工業(yè)4.0影響下的復(fù)合材料制造

使用新的數(shù)字技術(shù)，工業(yè)4.0將影響復(fù)合材料 生產(chǎn)的各個(gè)方面。
復(fù)合材料制造商習(xí)慣于處理設(shè)備、材料和工藝 的持續(xù)改進(jìn)，這些改進(jìn)會(huì)影響他們的運(yùn)營(yíng)。但他們 可能還沒(méi)有為工業(yè)4.0做好準(zhǔn)備。工業(yè)4.0也被稱(chēng)為 第四次工業(yè)革命，它預(yù)示著一個(gè)前所未有的技術(shù)創(chuàng) 新時(shí)代，將改變我們所知道的制造業(yè)。
德勤咨詢(xún)公司(DeloitteConsulting )負(fù)責(zé)人布萊 恩?米克(BrianMeeker )解釋說(shuō)：“工業(yè)4.0既是一 套流程，也是一種技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的數(shù) 字協(xié)作。它是跨行業(yè)制造業(yè)的未來(lái)，并且涵蓋了廣 泛的數(shù)字功能。”
這些能力包括捕捉和傳輸信息的傳感器、物聯(lián) 網(wǎng)(loT)、云計(jì)算、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智 能(AI)等。通過(guò)協(xié)同工作，這些數(shù)字技術(shù)使公司能 夠自動(dòng)化更多的設(shè)備和流程，并收集、分析和建模 數(shù)據(jù)，從而做出更好的業(yè)務(wù)決策。
“目標(biāo)是創(chuàng)建智能工廠，在需要時(shí)能夠生產(chǎn)更 多的零件，并在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下縮短上市 時(shí)間?！睂?zhuān)門(mén)從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件的Plataine首席營(yíng) 銷(xiāo)官 AmirBenAssa 說(shuō)。
自動(dòng)化的數(shù)字復(fù)合材料生產(chǎn)線
新的數(shù)字復(fù)合材料生產(chǎn)線(DCML)已經(jīng)開(kāi)發(fā)岀 來(lái)，目前正由SABIC和Airborne進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試，它 展示了工業(yè)4.0的變革性質(zhì)。DCML是一個(gè)全自動(dòng) 化的制造系統(tǒng)，可以批量生產(chǎn)輕質(zhì)、高模量和低翹 曲層壓板，定制設(shè)計(jì)以達(dá)到所需的厚度、尺寸和性 能。DCML只需60秒就能制造出四種熱塑性復(fù)合材 料層壓板。
DCML采用SABIC的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性 條帶，采用高壓纖維浸漬技術(shù)HPFIT™。SABIC 高級(jí)復(fù)合材料全球業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人吉諾?弗蘭卡托
(GinoFrancato )解釋說(shuō):“我們需要兩種寬度不同的 條帶，一種用于零方向，另一種用于90度方向?！眱?個(gè)送帶器將條帶放在托盤(pán)上，托盤(pán)在第一個(gè)送帶器 和第二個(gè)送帶器之間循環(huán)移動(dòng)，然后再回到第一個(gè) 送帶器，直到達(dá)到所需的層數(shù)。
然后，托盤(pán)移動(dòng)到下一站，在那里各層被點(diǎn)焊 在一起。機(jī)器人將四個(gè)點(diǎn)焊堆垛轉(zhuǎn)移到加固區(qū)域, 在該區(qū)域需要60秒的熱量和壓力才能制成完全加 固的層壓板。修剪和包裝后，工人將裝有層壓板的 盒子拿起來(lái)存放。
在這個(gè)過(guò)程的每一個(gè)階段，系統(tǒng)本身——沒(méi)有 人的幫助——都會(huì)檢查條帶、堆棧和層壓板的質(zhì) 量，以查找缺陷。如果識(shí)別出有缺陷的條帶段，系 統(tǒng)可以快速移除并用一段完好的條帶替換，以保持 線路運(yùn)行。如果層壓板有缺陷，則系統(tǒng)可以檢測(cè)到 缺陷并也將其丟棄。

在滿(mǎn)負(fù)荷下，DCML每年可生產(chǎn)多達(dá)150萬(wàn)個(gè) 零件。這應(yīng)該會(huì)吸引消費(fèi)電子行業(yè)的新客戶(hù)，他們 被復(fù)合材料的重量輕、可持續(xù)性和外觀所吸引，但 由于大規(guī)模生產(chǎn)中質(zhì)量的一致性不足，他們一直在 謹(jǐn)慎使用復(fù)合材料。
SABIC和Airbome將繼續(xù)升級(jí)DCMLO 一種改 進(jìn)可能是增加機(jī)器學(xué)習(xí)功能，以使該過(guò)程更加靈活 且更具成本效益。
數(shù)字雙胞胎
由于數(shù)字雙胞胎是基于物理世界的對(duì)象、過(guò)程 或系統(tǒng)的精確數(shù)字復(fù)制品，因此基于AI的此類(lèi)決 策是可能的。在復(fù)合材料生產(chǎn)中，工程師可以使用 數(shù)字雙胞胎來(lái)測(cè)試驅(qū)動(dòng)其設(shè)計(jì)并模擬它們?cè)诟鞣N 條件下在現(xiàn)實(shí)世界中的工作方式。在制造業(yè)中，運(yùn) 營(yíng)商將能夠查看數(shù)字?jǐn)伾源_定工程變更或新 工藝將如何影響生產(chǎn)線。“如果我有能力進(jìn)行完全 模擬的車(chē)間并更改變量，那么我可以快速運(yùn)行模 擬，這樣我就知道問(wèn)題將要發(fā)生在哪里?！泵卓藸?(Meeker )說(shuō)。
一旦一個(gè)產(chǎn)品被制造出來(lái)，它收集的數(shù)據(jù)就可 以傳遞給它的數(shù)字學(xué)生兄弟，幫助所有者跟蹤它的 性能，并確定一個(gè)產(chǎn)品是否需要維護(hù)或有一個(gè)部件 可能出現(xiàn)故障。
創(chuàng)建真正精確的數(shù)字雙胞胎可能很困難。米克 爾解釋說(shuō)：“要做到這一點(diǎn)，你必須在設(shè)計(jì)界和制 造界擁有全系列的產(chǎn)品數(shù)據(jù)；你必須讓一切都以數(shù) 字形式表現(xiàn)出來(lái)?！彼嘈?，更多的設(shè)備制造商將為 他們的產(chǎn)品創(chuàng)建數(shù)字模型，并在客戶(hù)意識(shí)到產(chǎn)品價(jià) 值時(shí)向他們提供。
人工智能
Plataine提供智能數(shù)字助理，使用人工智能幫 助復(fù)合材料制造公司提高產(chǎn)量和效率。“它從計(jì)劃 和安排各種工單和工作開(kāi)始，并繼續(xù)密切監(jiān)測(cè)制造 過(guò)程的進(jìn)展?！北景⑺_(Ben-Assa)說(shuō)，“人工智能可 以提供警報(bào)、預(yù)測(cè)和建議，這在復(fù)雜動(dòng)態(tài)的復(fù)合材 料制造環(huán)境中非常有用?！?br /> 例如，一個(gè)工人進(jìn)入一個(gè)冷庫(kù)，為一個(gè)工單選 擇預(yù)浸料材料，他只能基于有限的因素作出決定。 另一方面，一個(gè)基于人工智能的系統(tǒng)可以考慮數(shù)百 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括材料的大小、剩余的保質(zhì)期、剩余 材料的數(shù)量，以及公司在那個(gè)班次(一天或一周) 內(nèi)的其他工作。
本阿薩解釋說(shuō)：“工智能是在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)千次 計(jì)算，使用機(jī)器學(xué)習(xí)和其他方法來(lái)運(yùn)行大量的歷史 數(shù)據(jù)，然后做出預(yù)測(cè)，以幫助你得到最優(yōu)的決策?！?br /> 制造商利用這些新技術(shù)節(jié)省時(shí)間和材料。他繼 續(xù)說(shuō)：“我們所說(shuō)的準(zhǔn)時(shí)交貨率增加了 5%到7%, 僅僅是因?yàn)槟銢](méi)有這些延誤。由于制造商不再使用 過(guò)期的材料，所以返工的數(shù)量大大減少；軟件會(huì)提 醒他們，并推薦哪些材料用于哪些工作。所以你第 一次就把事情做對(duì)了?！?br /> 人工智能可以提高許多制造領(lǐng)域的效率。如 果產(chǎn)品中存在質(zhì)量問(wèn)題，智能系統(tǒng)可以將工廠的 數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為因素，以確定根本原因并建議 解決方案。
云計(jì)算
Plataine集成了其軟件解決方案以在Google Cloud上運(yùn)行，從而使其能夠?qū)oogleGlassEnterp riseEdition用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR )o在Plataine的實(shí)施 中，戴上這些智能眼鏡的工人可以在鏡頭的一側(cè)看 到他們需要做的工作的圖像，并聽(tīng)到AR系統(tǒng)的操 作指導(dǎo)。
本阿薩說(shuō)：“戴著智能眼鏡的操作員無(wú)需手持 任何東西，因?yàn)樗麄儾恍枰兆〖垼桨咫娔X或筆 記本電腦之類(lèi)的東西。”工人可以詢(xún)問(wèn)AR系統(tǒng)他們 需要填寫(xiě)哪些訂單，可以在哪里獲得所需的材料以 及如何執(zhí)行上層作業(yè)或其他工作。這樣可以節(jié)省工 人的時(shí)間，因?yàn)樗麄儫o(wú)需查找材料，獲得清晰的說(shuō) 明，也不必使用紙，電子電子表格或其他系統(tǒng)來(lái)報(bào) 告所做的一切。

本阿薩說(shuō)，工作人員將20%的時(shí)間用于記錄他 們所做的工作和所使用的材料。在此特定示例中， AI和GoogleGlass的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，它減輕了報(bào) 告員在工廠現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)擔(dān)。您可以簡(jiǎn)單地說(shuō)：“我確 認(rèn)執(zhí)行此操作”，并且它會(huì)在系統(tǒng)中更新。
云計(jì)算和存儲(chǔ)使諸如此類(lèi)的AI應(yīng)用成為可能。 工業(yè)4.0和云計(jì)算的一大優(yōu)勢(shì)在于，它允許各種規(guī) 模的工廠非?？焖俚夭渴?，而無(wú)需任何安裝或生產(chǎn) 停機(jī)。他們可以開(kāi)始跟蹤其資產(chǎn)、零件和材料，收 集大量信息，而不必?fù)?dān)心將其存儲(chǔ)在何處。除此之 外，使用者還可以獲得所有這些人工智能算法的計(jì) 算能力，無(wú)論我們是在討論機(jī)器學(xué)習(xí)還是其他需要 巨大計(jì)算能力的工具。
云計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于，它使公司能夠靈活，靈活 地僅在需要的地方便宜地使用這些資源。此外，如 果他們希望擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，那么一旦他們進(jìn)入云計(jì) 算就更容易了。
優(yōu)化算法
隨著計(jì)算能力的提高，一些公司正在利用數(shù)學(xué) 來(lái)幫助復(fù)合材料制造商克服生產(chǎn)挑戰(zhàn)。
Rafinex首席執(zhí)行官安德雷威爾?姆斯(Andr6 Wilmes)解釋說(shuō)：“我們的工作是將客戶(hù)的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn) 化為可以用數(shù)學(xué)方法解決的問(wèn)題陳述。我們的高端 算法直接針對(duì)其特定的痛點(diǎn)，為用戶(hù)提供他們可以 采取行動(dòng)的答案，而不是用原始的模擬結(jié)果使其超 載。”挑戰(zhàn)的范圍可以從減少生成零件的時(shí)間到提 高工具的精度。
Rafinex的服務(wù)包括隨機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化(形狀生

成)、隨機(jī)變量風(fēng)險(xiǎn)建模、復(fù)合纖維方向優(yōu)化和早 期設(shè)計(jì)可制造性分析。隨機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化使制造商能 夠?yàn)槠?chē)、航空航天和一些體育運(yùn)動(dòng)等高性能領(lǐng) 域使用的復(fù)合材料生產(chǎn)更安全、更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。隨 機(jī)過(guò)程考慮了設(shè)計(jì)中荷載方向和材料特性的實(shí)際 變化。然后，它在數(shù)千個(gè)模擬中同時(shí)和幾乎同時(shí)測(cè) 試它們。其結(jié)果是針對(duì)客戶(hù)需求進(jìn)行優(yōu)化的單一 設(shè)計(jì)，同時(shí)由于風(fēng)險(xiǎn)量化，在最佳和最壞情況下都 保持安全。
Rafinex的隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析算法使用相同的數(shù)學(xué) 方法，在一個(gè)單一的模擬步驟中，深入了解概念階 段設(shè)計(jì)在所有實(shí)際操作條件下的全局性能。
公司有選擇地使用人工智能來(lái)加速這些模擬和 優(yōu)化。隨著模擬的進(jìn)行，中間數(shù)據(jù)可以用來(lái)加速算 法，使其在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，而不會(huì)失去準(zhǔn)確性, 從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量?！斑@使得我們可以在優(yōu)化中掃 描更廣闊的設(shè)計(jì)空間。”以前，對(duì)任何現(xiàn)實(shí)的工業(yè)設(shè) 計(jì)問(wèn)題進(jìn)行隨機(jī)拓?fù)浞治龆夹枰?到4周的時(shí)間。
未來(lái)，Rafinex將與Psylotech公司合作，開(kāi)發(fā)用 于粘接接頭和結(jié)構(gòu)粘合劑的粘彈性模型AI。這些算 法將為復(fù)合材料中的粘彈性損傷積累提供新的材料 模型，包括速率和溫度依賴(lài)性，同時(shí)還將使獲得材 料參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試減少10倍。
加入革命
擁有如此眾多的新技術(shù)和多種使用方式，復(fù)合 材料制造商可能不確定從何處著手進(jìn)入工業(yè)4.0o
“數(shù)字和工業(yè)4.0面臨的挑戰(zhàn)之一是可用的技術(shù) 數(shù)量眾多，以及如何理解它們?！泵卓藸栒f(shuō)。他建議 制造商找到知識(shí)淵博的顧問(wèn)，他們可以幫助他們確 定哪種技術(shù)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是最佳的。
制造商還可能擔(dān)心他們將不得不淘汰舊設(shè)備 并購(gòu)買(mǎi)新設(shè)備以利用工業(yè)4.0技術(shù)。事實(shí)并非如此。 “您可以將適用于工具、零件和材料的改造，傳感器 應(yīng)用到其中?！北景⑺_說(shuō)。
他建議公司首先確定一個(gè)特定的痛點(diǎn)，然后找 到可以提供價(jià)值的技術(shù)解決方案。一旦獲得勝利, 他們就可以將其作為商業(yè)案例進(jìn)行介紹，以鼓勵(lì)管
理層對(duì)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的投資。
制造商很快也會(huì)有另一種選擇。包括來(lái)自行 業(yè)、政府、研究實(shí)驗(yàn)室和其他組織的領(lǐng)導(dǎo)人在內(nèi)的 智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟（SMLC ）一直致力于創(chuàng)建共享的 基礎(chǔ)架構(gòu)，該基礎(chǔ)架構(gòu)包含使用、管理和建模數(shù)據(jù) 的負(fù)擔(dān)得起且可靠的平臺(tái)、應(yīng)用程序和工具。每個(gè) 人都可以訪問(wèn)位于云中的這個(gè)市場(chǎng)。它將提供廠商 或公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)并愿意共享的成熟解決方案。
例如，想要提高生產(chǎn)線上產(chǎn)量的復(fù)合材料制 造商，可以去市場(chǎng)并輸入有關(guān)其使用的材料和 工藝的信息oSMLC首席執(zhí)行官丹尼斯?斯溫克 （DeniseSwink ）解釋說(shuō)：”我們將推出一系列的應(yīng)用 程序和工具包，無(wú)論成本高低，它們都可以用來(lái)集 成現(xiàn)有的應(yīng)用程序和工具包?！?br /> 由美國(guó)能源部（DOE）資助的位于加州大學(xué)洛 杉磯分校的清潔能源智能制造創(chuàng)新研究所（CESMII） 正開(kāi)始創(chuàng)建這一市場(chǎng)。今年，CESMII將呼吁愿意為 基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的公司，美國(guó)能源部將支付 它們50%的開(kāi)發(fā)成本。符合條件的開(kāi)發(fā)者必須同意 以合理的價(jià)格在市場(chǎng)上提供他們的應(yīng)用程序。
當(dāng)公司可以很容易地使用這些工具時(shí)，它們將 認(rèn)識(shí)到許多好處?！盎貓?bào)是巨大的，在性能、能量、 生產(chǎn)力和安全性方面?！彼箿乜苏f(shuō)。
無(wú)論制造商如何采用工業(yè)4.0,他們都不應(yīng)等 待太久才能加入這場(chǎng)革命。這種趨勢(shì)比我們預(yù)期的 要早得多。在這個(gè)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，人們了解 到他們不能讓自己落后。
（來(lái)源：國(guó)際復(fù)材技術(shù)商情）