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从太空收获的制造经验教训

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点击次数:79 更新时间:2021年02月25日14:54:48 打印此页 关闭
   
  Manufacturing lessons from space  
              

陆地产品制造商如何从航空航天制造方法中受益

建造飞机和宇宙飞船是人类有史以来遇到过的最独特的工程和制造挑战之一。幸运的是,想要学习火箭科学,不一定非要去造火箭。大多数产品的制造商,可以通过研究航空航天业为了克服废料、返工和工程变更等生产障碍,所采用的一些方法来提高生产效率和盈利能力。

SWaP-C 因子

精神航空、吉凯恩集团、波音、空中客车、Albany Engineered Composites 和 SpaceX 等使用复合材料的组织,不会分享他们的专有流程,但是在工程和制造方面却面临着共同的难题。航空航天业以及所有其他的垂直制造业,必须考虑尺寸、重量、功率和成本。而且,他们必须将这些元素纳入完整的系统或产品方案中。

FARO® 激光投影产品经理 John Earnshaw 这样介绍道:“军事和航空航天设计中会用到一个词,叫做“SWaP-C”,代表尺寸、重量和功率。而最后的 C 则表示成本。你可以在维持强度和质量的同时,减小尺寸或重量系数。这样,SWaP-C 公式中的功率和/或成本因素就会获得正面影响。”

在航空航天业,复合材料因出色的强度重量比,已成为主流。在 SWaP-C 框架内,部件更轻意味着飞行器消耗的功率更少,从而带来多种好处,例如飞行时间更长、节省燃料,或是有效载荷更大。基本上,运载火箭越轻,可以携带的有效载荷就越大,使用的燃料也越少。

与使用传统物理模板的方法相比,使用激光投影解决方案通常可节省 50% 到 75% 的劳动力。

根据生产量的多少,投资回报周期通常为一年或者更短。

引入复合材料后,其独特的性能对 SWaP-C 公式中的重量和功率产生了奇妙的影响。但不幸的是,使用复合材料的工程和生产活动固有劳动密集型属性,当然没办法减小成本因子。而激光投影技术正在帮助企业改变这一现状。

将航空航天的制造理念带到地面

许多情况下,既有的生产方法都是技术限制的产物。技术进步为打造更有效的施工方法带来了机遇,从而改进了 SWaP-C 原则中一个或多个要素。这不仅适用于航空航天业,而且适用于所有垂直制造业。其中包括造船、汽车、卡车和拖车、小型飞机、海事/私人游艇和船只制造、风力涡轮机,以及任何其他复合材料组装厂,包括航空航天业 1 级、2 级和 3 级供应商。几乎所有认为产品强度和重量至关重要的公司,都应该考虑使用复合材料。


如果说复合材料的使用是航空航天业能够成长为一个产业的关键所在,那么激光投影技术的使用则是让复合材料作为一种高性价比材料出现在一般制造领域的头号功臣。


FARO 大客户经理 Jerry Reitmayer 对复合材料行业了如指掌,他介绍道:“如果要使用复合材料来制造自行车赛车、船体或是风力涡轮机转子之类的东西,就要最大限度减轻重量、提高强度。此时,细节设计将发挥用武之地。我们必须决定哪个部分要使用多少层,才能在减轻重量的同时强化结构。激光投影已成为复合材料领域的杰出工具,因为你可以在特定区域,定位到涂层内的小部件。”


绝大多数复合材料涂层都有几层。使用卷尺测量和 Mylar® 模板等过旧的工具,会使敷层过程变得缓慢、乏味,有时甚至不够精确。如果使用 Mylar 模板,则只是铺满整个表面并为下一聚合物层找到适当 Mylar 的这一过程(有时称为非铺层时间),就会减慢生产效率和降低产量,更不用说每一次工程变更都需要一个新的模板。


而与之相对的是,在此过程中,激光引导的敷层会分步将正在构建的混合物层图像直接投射到表面。

Quips Reitmayer 说道:“在开发和推出新产品时,工程变更单 (ECO) 的数量多到令人难以置信。如果必须为每个 ECO 创建一个新的 Mylar,那时真是连买 Mylar 公司股票的想法都有。”


 Projection of multiple plies


TracerM 将多个层的影像投射到复合材料模具上

 

快速进行工程变更的能力(例如添加分段的层)为提升工程设计和应用创建出巨大的机会,而这只是因为一直以来,人们认为这项技术只属于航空航天业。

不必再花费时间构建实体模板,对于降低创新和制造成本而言至关重要。使用激光投影能够大幅减少 ECO 过程的痛点。当 CAD 模型发生更改后,激光投影更改会上传到控制投影仪的电脑上,并且相关更改将立即在下一个生产单元实施。

激光投影在生产车间的应用

对于绝大多数复合材料制造商而言,是刚好达到收支平衡,还是实现盈利,关键就在于能否有效管理风险。

根据部件的大小和复杂程度,以及部件可能在生产线上走多远,一起废料事件的成本少则几十元,多则数十万元不等,有时甚至会达到数百万美元。然而,问题远不“只是”废料事件成本这么简单。尽管人工和碳纤维组件的成本很高,但有时一个排期影响即可牵动整个生产流程的神经。生产环节的延误有时会导致合同罚款,其金额甚至比报废材料的成本还要高。

利用电脑和激光引导组装,企业可以大大减少敷层过程中出现缺陷的可能性。和其他行业一样,在航空航天领域,最熟练的工人通常都会被安排在主要班次。当还有第二个或第三个班次时,可能会出现“班次效率低下”,或技能水平和工作效率降低等情况。FARO TracerM 等激光引导的组装解决方案,能够解决这一问题。


  Projection on Composite


复合材料翼尖小翼模具上的投影

 

投资回报

对于可以缩短产品推出周期的技术,大量快速原型设计外包服务证明了它们的价值。甚至航空航天业以外的制造商也发现,在许多情况下,在自己的工厂中使用激光投影技术对业务具有帮助作用。

与使用传统的物理模板方法相比,使用激光投影解决方案通常可节省 50% 到 75% 的劳动力。

对于某些公司而言,只需一个月即可看到 FARO TracerM 解决方案的投资回报 (ROI) 或回收。根据生产量的多少,投资回报周期通常为一年或者更短。考虑到 TracerM 通常拥有十年的使用寿命时,其长期投资回报率是非常可观的。

它不像火箭科学一样高深莫测;再加上组装和敷层时间更短、质量和精度更高、减少或消除了废料和返工,对任何组织或行业而言,这些都增加了投资回报。

结论

制造业有一条古老的格言,类似于以下描述;

今日菜单:

  • 优质
  • 快速交付周期
  • 低价
  • ...请任选两.

激光投影之类的技术可能正在侵袭这条格言。它其实只是商业上一道简单的数学等式。更高的生产效率+更少的返工=更低的生产成本。更低的生产成本=更高的利润率。更高的利润率让您能够以更低的价格出售高品质的产品,并且仍然可以增加收入。

从航空航天到汽车,再到定制化自行车,如果您没有使用最好的技术,就无法创造出最大的价值。

 
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