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如何利用工业IT优化复合材料生产过程 |
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newmaker |
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通过集成生产过程智能解决方案和包含由Dassault系统提供全生命周期管理(PLM)的制造执行系统(MES)，Intercim可以满足航空业，特别是那些复合材料构件制造商的要求。
复合材料在航空工业领域中的应用比例非常高, 随着复合材料在这个领域的进一步应用，生产过程中一些固有的问题开始显现。如今的IT方案可以为这些问题提供解决方案。
复合材料已经广泛应用于各个工业领域。根据2010年碳纤维大会的数据，在航空工业中，复合材料在过去3年中增长了大约30%，到2015年这一比例将会翻倍，达到13000t。在某些工业领域，如能源行业，在复合材料风机叶片制造的带动下，复合材料用量的增长更加惊人。
毫无争议的优势
与其他材料相比，复合材料具有耐腐蚀、轻质以及优异的绝缘性等物理特性。在航空业中，复合材料构件与不锈钢和铝等金属材料相比，其使用和维护成本低，可以弥补航空工业中制造成本较高的问题。
近期民机项目中，越来越多的部件采用复合材料。在A380飞机中，复合材料占到结构重量的25%。复合材料已经应用到中央翼盒等关键部件。在波音787梦想飞机上，复合材料的用量已经达到结构重量的50%，而波音777仅有12%。因此，波音787比具有同等承载能力的飞机节省20%的燃油消耗。如今，燃油费用已经占到飞机运行成本的70%，20%的燃油节省意味着成本的显著降低。除此之外，由于复合材料良好的抗腐蚀性，采用了复合材料的飞机的寿命周期会延长，机身的损伤也易于修复。特别是在某些损伤情况下，只需采取简单的贴补补强，从而也降低了维护费用。
然而，飞机制造商为了能够获得应用复合材料所带来的最大利益，他们的子承包商必须在零部件的设计和生产过程中解决应用复合材料带来的复杂问题。
不断增长的工艺复杂性
在航空领域中，复合材料构件主要使用热固性树脂基预浸料，这种材料具有一定的使用周期，并且需要保存在一定的温度下，这一过程带来了一系列的新问题。
（1）原材料的可变性。原材料成分不均匀，易引起不可预见的物理及化学性能的变化；
（2）工艺方法的可变性。使用同一种预浸料，不同工艺方法对材料的性能也会产生影响；
（3）原材料的敏感性。在生产过程中，原材料对环境温度、湿度很敏感。
以上这些问题意味着，可能存在缺陷的复合材料部件可达20%。零部件缺陷过多，使部件无法使用而报废。一个几米或十几米的机身部件价值可达300000美元，使制造企业面临高昂的制造费用。
制造智能方案提供解决复杂问题的方法
Composite Atlantic Limited公司的某种系列产品中曾出现制造错误，导致这系列产品的退货率一度上升到13%、返修率达到28%、运输时间延长、成本增加，使其面临失去客户信任的风险。Intercim公司的制造智能方案解决了这一问题。制造智能方案通过分析每个新零件的工艺参数，持续一个月时间跟踪了工艺参数的测量记录中的96%工艺参数。经过一个星期的分析，方案分离出了两个经过方法工程师确定的参数，并重新定义了这两个参数合理的上下极限。应用了这些新规则后，Composite Atlantic Limited公司产品的退货率从13%降到0，返修率从28%降到了1%以下。这一类型的IT 方案案例说明，现今的航空航天领域，特别是复合材料领域的承包商面临着各方面综合挑战。DuqueineGroup公司就曾面临这样的挑战，这家公司专注于RTM 工艺，经过两年的研究，发展了一种新工艺:利用多相预浸料制造A350XWB飞机机身骨架或机窗骨架结构。这一新技术标志着航空领域中复合材料构件的制造工艺上了一个新台阶，这是第一次复合材料的机身骨架由标准RTM注射法以外的工艺方法来制造。为了能够获得高的生产效率，整个过程需要全程监控。
不断增加的竞争压力下行业正在进行的大规模重组
波音公司堪称技术革新的楷模。作为飞机制造一级供应商，由于其飞机零部件的承包商分布在世界各地使其生产过程的复杂程度增加了几倍。解决这一问题要求对不同工厂的生产计划、全球所有生产厂的生产过程实时监控，实现多部件协调，及时到达总装厂。
制造执行系统(MES)工具可以满足这一需要。有了MES，过程管理人员可以预计某一部件的库存短缺；管理者根据人力、物资的情况随时派发制造订单；质量管理人员可以召回质量有缺陷的批次，并查找出所使用的原材料或部件。以上事例说明Intercim公司提供的MES对制造商提供集成制造智能方案非常有益。制造商通过同时分析MES 获取的如供货商数据、原材料特性、工厂的测量数据、设备的设定参数以及所有的质量读数和产品的性能等，几千个不同类型的数据，自动提炼出最优的操作条件，并不断提供生产建议( 包括生产条件变化的时候)，而无需改变工艺细节或者投资新设备。图1所示为工厂里的复合材料部件。
图1 工厂里的复合材料部件
特殊限制
谈及航空产业链，行业存在其特有的限制，而且此限制会影响新项目的盈利。飞机是一种长周期的产品。从第一架原型机的设计图到第一架飞机开始服役，这一周期至少5年。如果这一机型在商业上取得了成功，此型号的飞机生产阶段长达20年。飞行器维护过程所需的相应的部件、系统可以达到30~40年。在保证新型飞行器满足各个检查部门提出的质量安全目标、乘客对舒适性的期望以及航空公司提出的低运行维护成本等条件的前提下，如何从研制初期就考虑缩短周期呢？
90年代，在航空工业中首次出现了CAD/CAM系统。这种模式将产品工程师和设计单位结合起来，被冠以“PLM( 全生命周期管理)”的概念。
集成了MES系统的3D产品设计模拟系统的应用价值
这种方法的一个新功能是在生产链的任何一点使用相同的数学模型，通常采用的构架对生产和组装过程状态进行实时监控。另一个用途是在飞机组装过程中进行检测，使构件在某一远距离的产地生产。
为了监控分散于全球各地的整个787生产链，波音公司要求Inercim和Dassault系统整合他们的方案，使信息以无缝的方式从设计部门传达到工厂的执行者，再到质量工程师、方法办公室等。生产管理者随时被告知整个工厂的运转进展。这个系统还不断补充包括：工作进展的清单和部件的可获取性等新的数据信息。可以选择观看每个生产商的订单状况，包括每个工厂，产地或车间。根据这些资源，管理者可以及时地做出决策。在这种复杂的、同时进行的运作过程中，这个系统根据合适的规则，如某一操作的优先权高于另一操作，来协调不同团队之间的同步性。
在车间，每个操作人员可以在平板电脑上看到列出的任务，包括3D视图、工作规范和注意事项等。在操作过程中，系统引导操作人员完成任务，且可以在发生不可预见的事件前提出警告，如存货不足、错误操作等。遇到这种情况时，任务被挂起，工程师介入到这种情况中并提出解决方案。系统会自动地反映出此事件对车间特别是远距离车间的生产的影响。
通过集成生产过程智能解决方案和包含由Dassault系统提供全生命周期管理(PLM)的制造执行系统(MES)，Intercim可以满足航空业，特别是那些复合材料构件制造商的要求。(end)
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(4/23/2013) |
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