《英国最大的5G制造项目落户国家复合材料中心》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-03-30
  • 据drivesncontrols网站2020年3月10日刊文,英国政府宣布了迄今为止使用5G进行制造的最大投资——一项900万英镑(合1170万美元)的5G-Encode项目,在布里斯托尔的国家复合材料中心(NCC)安装一个专用5G网络。这个多方合作项目将探索工业环境中专用5G网络的新业务模型,并在实际的工作环境中测试新的5G技术,例如网络剪接和切片。它还将研究5G无线技术在改善复合材料设计和生产过程中的实际应用。

    项目组有11名成员,由总部位于布里斯托尔的网络专业公司Zeetta牵头。其他参与者包括NCC,西门子,东芝,Telefonica,索尔维,贝克休斯,Plataine,Mativision,布里斯托大学和英格兰西部联合管理局(WECA)。国家复合材料中心将作为迄今为止英国制造业最大程度地实施5G技术的试验平台。

    项目将研究三个工业5G用例,以提高复合材料设计和制造的生产率和效率。每一种都有可能为英国制造商节省数亿英镑的费用。他们是:

    • 使用交互式增强现实(AR)和虚拟现实(VR)来改善复合材料制造中的设计、培训和维护;

    • 使用网络拼接来实时跟踪跨越室内外多个工厂以及可能跨越国界的关键资产,网络拼接将成为支持此用例的关键促成技术;

    • 使用5G超可靠低延迟通信来监视和管理工业系统,5G支撑的工业系统将比当前网络技术所允许的响应速度更快,从而可避免制造过程中的浪费。

    项目将研究在工业环境中交付5G的最具成本效益的方法。它还将研究制造业专用移动网络的新业务模型。例如,中立托管,移动运营商共享建筑物内基础设施,以提供建筑物内的全覆盖以及频谱统筹和共享,可以在专用和公用网络运营商之间共享许可和非许可频谱。

    该项目于2月启动,旨在在今年9月之前产生“真实的影响”。它将一直持续到2022年3月,届时预计将在英国的各个制造工厂进行商用5G部署。该项目是文化、媒体和体育部(DCMS)正在运行的工业5G测试平台和试验计划的一部分。

    DCMS大臣表示:“ 5G不仅仅是消费者获得更快、更可靠的速度。我们决心利用这项革命性技术来提高英国工业的生产率和增长。我们希望英国成为5G的世界领导者,自2017年以来,政府已在全国范围内投资了数百万美元用于开创性的试验台和试验,以实现这一目标。”

    NCC首席技术官补充说,5G测试平台“将展示安全性,可靠性和连通性的逐步变化,为各种规模的公司提供一个无风险的环境来评估和利用5G提供的能力”。

    除其他事项外,该项目将测试Zeetta开发的用于5G网络拼接和切片的技术。网络切片定义和提供优先级、分区化和受保护的子网的能力,从而使业务和时间紧迫的系统可以在共享基础架构上运行而不会互相干扰。网络拼接允许将切片按顺序连接以扩展通信范围,提供连续不断的服务。

    预计这些技术将在制造应用中发挥重要作用,尤其是在必须跨越多个地点、地理位置以及室内外环境跟踪资产的情况下。该项目将研究这些功能,以推动5G在工业领域的广泛采用。

    Zeetta首席执行官解释说:“根据用户和应用程序的需求动态切分网络资源的能力是5G与以前的移动技术之间的根本区别,并且有望在提高工业生产率方面发挥变革性作用。” 。

    Zeetta在软件定义网络(SDN)方面具有专业知识,它将与NetOS Rapide专用网路和多域协调器(MDO)一起使用,以动态管理5G网络,并允许在同一网络上交付各种工业应用程序和服务。

    5G-Encode项目还将测试基于AI(人工智能)的工业物联网技术,该技术支持物料和资产跟踪、预测性警报和优化的建议。该技术由以色列公司Plataine开发,将使用与传感器网络集成的基于AI的数字助理,以提供物料保质期跟踪、管理和优化能力。它会自动跟踪对时间敏感的原材料,预测剩余的吧暴露时间,并为每项工作选择最合适的材料,从而最大程度地减少浪费并确保按时完成生产,同时保持产品数字线索的完全可追溯性。

    此外,自动实时工具跟踪将确保生产进度不会因丢失工具而中断。基于AI的数字助理将为员工提供预测性质量警报、可执行的洞察力和实时的维护建议。

    公司总裁兼首席执行官说:“自动化和优化的制造绝对是Plataine产品的核心,我们很高兴能够从事这一开创性的项目。”

    国家复合材料中心是构成英国高价值制造业弹射器的七个中心之一。布里斯托尔工厂共有350多名复合材料专家,他们致力于加速采用高价值、可持续的复合材料技术,以刺激增长并增强英国该行业的能力。它为从实验室到大规模生产的新型复合材料产品的设计和开发提供数字制造技术。

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    • 英国国家复合材料中心(NCC)为新项目举办庆祝活动,并对外公布了项目新增的9948平米研究场所和10套最先进的数字化制造设备。 该项目是名为iCAP的数字化能力提升项目的一部分。iCAP项目以推动复合材料制造技术的加速发展为目标,围绕NCC所需的10项技术开展技术研发,总投资3670万英镑(约3.28亿人民币),由英国航空航天技术研究所(ATI)、项目参与企业和英国高价值制造促进中心共同资助。 NCC工程制造主任Rich Hooper表示:“我们的使命就是将复合材料领域的科研成果进行产业化转化。” 为此,在过去两年中,由NCC工程师、研究者、软件工程师和纺织学专家组成的研发团队围绕如何采用数字技术令复合材料部件的设计更简便、制造更快速、成本更低廉的课题不断探索。 航空航天领域无疑是推动高效复合材料制造技术不断发展的重要动力来源。据NCC称,采用现有的劳动密集型技术,制造商每月只能生产6对机翼,而未来单通道客机的月生产率则要求机翼交付量达到100对。NCC是空客公司“明日之翼”项目的参与单位,该项目的目标是开发出自动化程度更高、零部件更少、集成度更高、工艺周期更短、无损检测更快、组装更高效的商用客机机翼结构制造工艺。 新增的设备包括一条将用于“明日之翼”项目开发的新中试线。其中,高速生产系统包括两个能够进行机翼自动化生产的巨大工业机器人。它们分别重45吨和24吨,能够测量、切割、托举并铺放碳纤维织物,精度可达毫米级。5米宽、20米长的复合材料带材可以经一步操作实现精确铺放,同时机翼零部件数量由10万件显著降至150件左右,机翼的生产周期也由一周缩短至一天。机翼制造时,首先将织物铺放至指定位置,随后,机翼由真空袋包裹并转移至20米长、装配有大规模树脂灌注设备的加热炉中。机翼将在180º C的热炉中经8小时固化成型。这项新技术将不仅帮助技术人员重新思考该如何生产机翼,还将在建筑、石油天然气等众多领域的学术研究和产业化之间架起沟通的桥梁。 由荷兰Eurocarbon公司开发的环形编织机,在欧洲同类设备中是最大的,能够同时将288股独立的高强度碳纤维自动编织成三维结构,用来生产管道、飞机螺旋桨等部件。 由Engel公司开发的新型复合模塑(overmolding)工艺单元拥有一台1700吨的卧式压机,注射温度和压力分别可以达到420°C和2000 bar,一次注射容量可达6400立方米,适合复合材料部件的大规模生产。“复合模塑工艺特别适合热塑性复合材料部件的高速净成型,”NCC首席技术官Enrique Garcia说。“它将层压板的热成型与聚合物注射成型集成于一个自动化工艺,所生产的部件既具有理想的高强度,又拥有复杂的设计结构,同时还缩短了工艺周期。” 在无损检测(NDI)部分,NCC采用两台3米高的机器人同时对部件进行高压水射超声检测。系统通过测量声波穿过部件所需的时间,提醒操作员有无异常。 NCC的其它数字技术还包括自动预成型单元、Coriolis公司的C5型自动铺丝(AFP)龙门机器人和Electoimpact公司的自动铺丝/铺带机(AFP/ATL)。 NCC首席执行官Richard Oldfield表示:“此次对十大复合材料国际前沿技术的研究将为未来航空业开发机翼、发动机,以及未来能源的产出与储存提供有效路径,同时为未来基础设施的建造指明方向。”
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    • 5G给我们带来的是超越光纤的传输速度(Mobile Beyond Giga),超越工业总线的实时能力(Real-Time World)以及全空间的连接(All-Online Everywhere), 5G将开启充满机会的时代。 从5G的建设需求来看,5G将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式,历次基站的升级,都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。5G基站的海量增长,将同步带动PCB、天线振子及滤波器等元器件应用的大幅增长。 在5G基站中,印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)作为最基础的连接装置将被广泛使用。 PCB产业界广泛应用的基板材料是玻纤布增强的环氧型基材FR-4(环氧树脂玻纤布覆铜板),该材料是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布构成。 璃纤维布和特殊树脂是PCB重要的原材料之一,玻璃纤维布作为增强材料,起着绝缘和增加强度的作用;特殊树脂作为填充材料,起着粘合和提升板材性能的作用。 为了满足高频高速PCB产品的可靠性、复杂性、电性能和装配性能等诸多方面的要求,许多PCB基板材料的厂商对特殊树脂进行了不同的改进。 在目前高速高频化的趋势下,较为主流的PCB材料包括聚四氟乙烯树脂(PTFE)、环氧树脂(EP)、双马来酰亚胺三嗪树脂(BT)、热固性氰酸脂树脂(CE)、热固性聚苯醚树脂(PPE)和聚酰亚胺树脂(PI),由此衍生出的覆铜板种类超过130种。 对于基站PCB而言,最为重要的指标是介电特性、信号传输速度和耐热性,前两点上PTFE基板都具有较好的性能。 它是目前为止发现的介电性能最好的有机材料,优异的介电性能有利于信号完整快速地传输,这角度而言PTFE是5G时代基站PCB板的优选树脂材料。 塑料天线振子大有可为 天线振子是天线的核心部件。天线振子作为天线的主要组成部分,主要负责将信号放大和控制信号辐射方向,同样可以使天线接收到的电磁信号更强。 5G时代由于频段更高且采用Massive-MIMO技术,天线振子尺寸变小且数量大幅增长,综合考虑天线性能及AAU安装问题,塑料天线振子方案具有一定的综合优势。 为了应对5G新型天线的变化,市场上出现了全新的工艺——3D选择性电镀塑料振子方案。 所谓的塑料天线振子即采用内含有机金属复合物的改性塑料材料,用注塑成型的方式将复杂的3D立体形状一次性制造出来,再利用特殊技术使塑料表面金属化。塑料振子在保证天线满足5G电器性能的同时,产品重量大大减轻,减少了危险过程工序,也节约了成本。 3D塑料振子除了重量非常轻,还能满足钣金和压铸工艺所不能实现的精度要求。注塑和选择性电镀都是精度非常高的工艺,将它们结合在一起,可以保证天线振子精度满足3.5G以上的高频场景要求。 陶瓷介质滤波器优势多 4G时代,通信基站主要采用金属腔体滤波器方案。5G时代,基站通道数扩展 16 倍,器件小型化成为趋势,陶瓷介质滤波器具有轻量化和小型化优势,同时具有可靠的机械结构、无振动结构,便于自动化组装,长期来看,将成为 5G 基站主流部件。 复合材料通讯塔和天线罩 高高耸立的通讯塔大都是钢结构,但腐蚀是个大问题,复合材料可以解决这个问题。复合材料比较轻,使用无扣件连接技术,塔结构的各个独立部件可以快速组装,在装配过程中不需要金属螺栓,安装方便,还减轻了整个塔体的重量。 天线罩要具有良好的电磁波穿透特性,机械性能上要能经受外部恶劣环境的侵蚀如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等。在材料要求方面,要求在工作频率下的介电常数和损耗角正切要低,及要有足够的机械强度。 一般而言,充气天线罩常用涂有海帕龙橡胶或氯丁橡胶的聚酯纤维薄膜;刚性天线罩用玻璃纤维增强塑料;夹层结构中的夹心多用蜂窝状芯子或泡沫塑料。 而在5G趋势下,性能优越的复合材料成为备受欢迎的天线外罩材料。复合材料能起到绝缘防腐、防雷、抗干扰、经久耐用等作用,而且透波效果非常好。 手机后盖:首选PC/PMMA塑料复合材料 5G 时代,针对手机结构、形态新的要求,例如小型化、超薄化、全面屏等,都需要新的工艺和材料支撑。无线充电、NFC 等功能需求加快手机后盖去金属化推进,带动 PC/PMMA 共挤复合板材市场规模大幅上升。 5G时代,对 5G应用设备材料提出了更严苛的要求。由于5G走的是对金属敏感的毫米波,使用金属外壳将会屏蔽信号。塑料复合材料凭着优越的性能,成为手机后盖的潮流选择。 当中,最热门的要数PC/PMMA复合板材。这种材料是将PMMA和PC通过共挤(非合金材料)制得,包括PMMA层和PC层。 MMA层加硬后能达到4H以上的铅笔硬度,保证了产品的耐刮擦性能,而PC层能确保其具有足够的韧性,保证了整体的冲击强度。 石墨烯:理想的5G设备导热散热材料 高频率、硬件零部件的升级以及联网设备及天线数量的成倍增长,设备与设备之间及设备本身内部的电磁干扰无处不在,电磁干扰和电磁辐射对电子设备的危害也日益严重。 与此同时,伴随着电子产品的更新升级,设备的功耗不断增大,发热量也随之快速上升。 未来高频率高功率电子产品要着力解决其产生的电磁辐射和热。 为此,电子产品在设计时将会加入越来越多的电磁屏蔽及导热器件。因此电磁屏蔽和散热材料及器件的作用将愈发重要,未来需求也将持续增长。 以导热石墨烯为例,5G手机有望在更多关键零部件部位采用定制化导热石墨烯方案,同时复合型和多层高导热膜由于具备更优的散热效果而将会被更多采用。 5G复合材料相关新闻 科思创研发5G基站外壳材料 2019年年中,科思创亚太区创新副总裁施马可表示,公司已成功研发了适用于5G基站的外壳材料。 施马可表示,5G技术拥有频率高、波长短的特点,导致其信号衰减程度较大,这意味着需要借助于大量5G微型基站的部署不断放大信号,确保信号覆盖。相比于4G时代,5G的微型基站数量预计将增加约20倍左右。 而在开发5G基站的过程中,必须确保5G的高频信号能够顺利穿透外壳,这对材料提出了较高要求。在一年多前,科思创位于上海的聚合物研发中心启动了这项针对5G基站外壳材料的实验。 巴斯夫创新聚氨酯解决方案为中国5G通信塔提供稳固支持 巴斯夫Elastolit?聚氨酯(PU)创新材料解决方案为中国部署5G网络提供助力。安徽汇科恒远复合材料有限公司(汇科)采用Elastolit制成60座通信塔,分布在北京、苏州以及黑龙江和江西的多个城市。 相比传统混凝土或钢基材料,采用Elastolit?制成的通讯塔质量更轻,即便在偏远地区亦可快速安装,同时能够抵御大雪和强风等恶劣天气。 巴斯夫亚太区特性材料部全球高级副总裁鲍磊伟(Andy Postlethwaite)表示:“5G基站承载传输设备和天线,必须在恶劣天气条件下保持强韧。采用巴斯夫PU复合材料制成的35米高通信塔重约1,500至1,800千克,其断裂强度是自身重量的十倍。” 不仅如此,Elastolit?制成的通讯塔较传统钢塔更具成本效益。Elastolit?具有耐锈和耐腐蚀特性,所需维护量更小。表面覆盖有一层特殊配方的耐紫外线涂层,能够延长其使用寿命。同时具有防火性,能够迅速自熄。 俄罗斯物理学家开展用于5G设备的复合材料性能研究 俄罗斯托木斯克州立大学(TSU)的放射物理学家正在建立一个复合材料性能数据库,该数据库可辅助创建在太赫兹范围内运行的5G及空间通信设备。科学家们正在用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)工程塑料和碳纳米管研制复合材料,并在10兆赫至1太赫兹的频率范围内测量其性能。 为了开发这种原始材料,放射物理学家正在使用聚合物,并在化学工艺的辅助下,用碳纳米管进行填充。这些材料目前正由俄罗斯科学院西伯利亚分院的波列斯科夫催化研究所为放射物理学院的太赫兹实验室生产。 “通过添加不同含量的碳纳米管,我们改变了材料的介电性能。例如,我们可以增加介电常数。”放射物理学院副教授、项目经理Alexander Badyin解释说,“然后,我们使用3D打印技术,可以获得带有元件(导体、电阻等)的印刷电路板。我们通过控制装置的参数来打印对照样品(板或环),并检测复合材料在太赫兹范围内的工作性能。” 研究人员表示,此前的科研工作主要聚焦在4-5千兆赫兹的家用辐射频段中。而TSU科学家团队的工作范围更广——最高可达1太赫兹。研究人员表示,目前这项研究还不够充分。截至2019年12月,研究人员已经研究了近50个样品的特性。 日本信越化工推出“石英布”等适应5G时代需求的产品 日本信越化学工业根据5G时代的需求,推出了“石英玻璃纤维布”、“热固性低介电树脂”,可以用于5G高频带的电子器件和电路基板、天线、雷达罩等。此外,信越化学工业还增加了散热片的品种。 石英玻璃纤维布的介电常数低于3.7,消耗因数低于0.001,线膨胀系数低于1ppm/℃,传输损耗(电信号的劣化程度)的特性极为优异。该产品最适合作为5G超高速布线基板的核心材料,天线、雷达罩的纤维增强树脂零件等。 热固性低介电树脂是一种接近氟树脂、拥有低介电常数和高强度的低弹性树脂。它的高频带(10~80GHz)介电常数低于2.5,消耗因数低于0.00025。这是热固性树脂的最低水平。由于产品的低吸湿性、对低粗度的铜箔也具有很高的粘着力,因此也可用于FCCL(软性铜箔基材)。