德国储氢罐自动化制造厂
Hexagon Purus在德国的IV型压力容器生产线完全自动化和互联的，使用机器人和节拍时间优化的数字控制系统，在一条生产线上一个接一个地生产不同尺寸和压力的碳纤维增强塑料气瓶，年产能可达40000个氢气（H2）储罐。
压力容器是复合材料的重要市场，以在塑料衬里上缠绕碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的IV型压力容器为首。Hexagon Composites（挪威奥勒松）在该市场有着悠久的历史，于1992年首次生产用于储存压缩天然气（CNG）的气瓶。在接下来的20多年里，它成为了市场的领导者，到2019年，它在Hexagon Agility业务中组织了其CNG和可再生天然气（RNG）压力容器和系统，并成立了Hexagon Purus（挪威奥斯陆），以提供零排放解决方案，包括电动汽车的电池系统和用于在移动和基础设施应用中储存氢气（H₂）的IV型压力容器。
CW写了大量关于Hexagon Purus的文章。2024年，该公司实现了19亿挪威克朗的收入，比2023年增长了42%，并完成了全球产能建设，包括在马里兰州威斯敏斯特和中国石家庄的设施。这次参观是该公司在德国卡塞尔的最先进生产，年产能为40000个气缸。
卡车的储罐通常为350或700巴。后者在安装在驾驶室后面的四罐系统中最多可储存18.4公斤氢气，总计74公斤。储罐也可以安装在侧轨上。客户包括福特，而丰田的压力容器是在马里兰州威斯敏斯特的美国工厂生产的。
对于公共汽车，储罐为350巴，每个储罐可储存10公斤氢气，每个系统可储存50公斤氢气。客户包括欧洲的Solaris、Caetano Bus、Nesbus、Arthurbus和Karsan。Gillig和New Flyer由美国供应。负责该工厂运营的海科·丘齐克（Heiko Chudzick）表示：“我们正在根据新的R134法规开发下一代储罐。”。“这是针对公共汽车的，我们开发了一种全新的系统，采用了新的储罐和更少的钢材，以最大限度地减轻重量，增加可能的有效载荷，这也提高了成本。我们还有更好的包装和维护通道。”
“对于铁路，我们从斯塔德勒和阿尔斯通等领先企业开始，”他指出。这里的储罐压力为350巴，每个储罐最多可储存8.4公斤氢气，每个系统可储存数百公斤氢气。这些设计使用寿命为30年。铁路客户包括阿尔斯通的Coradia iLint列车，Stadler和Linsinger的铁路维修列车。人们也对机车感兴趣，机车可能会使用H₂内燃机（ICE- internal combustion engines）而不是基于燃料电池的电力系统。
丘齐克说：“我们看到H₂移动性的增长，首先是在公共汽车和重型设备中，电池难以提供足够的能量密度，然后是在铁路和海事应用中的长期增长。”。“随着氢气产量和加氢基础设施的增加，乘用车中氢气的实际使用和增长要到2030年后才能开始。
用于零排放公共汽车系统的Hexagon Purus氢气瓶Hexagon Purus Kassel生产各种用于氢气储存的碳纤维增强塑料气瓶，这些气瓶被送往其位于德国韦泽的装配厂，用于中型和重型卡车的系统，如福特的驾驶室后系统（上图）和零排放公交车（下图）。
H₂基础设施和战略自成立以来，Hexagon Purus一直专注于H₂基础设施市场，该市场涉及从生产设施到最终用户或H₂加氢站（HRS-H₂ refueling stations）的H₂卡车运输，以及HRS的固定存储和移动加氢模块。分配和加氢模块包括装载到定制ISO容器或类似模块中的多个气缸。这些气缸的尺寸可能因客户和最终用途而异，但在卡塞尔与用于移动应用的气缸在同一生产线上生产。
丘齐克描述了这个市场中的四类参与者：
也在内部消费氢气的氢气生产商（如壳牌、Equinor、BP、Sabic、巴斯夫、Yara、Fertiberia）
商业H₂生产商（如空气产品公司、林德、液化空气）
新兴的脱碳一站式生产商（如Plug、Everfuel、Lhyfe、GP Joule、挪威氢能）
工业过程（如钢铁制造）以及分布式电源。
他指出：“所有这些都需要分配，其中一部分将使用卡车。”。“目前，管道并不多，尽管有传统的钢管拖车，但它们很重，由于超限重量限制，有效载荷有限。此外，一旦管道腐蚀，它们就不能重新投入使用。”相比之下，IV型气缸可以进行测试和重新认证，以延长使用寿命。丘齐克说：“我们看到越来越多的老式IV型储罐被重新认证，可以再使用10年。”。“随着使用氢气减少工业设施和发电排放的需求增长，分销市场正在继续扩大。”
位置、试验线/测试
为什么选择卡塞尔？“我们在这里有一个传统工厂，现在是Hexagon Agility的一部分，” 丘齐克说。“因此，我们拥有一支具有纤维缠绕经验和其他在其他地方很难找到的特定技能的当地员工队伍。卡塞尔在德国和欧洲的中心也有很好的物流位置，这个地点提供了扩张的空间。”
卡塞尔的生产与该公司在德国韦泽的系统工厂协同运作。丘齐克解释说：“我们将复合材料气瓶运往Weeze，在那里它们被组装成完整的H2燃料系统，这些系统被封闭在钢架中，并配备了管道、阀门和燃料管理控制装置。然后，这些集成系统被测试并交付给客户。”
卡塞尔的工厂于2023年完工，有两栋建筑：左边有办公室和测试实验室，右边有主要生产线和扩建空间。我们走出办公区，进入一个开放的生产车间。我们左边是一条用于研发、测试新产品和改进新工艺的试验生产线。还有一个区域用于进行负载循环和爆裂测试。丘齐克说：“有了这个专门的研发区域，我们就可以专注于工厂另一边的生产。”。“在这里，我们有一台单轴和三轴卷绕机以及三个小型烤箱。我们可以进行小批量生产，重点明确，最有效地进行新的试验。”
4.0生产线
卡塞尔生产线基于海克斯康在复合材料气缸方面数十年的经验以及丘齐克为顶级制造商实现工业化生产的背景。“我们花了很长时间思考这条生产线的设计，”他指出，“我们有一个出色的多学科团队，他们合作得很好。结果与海克斯康过去的气缸生产方式截然不同。它通过机器人控制的交接点和与我们的物流相匹配的IT系统，针对空间和物料流进行了优化。”
生产包括：（1）准备塑料衬里，（2）复合缠绕，（3）烘箱固化，（4）静水压爆破试验和干燥，（5）阀门安装和泄漏试验，以及（6）表面处理（涂层、粘合肩垫、标记）和运输。丘齐克指出：“这条生产线呈圆形流动，因为它最大限度地减少了操作之间的距离。”。“对于如此高的产量，它的占地面积非常小。这就是你想要的可持续性和效率。它也是完全自动化的，主工作站内没有操作员，如果我们在自动化方面遇到任何问题，它的设计具有冗余性，但也具有很高的安全性。这包括减少操作员的接触点，这样他们就不会在移动设备或搬运重型储罐的道路上。”所有气瓶的移动——长度可达4米，重量可达450公斤——都是由机器人或自动起重机完成的。
H₂储罐也用于分配模块，如这些20英尺的集装箱单元（顶部）和由Hexagon Purus maritime（挪威Alesund）设计的海运系统，如下图所示。
生产线上的机器也都是连接和控制的，因此它可以一个接一个地运行公共汽车、卡车、铁路或配送/加油模块的气缸。丘齐克说：“该线读取内衬上的二维码（QR），查看气缸的长度、重量和类型，然后设置气缸如何按照其规格进行纤维缠绕和后续步骤。”。“整个布局基于我们为每种储罐类型的每次操作测量的节拍时间，包括其长度、直径和压力。这些参数决定了缠绕多少纤维以及固化和测试周期需要多长时间。
他继续说道：“我们还进行了在线监测，可以看到参数是否在漂移。”。“我们在控制系统中内置了上限和下限，但操作员会对此进行监控。人类经验是一个非常好的输入，我们不想摆脱它。操作员必须批准和释放每个油箱。
“该行读取内衬上的二维码……然后根据我们为每种油箱类型测量的每种操作的节拍时间，设置气缸将如何进行纤维缠绕并在后续步骤中移动……”
丘齐克说：“我们继续增加监测系统和能力，包括环境数据。”。“这些数据中的任何一个都可以在我们公司的智能手机上提取，也可以与我们的ERP和SCADA系统进行数据交换。因此，我们正在不断改进我们使用数据的方式，包括我们的生产计划和控制，以及我们报告气瓶环境足迹的未来愿景。”这将在下面进一步详细介绍。“我们的目标是实现生产的数字孪生。我们现在正在完成这项工作。然后，我们可以将其带到我们的试验线上，测试新的改进，但这也让我们能够研究如何为客户开发新的气缸产品。”
衬垫舱、适配器、装载
这个高度自动化的工作站在提供过程控制的同时一次性焊接内衬。成品内衬已准备好进行纤维缠绕。
内衬被装载到五个主轴框架中，如图所示，在被起重机提升到四个固化炉之一之前，它们离开了纤维缠绕站。
我们走出办公室/试验生产线大楼，走到主生产大楼。当我们进入开放式生产车间时，我们首先走到准备热塑性聚合物内衬的内衬车间。左边是一个进港班轮站，所有班轮在被送往班轮舱之前都经过了预检。聚合物内衬首先在两个大型垂直站中干燥，然后退火。内衬可以在气缸末端配备金属凸台，用于填充和再填充，也可以在生产过程中焊接凸台。
丘齐克指出，虽然该车间生产该生产线的所有内衬，但没有高度的自动化处理，但位于内衬车间中心的一个新的内衬焊接站是高度自动化的。“它可以一次性焊接内衬，并提供更多的数据收集和过程控制。所有数据都显示在数字显示器上，其中还包括每次焊接操作的摄像头录像。”
接下来，我们走到一个工作站，在那里，QR码被应用于每个卷绕机适配器，用于将衬垫的每一端安装到纤维缠绕机的主轴上。“然后我们检查压力，” 丘齐克说。“我们保持内衬内部的压力，以防止其在纤维缠绕过程中坍塌或变形。”
在下一站，一个巨大的橙色框架平放，支撑在离地面几英尺的地方。在这里，五个带有适配器的内衬被装入框架中。一旦满载，该站将框架提升到垂直位置，然后由生产线的起重机将其移动到中央生产区，在那里将其装载到纤维缠绕站。
复合绕组，固化
卡塞尔生产的大多数复合材料圆柱体都是仅使用碳纤维进行纤维缠绕的。丘齐克解释说：“想要玻璃纤维外层的客户越来越少。”。“相反，客户更常指定符合其要求的外涂层。”
碳纤维丝束从筒子经过张紧器和树脂浴，然后进入五轴自动纤维缠绕站（顶部），将CFRP层压板缠绕到塑料内衬上。然后将缠绕的层压板转移到四个烤箱中的一个进行固化（底部）。
Roth Composite Machinery（德国斯特芬堡）提供的纤维缠绕站使用五个主轴。丝束通过张紧站进行有效的纤维进料和控制，然后进入树脂浴。装有备件的推车就放在卷绕站外，这是减少停机时间的设计的一部分。“在传统工厂，我们有三台卷绕机，” 丘齐克指出，“而在这里，我们只有一台，但它的产能相同。”
我们走过筒子架，来到一个区域，在那里，树脂包袋的进料线延伸到筒子架上方的夹层，该夹层容纳了测量和混合环氧树脂并将其分配到树脂浴中的系统。自动化系统需要一名操作员，并提供流量、粘度和温度的连续控制。
在操作员站，显示每个主轴和树脂浴的参数。丘齐克说：“我们为每个气缸捕获3.5GB的数据，包括工艺参数。”。“然后我们计算并跟踪浸渍过程。”还有监控过程的摄像头和两个额外的显示器——一个用于处理五个气缸架的系统，另一个用于固化炉。
接下来，有一个搬运入口，在那里，来自卷绕站的机架被起重机移动到四个烤箱中的一个，这些烤箱在高达150°C的温度下固化复合材料圆柱体。丘齐克解释说：“为了提高效率，我们为每种类型一次缠绕五个油箱气缸。”。“然后，这些将一起进入固化炉。我们消除了等待烤箱的时间，因为这条自动化生产线优化了每种罐类型的循环时间。”
油箱测试、精加工
从衬垫舱顶部可以看到紧凑的卡塞尔生产线，四个固化炉在中心以堆叠的白色容器的形式出现。橙色框架将圆柱体移入和移出烤箱右侧的卷绕和固化站，而在左侧，中央的橙色KUKA机器人在工作站之间移动圆柱体，用于水力爆裂测试、干燥、阀门安装和许多泄漏测试单元之一（底部）。
固化后，轨道上的集中式机器人通过接下来的步骤完成所有储罐处理。拆下绕组适配器，并用验证测试适配器替换。这些可以在高达1050巴的压力下进行静水压试验。丘齐克指出 “尽管我们测试了每一辆储罐，但只有一个站进行测试。”。“然而，有一个缓冲站，这样在测试一个储罐时，另一个储罐会被装载和准备。当第一个储罐完成测试时，机器人会将其取出并放置在多个干燥站中的一个。在这种情况下，缓冲罐会翻转并翻转到测试站中。因此，等待时间很短，不需要第二个测试站。”
在储罐完全干燥后，机器人将其移动到一个工位，在那里拆除验证测试适配器，检查储罐的清洁度。带有焊接阀门的内衬在干燥后直接进行泄漏测试。对于没有预先焊接阀门的带衬套的储罐，接下来将其移入阀门安装站。这是一种半自动操作，发生在一种封闭的洁净室内，凸台阀与气缸集成在一起。可移动臂用于安装带有位置和扭矩的阀门，以确保按照规范进行精确和可重复的安装。
阀门安装后，将每个储罐放置在测试室中，并使用加压至875巴的测试气体进行泄漏检查。首先测试哪些储罐由生产线根据每个客户订单的发货日期决定。丘齐克说，使用多个腔室，因为加压测试后需要很长时间才能将气体从储罐中排出。随着气体的排放，85-90%的气体被收集并重新使用——在与加压设备的连接和断开过程中，少量气体逸出。
此时，储罐离开生产线，添加任何涂层，然后按照客户的要求粘合肩垫。在这里，一排排的储罐在通过各种收尾步骤时坐着。
这栋楼的这一端有很大的扩建空间。丘齐克说：“我们已经考虑过所有这些，知道如何扩展机器人系统并添加模块化单元，具体取决于需要哪种类型的储罐生产扩张。”。“我们正试图思考未来10年。”
数据驱动、脱碳的未来
这种前瞻性战略也体现在卡塞尔利用收集到的数据（例如排放、能源使用、废物）来提高其运营的可持续性，并在其年度ESG报告中公布。丘齐克说：“我们在2024年为该工厂发布了第一份ESG文件，并开发了范围1和2数据，但现在正试图通过我们的供应链扩展我们的范围3报告。从2025年开始，我们将把供应商的数据纳入我们的在线收集中，并正在我们的ERP系统中实现自动化。我们正在将这些在线数据分配给每台机器、每批气缸，甚至批次中的每个主轴。”我们正在将这些在线数据分配给每台机器、每批气缸，甚至批次内的每个主轴。
然后，这些数据用于该设施自身的脱碳开发。气缸的生命周期评价将在不久的将来发布。
然后，这些数据用于该设施自己的脱碳战略制定。“我们将在不久的将来设定这些目标，”他解释道，“因为这是我们作为一家试图帮助地球脱碳的公司的商业模式的一部分。”例如，一个问题是碳纤维的使用，因为它的制造使用了大量的能源，从而产生了大量的二氧化碳。“
但拥有数据是制定智能战略的关键和必要条件，” 丘齐克补充道。“我们于2021年与卡塞尔Hexagon公司开始了这一过程，然后开始为卡塞尔生产的气缸开发生命周期分析。在不久的将来，我们将在内部发布我们的生命周期分析，然后在外部发布。2027年，我们计划发布我们的环境产品宣言，该宣言认证了我们的生命循环分析，然后从2028年开始每年更新一次。”
H₂市场极具活力和挑战性，但Hexagon Purus花了十年时间验证其各个细分市场，建立了强大的全球客户群，然后建立了专注于效率、灵活性，当然还有可持续性的生产能力。这种方法在卡塞尔得到了体现，也是使Hexagon Purus在任何单一细分市场大规模采用之前，通过多样化的产品在商业规模上实现盈利的部分原因。
丘齐克说：“我们是一家脱碳公司，因此我们着眼于整体H₂经济，以及化石燃料在广泛的应用和行业中是如何被替代的。”。他指出，卡塞尔的生产方法也被用于该公司在中国的工厂，适应了当地熟练劳动力的变化，能够扩展到每年10万个储罐。“这种方法使我们能够以模块化的方式进行扩展，这意味着我们可以根据市场的发展情况集成改进的设备或根据需要进行调整。”
脱碳对于减缓气候变化和拯救地球至关重要，因此卡塞尔设施帮助实现这一目标的能力非常重要。但另一个关键贡献是，这条经过深思熟虑的紧凑型生产线能够在复合材料4.0自动化制造中向前迈出一步。它为其他碳纤维增强塑料零件生产商提供了一个教训，即可持续、智能的工艺对我们行业的未来是可能和必要的。
原文《 Plant tour: Hexagon Purus, Kassel, Germany 》
杨超凡
