德國儲氫罐自動化制造廠
Hexagon Purus在德國的IV型壓力容器生產線完全自動化和互聯的，使用機器人和節拍時間優化的數字控制系統，在一條生產線上一個接一個地生產不同尺寸和壓力的碳纖維增強塑料氣瓶，年產能可達40000個氫氣（H2）儲罐。
壓力容器是復合材料的重要市場，以在塑料襯里上纏繞碳纖維增強聚合物（CFRP）制成的IV型壓力容器為首。Hexagon Composites（挪威奧勒松）在該市場有著悠久的歷史，于1992年首次生產用于儲存壓縮天然氣（CNG）的氣瓶。在接下來的20多年里，它成為了市場的領導者，到2019年，它在Hexagon Agility業務中組織了其CNG和可再生天然氣（RNG）壓力容器和系統，并成立了Hexagon Purus（挪威奧斯陸），以提供零排放解決方案，包括電動汽車的電池系統和用于在移動和基礎設施應用中儲存氫氣（H?）的IV型壓力容器。
CW寫了大量關于Hexagon Purus的文章。2024年，該公司實現了19億挪威克朗的收入，比2023年增長了42%，并完成了全球產能建設，包括在馬里蘭州威斯敏斯特和中國石家莊的設施。這次參觀是該公司在德國卡塞爾的最先進生產，年產能為40000個氣缸。
卡車的儲罐通常為350或700巴。后者在安裝在駕駛室后面的四罐系統中最多可儲存18.4公斤氫氣，總計74公斤。儲罐也可以安裝在側軌上?？蛻舭ǜＬ兀S田的壓力容器是在馬里蘭州威斯敏斯特的美國工廠生產的。
對于公共汽車，儲罐為350巴，每個儲罐可儲存10公斤氫氣，每個系統可儲存50公斤氫氣?？蛻舭W洲的Solaris、Caetano Bus、Nesbus、Arthurbus和Karsan。Gillig和New Flyer由美國供應。負責該工廠運營的?？?middot;丘齊克（Heiko Chudzick）表示：“我們正在根據新的R134法規開發下一代儲罐。”。“這是針對公共汽車的，我們開發了一種全新的系統，采用了新的儲罐和更少的鋼材，以最大限度地減輕重量，增加可能的有效載荷，這也提高了成本。我們還有更好的包裝和維護通道。”
“對于鐵路，我們從斯塔德勒和阿爾斯通等領先企業開始，”他指出。這里的儲罐壓力為350巴，每個儲罐最多可儲存8.4公斤氫氣，每個系統可儲存數百公斤氫氣。這些設計使用壽命為30年。鐵路客戶包括阿爾斯通的Coradia iLint列車，Stadler和Linsinger的鐵路維修列車。人們也對機車感興趣，機車可能會使用H?內燃機（ICE- internal combustion engines）而不是基于燃料電池的電力系統。
丘齊克說：“我們看到H?移動性的增長，首先是在公共汽車和重型設備中，電池難以提供足夠的能量密度，然后是在鐵路和海事應用中的長期增長。”。“隨著氫氣產量和加氫基礎設施的增加，乘用車中氫氣的實際使用和增長要到2030年后才能開始。
用于零排放公共汽車系統的Hexagon Purus氫氣瓶Hexagon Purus Kassel生產各種用于氫氣儲存的碳纖維增強塑料氣瓶，這些氣瓶被送往其位于德國韋澤的裝配廠，用于中型和重型卡車的系統，如福特的駕駛室后系統（上圖）和零排放公交車（下圖）。
H?基礎設施和戰略自成立以來，Hexagon Purus一直專注于H?基礎設施市場，該市場涉及從生產設施到最終用戶或H?加氫站（HRS-H? refueling stations）的H?卡車運輸，以及HRS的固定存儲和移動加氫模塊。分配和加氫模塊包括裝載到定制ISO容器或類似模塊中的多個氣缸。這些氣缸的尺寸可能因客戶和最終用途而異，但在卡塞爾與用于移動應用的氣缸在同一生產線上生產。
丘齊克描述了這個市場中的四類參與者：
? 也在內部消費氫氣的氫氣生產商（如殼牌、Equinor、BP、Sabic、巴斯夫、Yara、Fertiberia）
? 商業H?生產商（如空氣產品公司、林德、液化空氣）
? 新興的脫碳一站式生產商（如Plug、Everfuel、Lhyfe、GP Joule、挪威氫能）
? 工業過程（如鋼鐵制造）以及分布式電源。
他指出：“所有這些都需要分配，其中一部分將使用卡車。”。“目前，管道并不多，盡管有傳統的鋼管拖車，但它們很重，由于超限重量限制，有效載荷有限。此外，一旦管道腐蝕，它們就不能重新投入使用。”相比之下，IV型氣缸可以進行測試和重新認證，以延長使用壽命。丘齊克說：“我們看到越來越多的老式IV型儲罐被重新認證，可以再使用10年。”。“隨著使用氫氣減少工業設施和發電排放的需求增長，分銷市場正在繼續擴大。”
位置、試驗線/測試
為什么選擇卡塞爾？“我們在這里有一個傳統工廠，現在是Hexagon Agility的一部分，” 丘齊克說。“因此，我們擁有一支具有纖維纏繞經驗和其他在其他地方很難找到的特定技能的當地員工隊伍?？ㄈ麪栐诘聡蜌W洲的中心也有很好的物流位置，這個地點提供了擴張的空間。”
卡塞爾的生產與該公司在德國韋澤的系統工廠協同運作。丘齊克解釋說：“我們將復合材料氣瓶運往Weeze，在那里它們被組裝成完整的H2燃料系統，這些系統被封閉在鋼架中，并配備了管道、閥門和燃料管理控制裝置。然后，這些集成系統被測試并交付給客戶。”
卡塞爾的工廠于2023年完工，有兩棟建筑：左邊有辦公室和測試實驗室，右邊有主要生產線和擴建空間。我們走出辦公區，進入一個開放的生產車間。我們左邊是一條用于研發、測試新產品和改進新工藝的試驗生產線。還有一個區域用于進行負載循環和爆裂測試。丘齊克說：“有了這個專門的研發區域，我們就可以專注于工廠另一邊的生產。”。“在這里，我們有一臺單軸和三軸卷繞機以及三個小型烤箱。我們可以進行小批量生產，重點明確，最有效地進行新的試驗。”
4.0生產線
卡塞爾生產線基于?？怂箍翟趶秃喜牧蠚飧追矫鏀凳甑慕涷炓约扒瘕R克為頂級制造商實現工業化生產的背景。“我們花了很長時間思考這條生產線的設計，”他指出，“我們有一個出色的多學科團隊，他們合作得很好。結果與?？怂箍颠^去的氣缸生產方式截然不同。它通過機器人控制的交接點和與我們的物流相匹配的IT系統，針對空間和物料流進行了優化。”
生產包括：（1）準備塑料襯里，（2）復合纏繞，（3）烘箱固化，（4）靜水壓爆破試驗和干燥，（5）閥門安裝和泄漏試驗，以及（6）表面處理（涂層、粘合肩墊、標記）和運輸。丘齊克指出：“這條生產線呈圓形流動，因為它最大限度地減少了操作之間的距離。”。“對于如此高的產量，它的占地面積非常小。這就是你想要的可持續性和效率。它也是完全自動化的，主工作站內沒有操作員，如果我們在自動化方面遇到任何問題，它的設計具有冗余性，但也具有很高的安全性。這包括減少操作員的接觸點，這樣他們就不會在移動設備或搬運重型儲罐的道路上。”所有氣瓶的移動——長度可達4米，重量可達450公斤——都是由機器人或自動起重機完成的。
H?儲罐也用于分配模塊，如這些20英尺的集裝箱單元（頂部）和由Hexagon Purus maritime（挪威Alesund）設計的海運系統，如下圖所示。
生產線上的機器也都是連接和控制的，因此它可以一個接一個地運行公共汽車、卡車、鐵路或配送/加油模塊的氣缸。丘齊克說：“該線讀取內襯上的二維碼（QR），查看氣缸的長度、重量和類型，然后設置氣缸如何按照其規格進行纖維纏繞和后續步驟。”。“整個布局基于我們為每種儲罐類型的每次操作測量的節拍時間，包括其長度、直徑和壓力。這些參數決定了纏繞多少纖維以及固化和測試周期需要多長時間。
他繼續說道：“我們還進行了在線監測，可以看到參數是否在漂移。”。“我們在控制系統中內置了上限和下限，但操作員會對此進行監控。人類經驗是一個非常好的輸入，我們不想擺脫它。操作員必須批準和釋放每個油箱。
“該行讀取內襯上的二維碼……然后根據我們為每種油箱類型測量的每種操作的節拍時間，設置氣缸將如何進行纖維纏繞并在后續步驟中移動……”
丘齊克說：“我們繼續增加監測系統和能力，包括環境數據。”。“這些數據中的任何一個都可以在我們公司的智能手機上提取，也可以與我們的ERP和SCADA系統進行數據交換。因此，我們正在不斷改進我們使用數據的方式，包括我們的生產計劃和控制，以及我們報告氣瓶環境足跡的未來愿景。”這將在下面進一步詳細介紹。“我們的目標是實現生產的數字孿生。我們現在正在完成這項工作。然后，我們可以將其帶到我們的試驗線上，測試新的改進，但這也讓我們能夠研究如何為客戶開發新的氣缸產品。”
襯墊艙、適配器、裝載
這個高度自動化的工作站在提供過程控制的同時一次性焊接內襯。成品內襯已準備好進行纖維纏繞。
內襯被裝載到五個主軸框架中，如圖所示，在被起重機提升到四個固化爐之一之前，它們離開了纖維纏繞站。
我們走出辦公室/試驗生產線大樓，走到主生產大樓。當我們進入開放式生產車間時，我們首先走到準備熱塑性聚合物內襯的內襯車間。左邊是一個進港班輪站，所有班輪在被送往班輪艙之前都經過了預檢。聚合物內襯首先在兩個大型垂直站中干燥，然后退火。內襯可以在氣缸末端配備金屬凸臺，用于填充和再填充，也可以在生產過程中焊接凸臺。
丘齊克指出，雖然該車間生產該生產線的所有內襯，但沒有高度的自動化處理，但位于內襯車間中心的一個新的內襯焊接站是高度自動化的。“它可以一次性焊接內襯，并提供更多的數據收集和過程控制。所有數據都顯示在數字顯示器上，其中還包括每次焊接操作的攝像頭錄像。”
接下來，我們走到一個工作站，在那里，QR碼被應用于每個卷繞機適配器，用于將襯墊的每一端安裝到纖維纏繞機的主軸上。“然后我們檢查壓力，” 丘齊克說。“我們保持內襯內部的壓力，以防止其在纖維纏繞過程中坍塌或變形。”
在下一站，一個巨大的橙色框架平放，支撐在離地面幾英尺的地方。在這里，五個帶有適配器的內襯被裝入框架中。一旦滿載，該站將框架提升到垂直位置，然后由生產線的起重機將其移動到中央生產區，在那里將其裝載到纖維纏繞站。
復合繞組，固化
卡塞爾生產的大多數復合材料圓柱體都是僅使用碳纖維進行纖維纏繞的。丘齊克解釋說：“想要玻璃纖維外層的客戶越來越少。”。“相反，客戶更常指定符合其要求的外涂層。”
碳纖維絲束從筒子經過張緊器和樹脂浴，然后進入五軸自動纖維纏繞站（頂部），將CFRP層壓板纏繞到塑料內襯上。然后將纏繞的層壓板轉移到四個烤箱中的一個進行固化（底部）。
Roth Composite Machinery（德國斯特芬堡）提供的纖維纏繞站使用五個主軸。絲束通過張緊站進行有效的纖維進料和控制，然后進入樹脂浴。裝有備件的推車就放在卷繞站外，這是減少停機時間的設計的一部分。“在傳統工廠，我們有三臺卷繞機，” 丘齊克指出，“而在這里，我們只有一臺，但它的產能相同。”
我們走過筒子架，來到一個區域，在那里，樹脂包袋的進料線延伸到筒子架上方的夾層，該夾層容納了測量和混合環氧樹脂并將其分配到樹脂浴中的系統。自動化系統需要一名操作員，并提供流量、粘度和溫度的連續控制。
在操作員站，顯示每個主軸和樹脂浴的參數。丘齊克說：“我們為每個氣缸捕獲3.5GB的數據，包括工藝參數。”。“然后我們計算并跟蹤浸漬過程。”還有監控過程的攝像頭和兩個額外的顯示器——一個用于處理五個氣缸架的系統，另一個用于固化爐。
接下來，有一個搬運入口，在那里，來自卷繞站的機架被起重機移動到四個烤箱中的一個，這些烤箱在高達150°C的溫度下固化復合材料圓柱體。丘齊克解釋說：“為了提高效率，我們為每種類型一次纏繞五個油箱氣缸。”。“然后，這些將一起進入固化爐。我們消除了等待烤箱的時間，因為這條自動化生產線優化了每種罐類型的循環時間。”
油箱測試、精加工
從襯墊艙頂部可以看到緊湊的卡塞爾生產線，四個固化爐在中心以堆疊的白色容器的形式出現。橙色框架將圓柱體移入和移出烤箱右側的卷繞和固化站，而在左側，中央的橙色KUKA機器人在工作站之間移動圓柱體，用于水力爆裂測試、干燥、閥門安裝和許多泄漏測試單元之一（底部）。
固化后，軌道上的集中式機器人通過接下來的步驟完成所有儲罐處理。拆下繞組適配器，并用驗證測試適配器替換。這些可以在高達1050巴的壓力下進行靜水壓試驗。丘齊克指出 “盡管我們測試了每一輛儲罐，但只有一個站進行測試。”。“然而，有一個緩沖站，這樣在測試一個儲罐時，另一個儲罐會被裝載和準備。當第一個儲罐完成測試時，機器人會將其取出并放置在多個干燥站中的一個。在這種情況下，緩沖罐會翻轉并翻轉到測試站中。因此，等待時間很短，不需要第二個測試站。”
在儲罐完全干燥后，機器人將其移動到一個工位，在那里拆除驗證測試適配器，檢查儲罐的清潔度。帶有焊接閥門的內襯在干燥后直接進行泄漏測試。對于沒有預先焊接閥門的帶襯套的儲罐，接下來將其移入閥門安裝站。這是一種半自動操作，發生在一種封閉的潔凈室內，凸臺閥與氣缸集成在一起?？梢苿颖塾糜诎惭b帶有位置和扭矩的閥門，以確保按照規范進行精確和可重復的安裝。
閥門安裝后，將每個儲罐放置在測試室中，并使用加壓至875巴的測試氣體進行泄漏檢查。首先測試哪些儲罐由生產線根據每個客戶訂單的發貨日期決定。丘齊克說，使用多個腔室，因為加壓測試后需要很長時間才能將氣體從儲罐中排出。隨著氣體的排放，85-90%的氣體被收集并重新使用——在與加壓設備的連接和斷開過程中，少量氣體逸出。
此時，儲罐離開生產線，添加任何涂層，然后按照客戶的要求粘合肩墊。在這里，一排排的儲罐在通過各種收尾步驟時坐著。
這棟樓的這一端有很大的擴建空間。丘齊克說：“我們已經考慮過所有這些，知道如何擴展機器人系統并添加模塊化單元，具體取決于需要哪種類型的儲罐生產擴張。”。“我們正試圖思考未來10年。”
數據驅動、脫碳的未來
這種前瞻性戰略也體現在卡塞爾利用收集到的數據（例如排放、能源使用、廢物）來提高其運營的可持續性，并在其年度ESG報告中公布。丘齊克說：“我們在2024年為該工廠發布了第一份ESG文件，并開發了范圍1和2數據，但現在正試圖通過我們的供應鏈擴展我們的范圍3報告。從2025年開始，我們將把供應商的數據納入我們的在線收集中，并正在我們的ERP系統中實現自動化。我們正在將這些在線數據分配給每臺機器、每批氣缸，甚至批次中的每個主軸。”我們正在將這些在線數據分配給每臺機器、每批氣缸，甚至批次內的每個主軸。
然后，這些數據用于該設施自身的脫碳開發。氣缸的生命周期評價將在不久的將來發布。
然后，這些數據用于該設施自己的脫碳戰略制定。“我們將在不久的將來設定這些目標，”他解釋道，“因為這是我們作為一家試圖幫助地球脫碳的公司的商業模式的一部分。”例如，一個問題是碳纖維的使用，因為它的制造使用了大量的能源，從而產生了大量的二氧化碳。“
但擁有數據是制定智能戰略的關鍵和必要條件，” 丘齊克補充道。“我們于2021年與卡塞爾Hexagon公司開始了這一過程，然后開始為卡塞爾生產的氣缸開發生命周期分析。在不久的將來，我們將在內部發布我們的生命周期分析，然后在外部發布。2027年，我們計劃發布我們的環境產品宣言，該宣言認證了我們的生命循環分析，然后從2028年開始每年更新一次。”
H?市場極具活力和挑戰性，但Hexagon Purus花了十年時間驗證其各個細分市場，建立了強大的全球客戶群，然后建立了專注于效率、靈活性，當然還有可持續性的生產能力。這種方法在卡塞爾得到了體現，也是使Hexagon Purus在任何單一細分市場大規模采用之前，通過多樣化的產品在商業規模上實現盈利的部分原因。
丘齊克說：“我們是一家脫碳公司，因此我們著眼于整體H?經濟，以及化石燃料在廣泛的應用和行業中是如何被替代的。”。他指出，卡塞爾的生產方法也被用于該公司在中國的工廠，適應了當地熟練勞動力的變化，能夠擴展到每年10萬個儲罐。“這種方法使我們能夠以模塊化的方式進行擴展，這意味著我們可以根據市場的發展情況集成改進的設備或根據需要進行調整。”
脫碳對于減緩氣候變化和拯救地球至關重要，因此卡塞爾設施幫助實現這一目標的能力非常重要。但另一個關鍵貢獻是，這條經過深思熟慮的緊湊型生產線能夠在復合材料4.0自動化制造中向前邁出一步。它為其他碳纖維增強塑料零件生產商提供了一個教訓，即可持續、智能的工藝對我們行業的未來是可能和必要的。
原文《 Plant tour: Hexagon Purus, Kassel, Germany 》
楊超凡
