用于复合材料制造的激光模板
Hexcel盐湖城鸟瞰图碳纤维线

这张Hexcel盐湖城园区的鸟瞰图的前景是该公司最新的碳纤维线,包括位于右边第二幢大楼的13号线和14号线。这座建筑的碳纤维生产始于2016年。源| Hexcel

碳纤维的化学组成显然是简单的——碳原子排列成六边形石墨结构的链——可能给人的印象是,它的制造也很简单。毕竟,碳纤维的生产是一个化学过程,使用热,紧张和时间有机前体纤维(通常是聚丙烯腈)转换成碳纤维,然后组织成说明牵引和伤口上一轴向客户交付——织布工,prepreggers和复合材料制造商。

最终的产品是一个-磅-提供强度,刚度和耐久性不同于世界上任何其他制造材料提供。它是商用和国防飞机结构、汽车和卡车结构、风力涡轮机叶片、船舶、体育用品等的关键部件。在过去的40年里,它从一种不起眼的、很少使用的、难以加工的高级材料演变成了现代制造业的主要材料。作为全球复合材料制造业健康状况的晴雨表,碳纤维的全球供应及其需求受到密切关注。

然而,事实上,制造碳纤维的“简单”化学转变,尽管自20世纪60年代末现代开始以来取得了巨大进展,但却是一个复杂的、资本密集型和令人畏惧的过程,只有全球少数几家公司在实践。这些生产商都有制造碳纤维的悠久历史,并依赖于精心培育和严格控制的配方,这提供了非常宝贵的竞争优势。(这篇文章并不是对碳纤维制造过程的完整描述;为此,看到连续波“s”碳纤维的制造”)。

正是由于这些原因,获得使用现代化的碳纤维生产线是很难实现的。然而,赫氏(美国康涅狄格州斯坦福德)是世界上最大的碳纤维供应商之一CompositesWorld和所提供的规模,精度,速度和质量是世界级的碳纤维生产过程的标志的一瞥。

Hexcel盐湖城PAN筒子架生产线13号

海克斯的碳纤维生产始于数百个PAN原丝筒子架,就像这个。Hexcel称这些筒子架为“奶酪”,这是一个纺织术语,源于这种材料在这个阶段看起来像一个奶酪轮。PAN纤维被解开,拉紧,然后运送到碳纤维制造的第一阶段:氧化。源| Hexcel

什么是Hexcel

碳纤维线连续波位于美国犹他州西谷市的碳纤维制造园区,就在盐湖城的西南部。这里有14条碳纤维线,包括该公司最老的和最新的。Hexcel还在西班牙伊莱斯卡斯和法国鲁西永生产碳纤维,并在阿拉巴马州迪凯特生产聚丙烯腈(PAN)。美国和鲁西永。总的来说,该公司的全球和名牌年产能超过1.6万公吨碳纤维,其中95%来自盐湖城厂区,年产4.5万公吨里程碳纤维拖带公司碳纤维总生产能力仅次于东丽(日本东京),是全球最大的航空中模碳纤维生产商。

当然,和大多数碳纤维制造商一样,海力士也生产其他产品,包括树脂系统、预浸料、胶带、织物、粘合剂、蜂窝芯、模具材料以及一些成品部件和结构。然而,大部分业务都围绕着公司的利益HexTow碳纤维品牌,包括AS4、AS7(高强度)等知名产品;IM7、IM8、IM10和IMA(中模量);HM50、HM54、HM63(高模量)。

Hexcel生产的大多数碳纤维有3K、6K和12K两种,主要针对航空、国防和其他高性能应用。海力士是空客A350 XWB飞机碳纤维预浸料的主要供应商,为每架飞机提供的产品总价值约为480万美元。公司2019年的销售额约25亿美元,黄金位置与东丽竞争,帝人,苏威和其他人对下一代的碳纤维从波音和空客飞机预计在未来十年以及新兴汽车、城市流动和能源领域。

Hexcel盐湖城PAN拖前氧化

当PAN从奶酪上解开时,每根拖绳都经过靠近天花板的绕线器,并排排列。这些拖带,跨度约2米宽,然后通过工厂地板附近的另一个卷扬机,然后水平通过墙上的缝隙进入氧化炉。源| Hexcel

它是如何来到这里

当1946年Hexcel在旧金山附近成立时,这一切似乎都不太可能。当时,该公司名为“加州增强塑料”(California Reinforced Plastics),生产蜂窝芯。创始人罗杰·斯蒂尔(Roger Steele)和巴德·休斯(Bud Hughes)曾就读于加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley),专注于开发蜂窝芯/玻璃纤维夹层结构,用于航空航天制造。这家公司成立于休斯的地下室,1954年更名为Hexcel Products Inc.,之前成功赢得了几份国防合同。随着生产业务的成熟,Hexcel在伯克利成立了一家真正的制造工厂。

1962年,Hexcel的材料被应用于友谊二世胶囊,载着宇航员美国约翰·格伦送入地球轨道。Throughout the 1960s and 1970s the company grew, acquiring ancillary businesses, and expanded outside the U.S. Hexcel saw its products applied on NASA’s Space Shuttle and, in 1986, the company built a production facility in Arizona to support its involvement in the B-2 bomber program.

然而,到了1993年,Hexcel的业务已经过于分散,开始在财务上挣扎,并申请破产保护,两年后经过重组和重组才得以出现。不久之后,Hexcel在1996年收购了汽巴-盖基的复合材料业务,以及总部位于盐湖城的Hercules的复合材料业务,这可能是该公司历史上最重要的收购。在此过程中,该公司将其全球/企业总部从加州搬到了康涅狄格州。

到目前为止,海力士的复合材料生产产品包括预浸料、织物、芯材和粘合剂。通过收购大力士,海力士首次进入碳纤维制造领域。而Hercules则于1971年开始在盐湖城生产碳纤维,使用由纺织和化学巨头Courtaulds(英国考文垂)和住友(日本东京)开发并获得许可的前体和生产技术。Hercules是一家为国防和武器系统提供零部件的供应商,在1996年被迫出售其碳纤维业务,因为一系列项目的取消造成了碳纤维市场的过剩产能。

在收购了Hercules业务之后,Hexcel实现了20年的大幅增长,这在很大程度上反映了复合材料行业本身的扩张,推动碳纤维应用于几个备受瞩目的国防和航空航天项目。这些机型包括空客A380、波音787、空客A350、空客A400M、GEnx发动机、LEAP发动机、空客A220以及各种商务机、直升机和运载火箭。碳纤维也开始进军其他市场,包括汽车、风能、医疗、海洋、个人电子等。

Hexcel盐湖城PAN纤维氧化,变色

随着PAN纤维通过氧化炉,它们逐渐改变颜色,从白色到金色,到深黄铜,再到棕色,然后是黑色。这里的温度是200-300°C;这是一个高度放热的过程,温度和气流必须仔细控制。源| Hexcel

在这一浪潮中,海克斯继续扩大其在盐湖城的业务,并在21世纪初在世界各地建立了新的纺织和预浸设施,包括法国、德国、西班牙、摩洛哥和中国。自1996年收购大力神以来,海力士的碳纤维产能增加了两倍多。

碳纤维制造是一个众所周知的资本和能源密集型行业,仅一条2000公吨的世界级生产线就需要价值6000万美元的设备。此外,一条线路的建设通常需要两到三年才能完成。正因为如此,碳纤维生产商很难对需求增长做出快速反应。其结果是形成了一种事实上的商业模式,这种模式需要成熟和已知的技术、耐心、雄厚的资金和愿意玩一场长期的ROI游戏。这也为尚未生产碳纤维的公司制造了一个重要的进入壁垒,因此世界碳纤维制造商的名单相对较短,而且增长不快。

从历史上看,许多碳纤维生产商都只生产一条生产线,只生产一种类型的碳纤维,其目标是利用规模经济和无或最小产品差异带来的效率。这种策略的弱点在于,某条生产线的纤维需求减少,可能会导致生产商放慢或停止生产线生产,从而拖累盈利能力。相反,如果生产能力已经最大化,或者客户需要新设计的不同纤维,那么对某一特定纤维的需求就很难满足。

应对碳纤维生产繁重的资金需求的一个策略是建立具有灵活性的生产线——根据客户和市场需求,能够生产一种以上的纤维类型。这是海力士在盐湖城和其他工厂成功采用的战略。

heexcel的碳纤维生产线

赫赛克斯的碳纤维生产基地位于西谷市,位于85号高速公路以东的高原上,距盐湖城市中心西南20分钟车程。这处房产大约有一英里长,最宽的地方有四分之一英里宽,这里汇集了新旧建筑,讲述着这个地方从20世纪60年代末到今天的演变故事。一些原始的大力神碳纤维线被安置在相对较小的建筑中;最新的生产线很难被忽视——巨大的,四分之一英里长的庞然大物,掩盖了当今碳纤维制造的标志的规模和强度。CW的海克斯的参观是在校园西端的一栋新建筑里进行的,那里有两条碳纤维线。连续波在我们参观的那天,第13行显示的是为空客A350生产IMA纤维。

Hexcel盐湖城碳纤维灯板

碳纤维,在这里的灯板前面,呈现出其特有的黑色氧化后。下一步是最重要的炭化,通过通过两个熔炉来完成。第一个(400-900°C)和第二个(1000-1500°C)熔炉燃烧掉大约一半的纤维质量,并确定最终的纤维性能。对于其高模量纤维,Hexcel使用第三个熔炉(2000+°C)来实现石墨化。源| Hexcel

我们的向导是LaRhea McBee,她是资深的碳纤维技术支持工程师,也是西谷市碳纤维制造业务的老手,她的第一份薪水是在1985年从Hercules公司拿到的。McBee带我们来到大楼东端的13号线,解释说,虽然13号线目前使用的是IMA纤维,但可以配置为生产任何Hexcel中间或标准模量碳纤维。

我们的第一站是一大排装着供碳纤维生产线使用的白色PAN纤维拖带的筒子架。这些PAN筒子架,也被称为“奶酪”(一个纺织术语,因为缠绕的纤维看起来像奶酪轮),被组织成四个部分,架子的两侧各有两个部分。每个奶酪架都有编号和条形码,以提供完全的追溯性。

这种形式的PAN有点易碎,所以首要目标是尽可能小心地将PAN从每个筒子架上拖出并送入碳纤维线中。McBee说:“我们正试图在尽可能少的损坏情况下将纤维从线轴上输送出去,以提供高质量的成品。”“这是重要的第一步。”所有的拖带都被拉向同一个方向,朝向一堵墙,这堵墙将饲料架室和碳纤维线的其余部分隔开。当它们靠近墙壁时,这些纤维束会并排放在一起,形成一条2米宽的纤维带,垂直向下,穿过靠近天花板的一个滚筒,向下到达地板,再向下到达另一个滚筒,然后水平向下到达墙壁上的一个缺口。

这是一个在这一点上,聚丙烯腈纤维开始氧化过程,在制造过程中最耗时的一步。在此,纤维通过一系列的氧化炉的在200-300℃下卷绕并逐渐拉伸并稳定化。的时间,温度和在这个阶段,纤维的张力影响密度,拉伸强度和最终产品的拉伸模量。氧化是放热过程,因此温度和空气流必须被严格控制。的PAN纤维,当他们离开筒子架架在前面的室,其呈白色,逐渐转黄铜金色,然后深褐色,然后黑色,因为它们卷起并通过氧化期间炉。

在氧化之后,纤维进入热解/碳化阶段,首先通过低温(400-900°C)炉,然后是高温炉,温度范围在1000 - 1500°C。这是生产过程中最重要的一步,当纤维变成众所周知的纯黑色时,多达50%的纤维会被烧掉。纤维的极限密度、拉伸强度和拉伸模量是在热解/碳化过程中确定的。

海克斯盐湖城成品碳纤维缠绕

碳化,表面处理和上浆应用程序之后,每个丝束被分离并卷绕到数百的碳纤维生产线的端部排列线轴之一。这里,赫氏员工仔细监测碳纤维的各阀芯和DOFF(删除)的量的完整的人到用于检查的储存容器中。每个卷轴条形码以匹配从该纤维开始制造过程中的PAN筒子架的条形码。源| Hexcel

不论纤维类型,曾经的PAN纤维现在是碳纤维,它以化学惰性状态从最终的炭化炉中出现;现在设置了主要的纤维属性。该工艺的下一步是表面处理,纤维束通过一个提供额外氧化和准备纤维表面施胶应用的浴槽。然而,在此之前,生产线上的操作人员从拖带中提取纤维样本,用于统计过程控制(SPC)和质量控制评估。随后,纤维的大小,以改善材料的物理处理属性。McBee说,Hexcel已经开发了六种浆料,旨在适应不同的纤维格式和树脂的使用。尺寸水平在0.2-1.6%之间。McBee还指出,Hexcel可以选择不给碳纤维尺寸,以便与热塑性树脂基体一起使用。

最后,在离我们出发的地方足足200米的地方,碳纤维拖绳穿过另一堵墙,进入缠绕和包装室。它们从大约15英尺的高度进入,并通过间距很大的引导,将纤维引导到生产车间,在那里,一排排约30米长的绕线机接收纤维。每根拖把(总共有数百根)缠绕在一个线轴上,这个线轴上的数字和条形码与我们在参观之初遇到的PAN奶酪相同。一个数字计数器告诉操作员已经传输了多少米的光纤。McBee说,纤维缠绕是纤维生产中最复杂的部分,因为纤维必须处于恒定和正确的张力下才能形成良好的线轴。

成品线轴的大小各不相同,但最高可达4.5公斤的碳纤维,当满的线轴时,可以手动从绕线机中取下,并放置在绕线区域的几个船运集装箱中的一个。“这是成品,”McBee说。“外观对我们的客户来说很重要。”

在绕线后,完成的线轴被移动到生产线后面的最后一站,在那里六轴机器人会自动视觉检查每一个线轴的缺陷。未通过检查的线轴被搁置一旁;那些合格的被重新装箱,并准备运往另一家Hexcel工厂进行预浸或织造,或运往外部客户。

Hexcel盐湖城碳纤维线轴包装

在卷绕后,每个线轴都会被自动扫描和评估质量。那些通过检查的产品被聚苯乙烯包裹起来,然后装箱,运往预浸剂或制造商。海克斯在盐湖城的校园里每天生产4.5万英里的碳纤维拖车。源| Hexcel

碳纤维的企业

只要在海克斯位于盐湖城的园区呆上一小段时间,你就会很快发现,碳纤维生产的工业化已经有了很大的发展。老的、小的工厂和大的、新的工厂(如第13行)紧密相连的组合说明了这个行业是如何迅速成熟的。赫excel全球纤维总裁布雷特·施耐德(Brett Schneider)是该公司碳纤维制造战略的主要负责人,他表示,过去十年碳纤维生产的规模和效率帮助降低了成本,提高了质量。

“线长,面广,速度快而密,”他补充说,技术和化学知识,以使数据相结合,给所有的碳纤维生产商更深入地了解生产过程。“统计数据给我们带来了知识,AI [人工智能]给我们带来了知识,规模已经给我们带来了知识。”

他说,十年前,“有一些东西——亚原子的东西——我们以为我们了解碳纤维制造,但无法测量。我们现在可以测量它们,这帮助我们看到,今天还有更多我们想要测量和控制的东西,但我们还没有做到。”例如,他说,纤维表面特征过去是用显微镜测量的,从照片证据中得出推论和结论。今天,这是通过直接测量纤维原子级数据来实现的。

展望未来,施耐德相信,Hexcel在其碳纤维生产线上的产品灵活性,使公司能够满足越来越复杂而不是更少的市场需求。他指出:“在这个过程中有三个变量:时间、温度和张力。”他补充说,在短短几个小时内,Hexcel就可以将一条碳纤维生产线从一种碳纤维产品转换为另一种碳纤维产品。“我们已经建立了可以控制时间、温度和张力的资产,使我们能够重复、快速和有效地生产不同的产品。”

施耐德说,随着进入2020年(大流行前),碳纤维市场总体上处于多种纤维的供求平衡,这取决于纤维类型、丝束计数和应用。然而,这种平衡是“紧张的”,这意味着来自市场或客户的需求激增可能会使供应链陷入纤维类短缺。施耐德特别指出了那些有望增长并受到密切关注的终端细分市场。这些领域包括城市空气机动(UAM)、空间、航空航天、国防、汽车、风能、压力容器以及石油和天然气。

Hexcel盐湖城碳纤维线13和14外部

Hexcel盐湖城碳纤维线13和14,外观。源| Hexcel

所有这些问题,因为碳纤维生产国如赫氏不成比例地受到过度的范围事件,主要是因为长的准备时间, - 3年 - 更换,以建立一个新的生产线。“我们不一定知道我们的客户将用于消费或技术选择下一步,”施奈德说,“但是,当他们做出选择,我们必须做好准备的产品和资产,可以做的工作。”因此,产物的柔性生产线。

与未来的不确定性应对是一个赫氏全职工作,施奈德报告。公司跟踪趋势和可能影响复合材料的吸收一般事件,和碳纤维尤其如此。这些包括各种各样的GDP增长,航空交通英里,航天和国防的目标和轻量化的期望在许多领域宏观的评论。

“我们期待在所有这些事情通过我们的战略规划流程,”他说,“我们与业界紧密合作,准备支持我们的客户希望与刚刚在时间的资产准备和物资交付模式的增长。我们与客户的目标是一致的开发新技术,然后建立资产,可提供灵活和可靠的供应链,以帮助他们实现应用和生产过程中这些目标。”

无论冠状病毒大流行的短期影响如何,由于世界需要更轻量化的性能,即使目前全球碳纤维供应充足,也肯定必须增长以满足未来的需求。

施耐德说,Hexcel位于盐湖城校区,地处内陆,这限制了那里的产能扩张。Hexcel在阿拉巴马州迪凯特的设施。然而,美国、西班牙的伊莱斯卡斯和法国的鲁西永都有发展空间。他说:“当我们需要扩张时,我们有相应的计划,并准备这样做。我们拥有强大的技术和必要的资金来支持我们的客户和行业未来的增长需求。”

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