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作為ambliFibre多國研究項(xiàng)目的一部分，開發(fā)了一種新型熱塑性復(fù)合帶纏繞系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有多種功能，可在安全關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制造中提高質(zhì)量和可靠性，例如用于無粘結(jié)柔性管的復(fù)合材料鎧裝。

　　AmbliFibre原型系統(tǒng)采用項(xiàng)目期間開發(fā)的新技術(shù)

　　由熱塑性復(fù)合材料制成的集成增強(qiáng)層的混合無粘結(jié)柔性管是在水深超過1500米時(shí)有效回收和運(yùn)輸碳?xì)浠衔锏年P(guān)鍵技術(shù)。負(fù)載，壓力和耐化學(xué)性要求限制了傳統(tǒng)立管系統(tǒng)在這些水深處的應(yīng)用。考慮到浮動(dòng)平臺(tái)和海底組件之間距離的增加，自重成為高度安全關(guān)鍵部件的問題。在未粘合的柔性管的情況下，由于這些材料的高強(qiáng)度重量比，用熱塑性復(fù)合材料代替諸如壓力鎧裝的金屬層顯著增加了可支撐的自重。進(jìn)一步的特性，如耐腐蝕性，　　

　　自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)

　　膠帶纏繞工藝，也稱為纖維纏繞，可以在一次成型過程中自動(dòng)高效地生產(chǎn)由熱塑性單向纖維增強(qiáng)塑料（FRP）膠帶制成的固結(jié)復(fù)合材料部件，無需額外的固化步驟。這消除了與高壓釜相關(guān)的高投資，這在連續(xù)生產(chǎn)長度為幾千米的結(jié)構(gòu)中似乎是不切實(shí)際的。熱塑性帶纏繞的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該方法的環(huán)境友好，無排放性質(zhì)與競爭熱固技術(shù)相比。采用熱塑性系統(tǒng)技術(shù)，膠帶被送入壓區(qū)，在那里它們承受壓力和熱量，因此可以在任意負(fù)載優(yōu)化的鋪層中與先前的層完全固結(jié)。激光通常用作熱源，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰繚舛龋添憫?yīng)時(shí)間和出色的可控性。

　　熱塑性復(fù)合管自動(dòng)化生產(chǎn)工藝流程

　　盡管在工業(yè)化系統(tǒng)技術(shù)方面取得了長足的發(fā)展和重大突破，但激光輔助帶纏繞需要徹底了解安全關(guān)鍵部件的可靠生產(chǎn)過程。與不可預(yù)測的過程擾動(dòng)（例如膠帶質(zhì)量不足）相互作用的各種控制變量意味著在改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)或應(yīng)用材料時(shí)需要付出巨大努力來實(shí)現(xiàn)可靠的過程。

　　在制造海上立管系統(tǒng)時(shí)，這是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)榭紤]到現(xiàn)場故障的嚴(yán)重后果，質(zhì)量保證和過程可重復(fù)性具有重要意義。

　　在ambliFibre項(xiàng)目中，由工業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)組成的跨國歐洲財(cái)團(tuán)合作，加強(qiáng)激光輔助帶纏繞工藝，以滿足海上工業(yè)和其他工業(yè)部門的期望和要求。這項(xiàng)為期三年的項(xiàng)目于2018年結(jié)束，其任務(wù)是開發(fā)第一個(gè)基于在線模型，質(zhì)量控制的帶式纏繞工藝，目的是提高其靈活性，可靠性和生產(chǎn)率。為此，開發(fā)，測試和驗(yàn)證了幾個(gè)新的硬件和軟件模塊。

　　如何制作：

　　ambliFibre系統(tǒng)將嵌入到整體過程控制中的熱模型和光學(xué)模型與新穎的數(shù)據(jù)挖掘，激光和質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合。這種方法可以在預(yù)測潛在故障的同時(shí)大幅減少浪費(fèi)，從而減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間。該技術(shù)的綠色焦點(diǎn)得到了對(duì)所得產(chǎn)品的整體生命周期分析的支持。總之，新系統(tǒng)代表了管狀復(fù)合材料部件的連續(xù)和不連續(xù)生產(chǎn)的重大突破，例如汽車應(yīng)用的氣罐或復(fù)合超深水立管。

　　仿真和自適應(yīng)制造

　　為了在行業(yè)中廣泛采用激光輔助磁帶繞組，需要經(jīng)過驗(yàn)證的全球和本地仿真和建模工具。

　　在ambliFibre中，這是在特溫特大學(xué)通過設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的模擬工具來解決的，該工具結(jié)合了用于確定激光照射分布的光學(xué)模型和熱模型，該模型基于光學(xué)模型的輸出得出過程區(qū)域中的溫度分布。在光學(xué)模型中，采用光線跟蹤方法，并考慮在帶和基板表面上的反射以獲得最佳精度。局部地進(jìn)行熱模擬以實(shí)現(xiàn)夾持點(diǎn)區(qū)域中的溫度分布并且全局地考慮在厚度方向上的熱量發(fā)展。在模擬開發(fā)過程中，考慮了滾子變形，螺旋疊層中的帶重疊和聚合物結(jié)晶等現(xiàn)象。

　　考慮到幾何形狀，材料，工藝參數(shù)和熱歷史，理想溫度分布的預(yù)測開啟了基于模型的控制實(shí)時(shí)影響過程結(jié)果的可能性。此外，模型預(yù)測控制的概念在Fraunhofer IPT中得到了發(fā)展和驗(yàn)證。

　　來自德國弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（IPT）的AmbliFibre項(xiàng)目協(xié)調(diào)員MartinSch？kel解釋說：

　　“客戶可以來我們位于亞琛的工廠，看看這個(gè)過程是否正常。從跨國聯(lián)盟開發(fā)的新解決方案的范圍中，他們可以精確地選擇哪些技術(shù)可以滿足他們的特定需求，例如數(shù)據(jù)挖掘或激光光學(xué)應(yīng)用。作為一家研究機(jī)構(gòu)，我們當(dāng)然希望繼續(xù)與合作伙伴一起優(yōu)化和改進(jìn)技術(shù)。“

　　“汽車行業(yè)在使用鋼鐵等傳統(tǒng)材料方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，多年來與供應(yīng)商建立了良好關(guān)系。因此，我們必須首先通過真正解決他們對(duì)高效大規(guī)模生產(chǎn)的需求，并以透明的方式展示這一點(diǎn)來克服行業(yè)內(nèi)的懷疑。“

　　“通過與工業(yè)利益相關(guān)者的公共研討會(huì)以及我們?cè)趤嗚〉脑蜋C(jī)械展示，鼓勵(lì)了行業(yè)的興趣。我們現(xiàn)在想讓這項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)新的零件和應(yīng)用，看看它們的潛力是什么。“

　　這開啟了通過預(yù)先調(diào)整幾個(gè)時(shí)間步驟等工藝參數(shù)（例如激光功率）來補(bǔ)償過程不一致和干擾的可能性。

　　為了關(guān)閉控制回路，創(chuàng)建了兩個(gè)用于高效溫度控制和測量的模塊。為了將自適應(yīng)激光照射引入該過程，RWTH TOS和Ixun Lasertechnik開發(fā)了一種新型激光光學(xué)系統(tǒng)，能夠塑造激光光斑的梯度。

　　以這種方式，可以以增加的激光強(qiáng)度加熱膠帶或基板。

　　由New Infrared Technologies開發(fā)的高速熱成像儀記錄和處理所得到的溫度分布。堅(jiān)固緊湊的設(shè)計(jì)可輕松集成到磁帶卷繞系統(tǒng)中。通過算法分析處理的溫度數(shù)據(jù)，以便提取用于模擬和過程控制的目標(biāo)輸入值。

　　基于知識(shí)的數(shù)據(jù)挖掘

　　為了進(jìn)一步確保過程質(zhì)量，開發(fā)了數(shù)據(jù)挖掘算法，并將其嵌入到視頻系統(tǒng)的智能人機(jī)界面（HMI）中。創(chuàng)建了一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，用于在應(yīng)用不同材料和工藝參數(shù)的系統(tǒng)繞組實(shí)驗(yàn)中處理和分析項(xiàng)目期間生成的數(shù)據(jù)。在使用Fraunhofer IPT的卷繞系統(tǒng)進(jìn)行的這些試驗(yàn)期間，記錄了諸如過程溫度和固結(jié)力的參數(shù)，并補(bǔ)充了樣品的機(jī)械測試結(jié)果。數(shù)據(jù)挖掘引擎研究過程數(shù)據(jù)和機(jī)械測試結(jié)果之間的相關(guān)性和直接影響，得出關(guān)于過程中數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果的直接連接的結(jié)論。通過這種方式，

　　基于數(shù)據(jù)挖掘算法的智能機(jī)器接口，為操作員提供有關(guān)過程系統(tǒng)的一些反饋。

　　在引入新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，新的繞組鋪設(shè)或新材料時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘引擎和仿真模型提供了顯著縮短與纖維增強(qiáng)塑料加工相關(guān)的加速時(shí)間和試運(yùn)行的潛力。

　　在長達(dá)數(shù)公里的加工膠帶的生產(chǎn)過程中，新工具可以在不斷變化的工藝條件和干擾方面實(shí)現(xiàn)質(zhì)量保證。

　　質(zhì)量控制的在線監(jiān)測

　　對(duì)于過程穩(wěn)定性的直接反饋，ambliFibre項(xiàng)目還提供了一個(gè)在線監(jiān)測設(shè)備，用于連續(xù)測量固結(jié)質(zhì)量。為了在適合于過程評(píng)估的膠帶中生成標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP膠帶在RWTH KEmikro自動(dòng)化的熱壓花過程中進(jìn)行了修改。在將膠帶與下面的層焊接在一起之后，通過評(píng)估它們的特征來利用壓花來檢測固結(jié)水平。Fraunhofer ILT應(yīng)用熱成像技術(shù)直接在壓區(qū)點(diǎn)后檢測壓花。

　　內(nèi)聯(lián)監(jiān)控裝置，可以檢測膠帶中的固結(jié)程度。在將膠帶焊接在一起之后。

　　在多個(gè)測試試驗(yàn)期間訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以便可靠地檢測特征并評(píng)估合并程度。與數(shù)據(jù)挖掘引擎類似，它可以處理新的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為新材料，工藝條件或繞組疊層提供準(zhǔn)確的反饋。

　　內(nèi)聯(lián)監(jiān)控設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)有關(guān)磁帶質(zhì)量不足或不正確的過程設(shè)置可能導(dǎo)致的缺陷的實(shí)時(shí)反饋。通過HMI，當(dāng)前質(zhì)量反饋給操作員，操作員可根據(jù)與理想過程條件的偏差程度調(diào)整或停止過程。

　　用于工業(yè)生產(chǎn)的模塊化系統(tǒng)

　　所有新模塊均在Fraunhofer IPT的激光輔助帶纏繞系統(tǒng)中進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。為此，管道示威者以通用電氣公司貝克休斯為基準(zhǔn)。作為附加應(yīng)用，制造復(fù)合壓力容器并隨后由HBN-Teknik A / S進(jìn)行測試。結(jié)果顯示所采用的系統(tǒng)技術(shù)具有良好的性能，該技術(shù)不斷優(yōu)化直至項(xiàng)目結(jié)束。

　　ambliFibre生產(chǎn)系統(tǒng)包括所有開發(fā)的硬件和軟件模塊。它由Pultrex概念化和設(shè)計(jì)為三種配置：連續(xù)生產(chǎn)，不連續(xù)生產(chǎn)和兩者的組合。為了制造管道和立管系統(tǒng)，開發(fā)了連續(xù)系統(tǒng)，帶纏繞頭圍繞部件旋轉(zhuǎn)，連續(xù)供給通過纏繞轉(zhuǎn)盤。在該設(shè)計(jì)中，激光器定位在轉(zhuǎn)盤上，這有助于將激光引導(dǎo)到帶纏繞頭。根據(jù)應(yīng)用和繞組設(shè)置，一個(gè)轉(zhuǎn)盤上最多可安裝四個(gè)頭，并且可在生產(chǎn)單元內(nèi)放置多個(gè)轉(zhuǎn)盤。電力，壓縮空氣和冷卻水通過一系列滑環(huán)提供，

　　連續(xù)和不連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　壓力容器等零件的不連續(xù)系統(tǒng)采用龍門機(jī)器人，具有最大的靈活性。第三種配置是用于連續(xù)和不連續(xù)生產(chǎn)的組合生產(chǎn)單元，旨在實(shí)現(xiàn)兩種生產(chǎn)方案之間的快速自動(dòng)化更改。為了節(jié)省多余的投資成本，設(shè)計(jì)了在兩種生產(chǎn)方案之間有效改變帶纏繞頭和激光系統(tǒng)的機(jī)制。所有系統(tǒng)配置均采用帶式繞線頭和相關(guān)控制單元，由Fraunhofer IPT開發(fā)和改進(jìn)。ambliFibre的開發(fā)改進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)的模塊化和靈活性，因此可以生產(chǎn)面向客戶和特定應(yīng)用的磁帶卷繞技術(shù)和控制解決方案。

　　生命周期成本

　　ambliFibre中的系統(tǒng)開發(fā)得到了Mach4Lab的新型可靠性和維護(hù)模型的支持，該模型可以模擬和預(yù)測機(jī)器在早期設(shè)計(jì)階段的故障狀態(tài)，并有助于選擇具有成本效益的維護(hù)策略。為此，分析了現(xiàn)場生產(chǎn)和故障數(shù)據(jù)，并得出了可靠性和可維護(hù)性指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)并實(shí)施了維護(hù)成本模型。

　　該模型評(píng)估機(jī)器上每次維護(hù)干預(yù)的成本，直至組件級(jí)別，并使用戶能夠比較不同的情況，包括糾正和預(yù)防性維護(hù)，以便在整個(gè)使用壽命期間從磁帶卷繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段做出最佳選擇。生命周期成本模型可以應(yīng)用于連續(xù)和不連續(xù)的帶纏繞機(jī)械。

　　最后一部分

　　關(guān)注使用ambliFibre帶纏繞系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品，Life Cycle Engineering評(píng)估了環(huán)境影響和生命周期情景。環(huán)境性能是復(fù)合管和壓力容器的基準(zhǔn)。詳細(xì)評(píng)估考慮了原材料，運(yùn)輸工具和制造以及報(bào)廢使用情況。開發(fā)了一個(gè)用戶友好的網(wǎng)絡(luò)工具，用于確定主要的環(huán)境指標(biāo)，例如不同生命周期情景的碳足跡。有了這個(gè)工具，就可以評(píng)估和展示綠色生產(chǎn)戰(zhàn)略的潛力和效率。

　　結(jié)論

　　用熱塑性纖維增強(qiáng)塑料代替金屬為海上應(yīng)用提供了巨大的潛力，例如深水應(yīng)用中的立管系統(tǒng)，因?yàn)檫@些材料的高強(qiáng)度重量比顯著提高了結(jié)構(gòu)的可支撐自重。復(fù)合層可以通過自動(dòng)激光輔助帶纏繞工藝制造，ambliFibre項(xiàng)目設(shè)法將工藝穩(wěn)定性和質(zhì)量保證提高到另一個(gè)層次。新的仿真和數(shù)據(jù)挖掘工具開辟了減少新生產(chǎn)場景的加速時(shí)間的可能性，并與新型自適應(yīng)激光光學(xué)系統(tǒng)和高速熱像儀相結(jié)合，可靠地控制過程結(jié)果。附加模塊在過程中監(jiān)控層之間的合并質(zhì)量，并向操作員提供即時(shí)反饋。用于評(píng)估系統(tǒng)維護(hù)策略和產(chǎn)品環(huán)境性能的模型支持創(chuàng)建可持續(xù)和可靠的系統(tǒng)技術(shù)和輕量級(jí)產(chǎn)品。除了用于制造管道的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)之外，還為該行業(yè)開發(fā)了用于諸如壓力容器和組合生產(chǎn)單元的組件的不連續(xù)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的模塊化方法允許客戶調(diào)整激光輔助帶纏繞的制造系統(tǒng)，以適應(yīng)其應(yīng)用和產(chǎn)品。用于評(píng)估系統(tǒng)維護(hù)策略和產(chǎn)品環(huán)境性能的模型支持創(chuàng)建可持續(xù)和可靠的系統(tǒng)技術(shù)和輕量級(jí)產(chǎn)品。除了用于制造管道的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)之外，還為該行業(yè)開發(fā)了用于諸如壓力容器和組合生產(chǎn)單元的組件的不連續(xù)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的模塊化方法允許客戶調(diào)整激光輔助帶纏繞的制造系統(tǒng)，以適應(yīng)其應(yīng)用和產(chǎn)品。用于評(píng)估系統(tǒng)維護(hù)策略和產(chǎn)品環(huán)境性能的模型支持創(chuàng)建可持續(xù)和可靠的系統(tǒng)技術(shù)和輕量級(jí)產(chǎn)品。除了用于制造管道的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)之外，還為該行業(yè)開發(fā)了用于諸如壓力容器和組合生產(chǎn)單元的組件的不連續(xù)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的模塊化方法允許客戶調(diào)整激光輔助帶纏繞的制造系統(tǒng)，以適應(yīng)其應(yīng)用和產(chǎn)品。