упаковку для отгрузки клиентам. До четырех ламинатов могут быть произведены в минуту, и каждый ламинат может иметь разный график укладки, ориентацию и число слоев и, теоретически, даже использовать разные материалы (с разными армированиями и смольными матрицами, хотя это требует добавления дополнительных питающих единиц).

Достижение разных укладок одновременно — просто вопрос того, сколько раз данный поддон (с конкретным дизайном ламината) проходит под каждым питателем для достижения правильного числа слоев и ориентаций для завершения его графика укладки. Учитывая, как быстро модели меняются в потребительской электронике, гибкость центральна для системы, которую можно расширить добавлением дополнительных питателей на переднем конце или функциональности (например, сверление, предформа и т.д.) на заднем конце. Изначально линия была настроена на запуск однонаправленных лент SABIC из углеродного волокна, усиленного поликарбонатом, но, как сообщается, система достаточно гибка для запуска термопластичных лент от полиэтилена (PE) и полипропилена (PP) до полиэтерэтеркетона (PEEK), усиленных однонаправленным углеродным волокном или стекловолокном — или обоими — или даже ткаными тканями.

Система совместима с Индустрией 4.0 и обеспечивает сквозную оцифровку — от разработки композитного продукта до физического производства на заводском полу — с полным контролем качества на основе машинного обучения для достижения непрерывных улучшений качества автоматически со временем. Линию можно мониторить и управлять удаленно, позволяя производителям менять настройки (такие как графики укладки, числа слоев и т.д.) на лету для модификации дизайна и материальных свойств.

Функционально есть три основных раздела DCML: укладка слоев, консолидация и обрезка/контроль.

Уникально, раздел укладки слоев не использует машины автоматизированной укладки ленты (ATL), которые обычно резали ленты по длине и размещали их в нужной ориентации и местоположении на индексирующем столе, движущемся под режущей головкой. Вместо этого команда выбрала новаторский и высокоскоростной подход, как сообщается, основанный на том, как почта сортируется и распределяется, для построения стеков слоев. Несколько недорогих поддонов, движущихся по конвейерной системе, кратковременно останавливаются под питающими единицами. Каждая питающая единица режет и сбрасывает один слой ленты правильных размеров и ориентации (проверенное высокореolutionными камерами, которые инспектируют ленты на дефекты и изменения, и измеряют ширину и толщину в нескольких местах) в поддон, который затем продвигается к следующей питающей единице. Для снижения отходов и ускорения укладки ленты будут произведены в ширине, нужной для конкретного проекта. Поддоны циклически проходят через питателей, пока в каждой стопке не будет отложено нужное число слоев перед переходом к точечной сварке в двух местах для облегчения обработки на станции консолидации. Этот подход позволяет укладку происходить быстро, но с гибкостью дизайна.

На консолидации робот поднимает четыре сварных стопки (две стопки за раз) с их поддонов и помещает их между набором металлических плит на отдельной конвейерной системе. Плиты нагреваются и поэтому нагревают и консолидируют ламинаты (через контактный нагрев), и ламинаты затем охлаждаются и роботизированно сбрасываются на третью конвейерную систему. Металлические плиты, использованные в последней операции консолидации, перерабатываются обратно в линию возврата плит и обратно в систему консолидации. Четыре стопки входят и покидают этот раздел каждую минуту.

Последняя остановка для теперь консолидированных ламинатов — контроль, обрезка и упаковка. На этой станции каждый ламинат инспектируется с одной стороны и обрезается, перед тем как он переходит ко второму роботу, который переворачивает ламинат и инспектирует его с другой стороны. Деталей о том, какая технология обрезки используется, недоступно.

DCML имеет свои ограничения, как любая производственная система. В основном, есть некоторая жертва в плане доступных ориентаций слоев, размера и формы слоя, конечного размера ламината и способности укладывать отверстия/окна. Однако система более чем компенсирует это в плане скорости, выхода, уровня отходов и затрат конвертации.

Как сообщается, первая полноразмерная коммерческая линия Airborne в Нидерландах начнет производство в следующем году, с компанией, производящей кастомные термопластичные ламинаты для клиентов потребительской электроники. Вторая, лабораторная по размеру линия уже доступна в Центре разработки обработки полимеров SABIC (PPDC, Питсфилд, Массачусетс, США) для клиентов, желающих попробовать технологию и оценить качество ламинатов.

Помимо потребительской электроники, другие отрасли, названные потенциальными целями для технологии, включают авиацию, автопром, массовый транспорт, спортивные товары и здравоохранение.