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采用ambliFibre系统制成的热塑性复合管

2019-8-5 13:48 110 0 来自: 复合材料网
简介
 【汽车轻量化在线】作为ambliFibre多国研究项目的一部分,开发了一种新型热塑性复合带缠绕系统。该系统具有多种功能,可在安全关键结构的制造中提高质量和可靠性,例如用于无粘结柔性管的复合材料铠装。       ...


 【汽车轻量化在线】作为ambliFibre多国研究项目的一部分,开发了一种新型热塑性复合带缠绕系统。该系统具有多种功能,可在安全关键结构的制造中提高质量和可靠性,例如用于无粘结柔性管的复合材料铠装。
  
  AmbliFibre原型系统采用项目期间开发的新技术
  
  由热塑性复合材料制成的集成增强层的混合无粘结柔性管是在水深超过1500米时有效回收和运输碳氢化合物的关键技术。负载,压力和耐化学性要求限制了传统立管系统在这些水深处的应用。考虑到浮动平台和海底组件之间距离的增加,自重成为高度安全关键部件的问题。在未粘合的柔性管的情况下,由于这些材料的高强度重量比,用热塑性复合材料代替诸如压力铠装的金属层显着增加了可支撑的自重。进一步的特性,如耐腐蚀性,
  
  自动化生产技术
  
  胶带缠绕工艺,也称为纤维缠绕,可以在一次成型过程中自动高效地生产由热塑性单向纤维增强塑料(FRP)胶带制成的固结复合材料部件,无需额外的固化步骤。这消除了与高压釜相关的高投资,这在连续生产长度为几千米的结构中似乎是不切实际的。热塑性带缠绕的另一个优点是该方法的环境友好,无排放性质与竞争热固技术相比。采用热塑性系统技术,胶带被送入压区,在那里它们承受压力和热量,因此可以在任意负载优化的铺层中与先前的层完全固结。激光通常用作热源,因为它们具有高能量浓度,短响应时间和出色的可控性。
  
  热塑性复合管自动化生产工艺流程
  
  尽管在工业化系统技术方面取得了长足的发展和重大突破,但激光辅助带缠绕需要彻底了解安全关键部件的可靠生产过程。与不可预测的过程扰动(例如胶带质量不足)相互作用的各种控制变量意味着在改变产品设计或应用材料时需要付出巨大努力来实现可靠的过程。
  
  在制造海上立管系统时,这是一个关键点,因为考虑到现场故障的严重后果,质量保证和过程可重复性具有重要意义。
  
  在ambliFibre项目中,由工业公司和研究机构组成的跨国欧洲财团合作,加强激光辅助带缠绕工艺,以满足海上工业和其他工业部门的期望和要求。这项为期三年的项目于2018年结束,其任务是开发第一个基于在线模型,质量控制的带式缠绕工艺,目的是提高其灵活性,可靠性和生产率。为此,开发,测试和验证了几个新的硬件和软件模块。
  
  如何制作:
  
  ambliFibre系统将嵌入到整体过程控制中的热模型和光学模型与新颖的数据挖掘,激光和质量监控技术相结合。这种方法可以在预测潜在故障的同时大幅减少浪费,从而减少机器停机时间。该技术的绿色焦点得到了对所得产品的整体生命周期分析的支持。总之,新系统代表了管状复合材料部件的连续和不连续生产的重大突破,例如汽车应用的气罐或复合超深水立管。
  
  仿真和自适应制造
  
  为了在行业中广泛采用激光辅助磁带绕组,需要经过验证的全球和本地仿真和建模工具。
  
  在ambliFibre中,这是在特温特大学通过设计一个复杂的模拟工具来解决的,该工具结合了用于确定激光照射分布的光学模型和热模型,该模型基于光学模型的输出得出过程区域中的温度分布。在光学模型中,采用光线跟踪方法,并考虑在带和基板表面上的反射以获得最佳精度。局部地进行热模拟以实现夹持点区域中的温度分布并且全局地考虑在厚度方向上的热量发展。在模拟开发过程中,考虑了滚子变形,螺旋叠层中的带重叠和聚合物结晶等现象。
  
  考虑到几何形状,材料,工艺参数和热历史,理想温度分布的预测开启了基于模型的控制实时影响过程结果的可能性。此外,模型预测控制的概念在Fraunhofer IPT中得到了发展和验证。
  
  来自德国弗劳恩霍夫生产技术研究所(IPT)的AmbliFibre项目协调员MartinSchäkel解释说:
  
  “客户可以来我们位于亚琛的工厂,看看这个过程是否正常。从跨国联盟开发的新解决方案的范围中,他们可以精确地选择哪些技术可以满足他们的特定需求,例如数据挖掘或激光光学应用。作为一家研究机构,我们当然希望继续与合作伙伴一起优化和改进技术。“
  
  “汽车行业在使用钢铁等传统材料方面拥有丰富的经验,多年来与供应商建立了良好关系。因此,我们必须首先通过真正解决他们对高效大规模生产的需求,并以透明的方式展示这一点来克服行业内的怀疑。“
  
  “通过与工业利益相关者的公共研讨会以及我们在亚琛的原型机械展示,鼓励了行业的兴趣。我们现在想让这项技术适应新的零件和应用,看看它们的潜力是什么。“
  
  这开启了通过预先调整几个时间步骤等工艺参数(例如激光功率)来补偿过程不一致和干扰的可能性。
  
  为了关闭控制回路,创建了两个用于高效温度控制和测量的模块。为了将自适应激光照射引入该过程,RWTH TOS和Ixun Lasertechnik开发了一种新型激光光学系统,能够塑造激光光斑的梯度。
  
  以这种方式,可以以增加的激光强度加热胶带或基板。
  
  由New Infrared Technologies开发的高速热成像仪记录和处理所得到的温度分布。坚固紧凑的设计可轻松集成到磁带卷绕系统中。通过算法分析处理的温度数据,以便提取用于模拟和过程控制的目标输入值。
  
  基于知识的数据挖掘
  
  为了进一步确保过程质量,开发了数据挖掘算法,并将其嵌入到视频系统的智能人机界面(HMI)中。创建了一个关系数据库结构,用于在应用不同材料和工艺参数的系统绕组实验中处理和分析项目期间生成的数据。在使用Fraunhofer IPT的卷绕系统进行的这些试验期间,记录了诸如过程温度和固结力的参数,并补充了样品的机械测试结果。数据挖掘引擎研究过程数据和机械测试结果之间的相关性和直接影响,得出关于过程中数据与预期结果的直接连接的结论。通过这种方式,
  
  基于数据挖掘算法的智能机器接口,为操作员提供有关过程系统的一些反馈。
  
  在引入新的产品设计,新的绕组铺设或新材料时,数据挖掘引擎和仿真模型提供了显着缩短与纤维增强塑料加工相关的加速时间和试运行的潜力。
  
  在长达数公里的加工胶带的生产过程中,新工具可以在不断变化的工艺条件和干扰方面实现质量保证。
  
  质量控制的在线监测
  
  对于过程稳定性的直接反馈,ambliFibre项目还提供了一个在线监测设备,用于连续测量固结质量。为了在适合于过程评估的胶带中生成标准化结构,FRP胶带在RWTH KEmikro自动化的热压花过程中进行了修改。在将胶带与下面的层焊接在一起之后,通过评估它们的特征来利用压花来检测固结水平。Fraunhofer ILT应用热成像技术直接在压区点后检测压花。
  
  内联监控装置,可以检测胶带中的固结程度。在将胶带焊接在一起之后。
  
  在多个测试试验期间训练机器学习算法,以便可靠地检测特征并评估合并程度。与数据挖掘引擎类似,它可以处理新的学习数据,为新材料,工艺条件或绕组叠层提供准确的反馈。
  
  内联监控设备可以实现有关磁带质量不足或不正确的过程设置可能导致的缺陷的实时反馈。通过HMI,当前质量反馈给操作员,操作员可根据与理想过程条件的偏差程度调整或停止过程。
  
  用于工业生产的模块化系统
  
  所有新模块均在Fraunhofer IPT的激光辅助带缠绕系统中进行了测试和验证。为此,管道示威者以通用电气公司贝克休斯为基准。作为附加应用,制造复合压力容器并随后由HBN-Teknik A / S进行测试。结果显示所采用的系统技术具有良好的性能,该技术不断优化直至项目结束。
  
  ambliFibre生产系统包括所有开发的硬件和软件模块。它由Pultrex概念化和设计为三种配置:连续生产,不连续生产和两者的组合。为了制造管道和立管系统,开发了连续系统,带缠绕头围绕部件旋转,连续供给通过缠绕转盘。在该设计中,激光器定位在转盘上,这有助于将激光引导到带缠绕头。根据应用和绕组设置,一个转盘上最多可安装四个头,并且可在生产单元内放置多个转盘。电力,压缩空气和冷却水通过一系列滑环提供,
  
  连续和不连续生产的系统设计
  
  压力容器等零件的不连续系统采用龙门机器人,具有最大的灵活性。第三种配置是用于连续和不连续生产的组合生产单元,旨在实现两种生产方案之间的快速自动化更改。为了节省多余的投资成本,设计了在两种生产方案之间有效改变带缠绕头和激光系统的机制。所有系统配置均采用带式绕线头和相关控制单元,由Fraunhofer IPT开发和改进。ambliFibre的开发改进了生产技术的模块化和灵活性,因此可以生产面向客户和特定应用的磁带卷绕技术和控制解决方案。
  
  生命周期成本
  
  ambliFibre中的系统开发得到了Mach4Lab的新型可靠性和维护模型的支持,该模型可以模拟和预测机器在早期设计阶段的故障状态,并有助于选择具有成本效益的维护策略。为此,分析了现场生产和故障数据,并得出了可靠性和可维护性指标。在此基础上,开发并实施了维护成本模型。
  
  该模型评估机器上每次维护干预的成本,直至组件级别,并使用户能够比较不同的情况,包括纠正和预防性维护,以便在整个使用寿命期间从磁带卷绕系统的设计阶段做出最佳选择。生命周期成本模型可以应用于连续和不连续的带缠绕机械。
  
  最后一部分
  
  关注使用ambliFibre带缠绕系统生产的产品,Life Cycle Engineering评估了环境影响和生命周期情景。环境性能是复合管和压力容器的基准。详细评估考虑了原材料,运输工具和制造以及报废使用情况。开发了一个用户友好的网络工具,用于确定主要的环境指标,例如不同生命周期情景的碳足迹。有了这个工具,就可以评估和展示绿色生产战略的潜力和效率。
  
  结论
  
  用热塑性纤维增强塑料代替金属为海上应用提供了巨大的潜力,例如深水应用中的立管系统,因为这些材料的高强度重量比显着提高了结构的可支撑自重。复合层可以通过自动激光辅助带缠绕工艺制造,ambliFibre项目设法将工艺稳定性和质量保证提高到另一个层次。新的仿真和数据挖掘工具开辟了减少新生产场景的加速时间的可能性,并与新型自适应激光光学系统和高速热像仪相结合,可靠地控制过程结果。附加模块在过程中监控层之间的合并质量,并向操作员提供即时反馈。用于评估系统维护策略和产品环境性能的模型支持创建可持续和可靠的系统技术和轻量级产品。除了用于制造管道的连续生产系统之外,还为该行业开发了用于诸如压力容器和组合生产单元的组件的不连续系统。系统设计采用的模块化方法允许客户调整激光辅助带缠绕的制造系统,以适应其应用和产品。用于评估系统维护策略和产品环境性能的模型支持创建可持续和可靠的系统技术和轻量级产品。除了用于制造管道的连续生产系统之外,还为该行业开发了用于诸如压力容器和组合生产单元的组件的不连续系统。系统设计采用的模块化方法允许客户调整激光辅助带缠绕的制造系统,以适应其应用和产品。用于评估系统维护策略和产品环境性能的模型支持创建可持续和可靠的系统技术和轻量级产品。除了用于制造管道的连续生产系统之外,还为该行业开发了用于诸如压力容器和组合生产单元的组件的不连续系统。系统设计采用的模块化方法允许客户调整激光辅助带缠绕的制造系统,以适应其应用和产品。
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