sensXPERT 技術(shù)

關(guān)鍵主題：

• Netzsch收購DEA技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室外推廣
• NedgeX 孵化器，sensXPERT 風(fēng)險(xiǎn)投資
• Alpha 客戶和用例
• 基本組件
• 安裝過程是如何工作的？
• 流程透明度和優(yōu)化
• 與熱塑性復(fù)合材料一起使用？
• 進(jìn)一步應(yīng)用，與供應(yīng)鏈合作

無論是飛機(jī)機(jī)翼、汽車保險(xiǎn)杠梁還是自行車車架，數(shù)字工具和模擬對成功設(shè)計(jì)復(fù)合材料零件的重要性都已得到充分證實(shí)。在過去的十年里，這些數(shù)字工具也擴(kuò)展到了過程的模擬和建模中，以探索材料與過程的相互作用，并在生產(chǎn)開始前解決問題。

如今，大多數(shù)制造商使用各種傳感器來收集機(jī)器和工藝數(shù)據(jù)（例如，溫度、壓力、成型時(shí)間），這些數(shù)據(jù)可以輸入到這些模擬中，但如果可以實(shí)時(shí)進(jìn)行建模，使成型過程適應(yīng)每個(gè)單獨(dú)的零件，該怎么辦？

這就是sensXPERT技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的，但它不是創(chuàng)建數(shù)字模型，而是收集機(jī)器和工藝數(shù)據(jù)，并將其與模具中的介電分析（DEA- dielectric analysis）傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，該傳感器監(jiān)測聚合物和復(fù)合材料的粘度和固化行為。然后，它通過邊界設(shè)備應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，讓制造商了解零件內(nèi)部的實(shí)際情況，并動態(tài)控制每個(gè)零件的循環(huán)時(shí)間。

 

 

SensXPERT使用邊界設(shè)備從其DEA傳感器和第 三方傳感器收集數(shù)據(jù)，然后用軟件分析這些數(shù)據(jù)，以跟蹤固化/聚合/結(jié)晶度、Tg、材料粘度等（頂部）

該數(shù)字模具技術(shù)可用于各種塑料和復(fù)合材料工藝，包括注射成型、壓縮成型、樹脂注入和樹脂傳遞成型（RTM），以及預(yù)浸料的熱壓罐固化。它使制造商能夠停止固化過程，例如，當(dāng)達(dá)到所需的固化/聚合度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）時(shí)。它還能夠跟蹤材料的粘度和流動前沿位置，以及材料的偏差，幫助確定如何調(diào)整工藝以防止報(bào)廢零件。

通過應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，sensXPERT可以實(shí)現(xiàn)材料行為的實(shí)時(shí)表征，并調(diào)整過程以改進(jìn)質(zhì)量控制和動態(tài)循環(huán)時(shí)間。這就提高了效率，降低了能源消耗，為復(fù)合材料供應(yīng)商和零部件制造商提供了一種提高可持續(xù)性的新工具。

sensXPERT的歷史：Netzsch收購DEA技術(shù)

sensXPERT技術(shù)由Netzsch（德國塞爾布）開發(fā)，該公司成立于1873年，分為三個(gè)部門：泵與系統(tǒng)、研磨與分散以及分析與測試。2000年， Netzsch收購了 Holometrix Micromet（美國馬薩諸塞州貝德福德）及其從麻省理工學(xué)院剝離的 DEA 技術(shù)。

多年來，Netzsch分析和測試業(yè)務(wù)部門開發(fā)并銷售了用于實(shí)驗(yàn)室的 DEA 技術(shù)。然而，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展， Netzsch Process Intelligence董 事 總 經(jīng) 理Alex Chaloupka表示，“我們決定超越基于實(shí)驗(yàn)室的熱分析的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，轉(zhuǎn)向制造環(huán)境，以在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)真正的效益。”

Chaloupka于2016年加入Netzsch Analytical and Testing，在那里他工作了兩年，以提高DEA傳感器技術(shù)的信號質(zhì)量和使用碳纖維的能力，因?yàn)樘祭w維是導(dǎo)電的，所以會產(chǎn)生短路。“然后在2018年，我們決定在Netzsch 分析和測試中創(chuàng)建一個(gè)新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，用于流程分析，”他解釋道。“我的工作是將我們的DEA技術(shù)應(yīng)用到全球各地的生產(chǎn)應(yīng)用中，并獲得客戶實(shí)際需求的反饋。在這樣做的同時(shí)，我們在開始這項(xiàng)新業(yè)務(wù)的第一年和第二年的收入都翻了一番。”

什么是介電分析(DEA)？

《復(fù)合材料世界》寫了很多關(guān)于傳感器技術(shù)以及如何使用它們來改進(jìn)復(fù)合材料制造的文章。介電傳感器或介電分析（DEA-dielectric analysis）是我們所涵蓋的主要技術(shù)之一，因?yàn)樗軌蛟诔尚瓦^程中原位評估聚合物或復(fù)合材料的實(shí)際狀態(tài)，包括其固化程度和Tg，從而能夠管理對材料實(shí)際狀態(tài)的處理，而不是傳統(tǒng)的時(shí)間和溫度配方。

憑借sensXPERT，Netzsch將DEA技術(shù)先進(jìn)到了快速發(fā)展的材料信息學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了基于傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器過程數(shù)據(jù)和 sensXPERT機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)時(shí)動態(tài)材料行為預(yù)測。

NedgeX 孵化器、數(shù)據(jù)科學(xué)、sensXPERT 風(fēng)險(xiǎn)投資

“然后我們分析了下一步該做什么，”Chaloupka繼續(xù)說。“我們有很好的測量技術(shù)和一些可以分析介電數(shù)據(jù)的客戶，但對他們來說，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為附加值并不一定容易。因此，我們決定，我們真正需要的是一種新水平的數(shù)據(jù)科學(xué)——一種將實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與生產(chǎn)環(huán)境相匹配的方法，將來自傳感器的信息與機(jī)器參數(shù)和可能影響零件生產(chǎn)過程中材料行為的影響因素相結(jié)合。”

2019年，Netzsch創(chuàng)建了NedgeX，這是一家數(shù)字孵化器公司，與全球 4600 名員工合作，為初創(chuàng)公司尋找具有新想法和商業(yè)模式的團(tuán)隊(duì)，并支持大學(xué)的新開發(fā)和發(fā)明。

Chaloupka說：“2019年，我向我們的審查委員會提出了sensXPERT和NedgeX 的想法。”。“這就像在 ‘Shark Tank-鯊魚坦克’中一樣：以下是如何使用現(xiàn)有的測量技術(shù)，但配備了新的數(shù)據(jù)科學(xué)，以便將傳感器和材料科學(xué)結(jié)合起來，開發(fā)出一種真正讓客戶受益的全新產(chǎn)品。這家新企業(yè)獲得了批準(zhǔn)，我們于2020年開始作為孵化器企業(yè)。”

Chaloupka 說：“在一年內(nèi)，我們創(chuàng)造了一種最低可行的產(chǎn)品，包括一種新的邊界設(shè)備和算法，可以在連接到該設(shè)備的云環(huán)境中實(shí)時(shí)計(jì)算Tg和固化度等質(zhì)量參數(shù)。”。“在我們的第一年，我們就在大公司中樹立了知名度。”該團(tuán)隊(duì)還與阿爾法客戶ZF Friedrichshafen（ZF集團(tuán)，德國弗里德里希沙芬）和Carbon Revolution（澳大利亞吉隆）開發(fā)了用例。

Chaloupka 指出：“我們能夠向 Netzsch 的股東表明，這確實(shí)是一款行業(yè)重視和需要的產(chǎn)品。”。2021 年，Netzsch Process Intelligence成立，sensXPERT 作為其首款商業(yè)技術(shù)產(chǎn)品成立。

Chaloupka 解釋道：“因此，我們從 Netzsch 分析和 測試公司的一個(gè)四人小組開始。”，“現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)展到 34 人。這個(gè)團(tuán)隊(duì)可以專注于我們的客戶，因?yàn)橹?造、運(yùn)輸和會計(jì)等服務(wù)外包給了我們已經(jīng)擁有必要結(jié)構(gòu) 的姐妹企業(yè)，這是在 Netzsch 集團(tuán)內(nèi)運(yùn)營的另一個(gè)好處。”

Alpha 客戶和用例

 

SensXPERT與ZF合作，使用模內(nèi)傳感器（右上）分析電動汽車控制單元電路板的 環(huán)氧模塑化合物材料的轉(zhuǎn)移模塑（左上），以提供有關(guān)循環(huán)時(shí)間和材料偏差的數(shù)據(jù)（下）

Chaloupka 描述了 sensXPERT的首批客戶之一，ZF集團(tuán)：“它是最大的一級汽車供應(yīng)商之一，生產(chǎn)用于動力總成的金屬和塑料部件，如用于車輛控制單元的電子 電路板。我們與采埃孚一起撰寫了一篇關(guān)于電子封裝的 技術(shù)論文，該論文涉及使用環(huán)氧模塑料的轉(zhuǎn)移成型工藝。這些材料是不均勻的，需要一個(gè)大約1.5到3分鐘的快速固化過程。”

ZF 正準(zhǔn)備開始批量生產(chǎn)OEM的下一代電動機(jī)控制系統(tǒng)。Chaloupka 說：“我們研究了他們制造過程中的材料行為，發(fā)現(xiàn)有可能將循環(huán)時(shí)間縮短約21%。”。“我們還可以看到工藝中的材料出現(xiàn)了偏差，即使我們與 ZF 合作，確保使用一批材料連續(xù)制造的100個(gè)零件的所有工藝和材料參數(shù)都相同。”

為什么這是個(gè)問題？Chaloupka 解釋道：“如果我們遵循材料供應(yīng)商在材料實(shí)驗(yàn)室測試中制定的規(guī)定工藝配方，我們最終會得到 100 個(gè)好零件。”。“但事實(shí)上，每一個(gè)零件都是不同的。為了解決這個(gè)問題，材料供應(yīng)商和模具制造商在循環(huán)中增加時(shí)間，以提供一種安全裕度。但使用我們的數(shù)字模具技術(shù)，我們可以通過研究影響固化的材料行為和偏差來消除這些安全時(shí)間。我們可以實(shí)時(shí)計(jì)算固化程度和Tg。”

 

SensXPERT 正與航空供應(yīng)鏈和各種樹脂制造商合作，通過使用 HP-RTM 零件的雙組分樹脂系統(tǒng)，減少RTM 的循環(huán)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更大批量、更快的零件制造

另一個(gè)阿爾法客戶是一家飛機(jī)制造商，該公司正在使用 sensXPERT 技術(shù)批量生產(chǎn)碳纖維/環(huán)氧樹脂長桁和蒙皮。Chaloupka 指出：“經(jīng)過幾年的合作，他們現(xiàn)在已經(jīng)在批量生產(chǎn)線中完成了RTM工藝的sensXPERT 安裝。”“在這里，我們已經(jīng)確定了周期時(shí)間可能減少30%。但人們也有興趣將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于不同的制造環(huán)境和未來的開發(fā)計(jì)劃，在這些環(huán)境中，新材料正在帶來新的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。”

Chaloupka 指出，航空供應(yīng)鏈“正在研究使用兩部分樹脂的高壓RTM（HP-RTM），對于真正的大型結(jié)構(gòu)，其循環(huán)時(shí)間約為1.5小時(shí)，而目前的循環(huán)時(shí)間為4-6小時(shí)。”

然而，從目前使用的預(yù)混RTM6樹脂（需要冷藏且保質(zhì)期有限）到在RTM模具中注入樹脂之前混合的長保質(zhì)期雙組分（2K）系統(tǒng)，都面臨著自身的挑戰(zhàn)。繼續(xù)努力確保整個(gè)注射過程和整個(gè)零件的配合比正確。Chaloupka說：“ 我們正在與 CTC和設(shè)備制造商KraussMaffei（德國慕尼黑）合作，進(jìn)行一項(xiàng)資助的研發(fā)項(xiàng)目，在混合頭中安裝傳感器，以測量混合比。”。“挑戰(zhàn)在于混合頭內(nèi)的操作數(shù)量眾多且復(fù)雜，例如湍流，這會影響測量。我們正在分析如何評估混合比，精度是多少，以及如何利用這些信息來改進(jìn)制造。我們也在測量RTM 零件，并將其與混合比直接相關(guān)，我們已經(jīng)看到了趨勢，繼續(xù)與零件制造商和樹脂制造商開展這項(xiàng)工作，因?yàn)槿杂幸恍叶礇Q的問題需要解決。”

 

SensXPERT 使用模內(nèi)DEA 傳感器，一種邊緣設(shè)備和軟件，將 DEA（和其他）傳感器的數(shù)據(jù)加上機(jī)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的、可操作的信息

基本組件

sensXPERT技術(shù)有四個(gè)基本組件：傳感器、邊界設(shè)備、軟件和用于數(shù)據(jù)分析的IT框架。Chaloupka解釋道：“DEA 傳感器通常安裝在模具中，并創(chuàng)建有關(guān)材料行為的信息。”“邊界設(shè)備是一臺小型工業(yè)PC，傳感器連接在這里，從模具中的材料接收信息。邊界設(shè)備配備了介電測量單元，也可以連接到其他傳感器，如其他公司的壓力或溫度傳感器。因此，客戶只需一個(gè)邊界設(shè)備即可接收一系列不同的信號/數(shù)據(jù)流。邊界設(shè)備還與機(jī)器/成型控制系統(tǒng)通信，以便我們可以與生產(chǎn)機(jī)器交換參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)。我們不僅可以接收機(jī)器數(shù)據(jù)，還可以將信息發(fā)送回機(jī)器，以啟動流程操作，或者如果客戶希望直接在機(jī)器的HMI上看到我們的信號之一。”

“這個(gè)工業(yè)PC邊緣設(shè)備還配備了 sensXPERT 開發(fā)的軟件，其中包括機(jī)器學(xué)習(xí)算法，”他繼續(xù)說道。“該系統(tǒng)可以在邊界設(shè)備上執(zhí)行大量分析和機(jī)器學(xué)習(xí)模型執(zhí)行，但實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)培訓(xùn)和再培訓(xùn)需要在云中工作。為此，我們需要一個(gè) IT 基礎(chǔ)設(shè)施，我們將與客戶一起驗(yàn)證。當(dāng)?shù)谝慌鷶?shù)據(jù)生成并制造出第一批零件后，我們將根據(jù)材料科學(xué)和實(shí)時(shí)工藝信息為客戶和用例創(chuàng)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型。”

安裝過程是如何工作的？

Chaloupka解釋道：“客戶告訴我們，他們想優(yōu)化流程。” “然后，我們討論他們的挑戰(zhàn)和長期目標(biāo)。一些客戶希望減少周期時(shí)間或報(bào)廢，而另一些客戶只希望在流程中具有透明度，以了解正在發(fā)生的事情，并圍繞參數(shù)和材料相互關(guān)系建立知識。”

 

sensXPERT 價(jià)值鏈?zhǔn)疽鈭D

“然后我們討論他們在制造環(huán)境中的經(jīng)驗(yàn)，”他繼續(xù)說道。“這對于開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)模型非常重要，這樣它們就不會聚焦在錯(cuò)誤的方向上—不一定測量每一個(gè)參數(shù)，而是旨在解決客戶的挑戰(zhàn)并提供真正的價(jià)值。我們使用源自實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)創(chuàng)建了這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型，但現(xiàn)在正與實(shí)時(shí)過程信息相匹配的傳感器。這讓我們可以分析材料在不同情況下的表現(xiàn)。然后，我們將這些數(shù)據(jù)與機(jī)器數(shù)據(jù)相結(jié)合，以彌補(bǔ)我們從原始實(shí)驗(yàn)室測試中了解到的與我們在不同情況下看到的模具中材料實(shí)際發(fā)生的情況之間的差距。這樣我們就可以將所有這些信息相互關(guān)聯(lián)起來。”

Chaloupka說，這是sensXPERT的真正價(jià)值，因?yàn)?“作為人類，我們并沒有真正的能力獲取10個(gè)過程參數(shù)，并將它們與材料行為和材料科學(xué)聯(lián)系起來，以便知道如果我改變這個(gè)參數(shù)，那么這就是預(yù)期。這對我們的大腦來說太多了，無法快速完成，更不用說實(shí)時(shí)了。”他補(bǔ)充道：“有一些擁有數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)的專家可以快速評估制造違規(guī)行為并調(diào)整正確的參數(shù)。“但并不是每家公司都有這些專家，而且他們的數(shù)量也很少，這強(qiáng)調(diào)了對能夠提供此類援助的技術(shù)工具的需求。”

一旦與客戶最終確定了初始范圍，sensXPERT就會與他們合作安裝傳感器、邊緣設(shè)備和軟件/IT基礎(chǔ)設(shè)施。制造零件并建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型。“然后我們開始數(shù)據(jù)分析和評估過程，”Chaloupka 說。

 

流程透明度和優(yōu)化

工廠車間的 sensXPERT 邊界設(shè)備連接到客戶的內(nèi)部網(wǎng)，使他們能夠訪問系統(tǒng)。Chaloupka 說，理想情況下，它還連接到互聯(lián)網(wǎng)，允許將數(shù)據(jù)發(fā)送到云環(huán)境中進(jìn)行高級分析。他補(bǔ)充道：“我們已經(jīng)開發(fā)了必要的數(shù)據(jù)安全基礎(chǔ)設(shè)施，并習(xí)慣于與大公司的風(fēng)險(xiǎn)評估框架合作，以及為小公司提供必要的援助。”。然后與客戶一起完成安裝的最后一部分。

“然后，從邊界設(shè)備，我們將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到云環(huán)境中，”他繼續(xù)說道，“我們的軟件使用歷史數(shù)據(jù)重新計(jì)算未來的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，這將進(jìn)一步增強(qiáng)這些在邊界設(shè)備上運(yùn)行的模型，并提高識別改進(jìn)領(lǐng)域的能力。同時(shí)，數(shù)據(jù)還被輸入儀表板，用于日常監(jiān)控和操作。”

與熱塑性復(fù)合材料一起使用？

Chaloupka表示，sensXPERT可以與一系列材料配合使用，包括粘合劑、涂層、前驅(qū)聚合物和熱塑性復(fù)合材料。他承認(rèn)：“我們在熱固性樹脂市場中發(fā)展壯大， 95%的現(xiàn)有客戶都是以熱固性樹脂為導(dǎo)向的。”，“但我們正在接觸越來越多的熱塑性塑料客戶。是的，我們可以測量半結(jié)晶熱塑性材料（如 PEEK、PEKK、PAEK）的結(jié)晶，也可以測量無定形熱塑性樹脂的固化。我們有一個(gè)用例，但它是用于己內(nèi)酰胺原位聚合成聚酰胺 6（PA6）六西格瑪產(chǎn)品制造。我們在一家德國公司安裝了一個(gè)系列裝置，該公司正在生產(chǎn)體積半成品，我們必須優(yōu)化不同材料的制造工藝，并針對不同的板厚度采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分（混合比和添加劑）。”

Chaloupka說：“我們也在與那些希望增加可回收 物含量的熱塑性塑料公司進(jìn)行對話。”。“由于歐盟的 新規(guī)定，塑料行業(yè)無法避免使用更多的回收成分，甚至 是消費(fèi)后材料，這使得在成型前更難對每一批材料進(jìn)行 表征。因此，需要能夠處理材料偏差并有助于確保正確 制造的新技術(shù)。這些偏差可能從一個(gè)批次發(fā)生到另一個(gè) 批次，您可能需要在不同的方向上更改許多不同的參數(shù)，才能生產(chǎn)出好的零件。我們正在對此進(jìn)行研究，因?yàn)槲?們可以實(shí)時(shí)查看和評估這些偏差。”

 

原位固化管（CIPP）可以使用紫外線固化 FRP 管襯，用于非開挖維修，而無需挖出舊的腐蝕管道。

進(jìn)一步應(yīng)用，與供應(yīng)鏈合作

該公司已經(jīng)開發(fā)了第二種產(chǎn)品 sensXPERT 管道， 用于對由玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）制成的原位固化管道（CIPP-cured in place pipe）襯里進(jìn)行現(xiàn)場分析。它使用安裝在機(jī)器人上的無接觸 DEA 傳感器，通過管道攜 帶紫外線（UV）光源來固化 FRP 襯里。當(dāng)紫外線穿過 管道時(shí)，這些傳感器使用射頻技術(shù)提供非接觸固化分析。Chaloupka 說：“現(xiàn)在，你可以實(shí)時(shí)看到紫外線的移動速 度，以及是否與最佳固化程度存在偏差。”同樣，動態(tài)處理現(xiàn)在是可能的—— 光源的速度可以隨時(shí)修改。Chaloupka 指出：“你有一個(gè)內(nèi)在的質(zhì)量保證記錄。”“QA 是安裝的一部分，而不是安裝之后。”

sensXPERT首席執(zhí)行官Cornela Beyer 表示：“最初，我們的重點(diǎn)是優(yōu)化塑料和復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝。”， “可持續(xù)性是一個(gè)副作用。但現(xiàn)在客戶的需求已經(jīng)發(fā)生了變化。他們面臨著做出重大改變，以滿足增加生物防護(hù)和/或回收以及減少能源使用的新要求。但他們?nèi)匀恍枰€(wěn)定的工藝和有保證的高性能產(chǎn)品質(zhì)量。我們的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動態(tài)零件生產(chǎn)，他們可以優(yōu)化 r 實(shí)時(shí)處理。但我們更進(jìn)一步，使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來查看它們的所有部分和數(shù)據(jù)，以進(jìn)行預(yù)測。例如，系統(tǒng)可以發(fā)送警報(bào)，表示進(jìn)程正在超出允許的窗口，并建議調(diào)整 X、Y和 Z 以使其恢復(fù)正常。”

“我們不僅僅與零部件制造商合作，”她繼續(xù)說道，“因?yàn)檫@涉及到整個(gè)供應(yīng)鏈，包括機(jī)器制造商、原材料供應(yīng)商和工具制造商。我們已經(jīng)在與材料供應(yīng)商合作，如 Hexcel，為客戶改進(jìn)產(chǎn)品，還與機(jī)器制造商合作，如 KrausMaffei 和注塑專家 Wittmann Battenfeld。我們與零件制造公司合作的勢頭正在改變客戶及其供應(yīng)商的合作。這種模式‘更好地結(jié)合在一起’，我們開始看到這將帶來的下一步發(fā)展。”

注：原文見《Next-gen composites manufacturing: Combining material, machine and mold cavity data with analytics》 2023.9.26

楊超凡 2023.10.6