Национальная стратегия композитов Великобритании

Department for Business, Innovation & Skills.

Впервые опубликовано в ноябре 2009

Национальная  стратегия композитов Великобритании.

Содержание

1. Национальная стратегия  композитов Великобритании

2. Преодоление рыночных  барьеров

3. Что такое композиты?

4. Промышленность Британии - потенциал роста

5. Помощь промышленности  Британии в достижении успеха

1. Национальная стратегия  композитов Великобритании

Индустриальное наследие Великобритании очень богато <…>

Для Великобритании сидеть в стороне и позволять другим странам захватить быстрорастущий рынок композитов не вариант. Чаще отрасли, в которых используются  современные  композитные материалы, создают  более долговечные, легкие и высокопроизводительные продукты. В нашем программном  документе «Новые отрасли, новые рабочие места», Правительство определило композиты в качестве ключевого фактора в обеспечении производственной базы Великобритании для развития на ближайшие десятилетия. Понятно, что коммерческие возможности этих материалов обширны и развитие отрасли пойдет на пользу как крупнейшим аэрокосмическим компаниям, так и самым маленьким стартапам. У Великобритании уже есть опыт в области использования композитов в аэрокосмической отрасли и в области производства высококлассных машин, но нужно прилагать больше усилий для развития высококонкурентной композитной индустрии. Сегодня наблюдается излишняя специализация, которая ограничивает развитие сплоченной композитной промышленности и передачу технологий другим производствам различных секторов, которые тоже могли бы использовать композиты. Отмечается роль государства в работе с бизнесом в целях повышения осведомленности о коммерческих возможностях, а также формирования технических и экономических условий, необходимых для быстрого развития  производства в масштабах, невиданных ранее.

Создание фундамента позволит оснастить квалифицированных работников методами и процессами по производству дорогостоящих товаров, таких как крылья самолета, автомобильные компоненты и ветротурбины больших объемов. В наших силах создание прочных основ, которые откроют потенциал роста и развития для производств разных секторов, использующих продвинутые композиты. Победителями будут не только британские производители, но и цепочки поставок, которые будут поддерживать эти компании,  отрасль тем самым расширяется.

Стратегия композитов посвящена тому, как этого достичь и какие первостепенные меры предпринять для поддержки индустрии. Скоординированный подход с участием правительства, регионов, промышленности, научно-исследовательских институтов и академий обеспечит все возможное для того, чтобы реализовать все коммерческие возможности. Создание национального центра по построению прототипов и оперативный процесс производства в Великобритании будут способствовать росту промышленности.

Развитие более «умных»  процессов переработки будет  способствовать более эффективному использованию композитов. И обучение с учетом потребностей сектора создаст квалифицированную рабочую силу с достаточным количеством знаний для развития отрасли. Такой подход является ключевым элементом обязательства правительства по реализации активной промышленной стратегии, которая позволит обеспечить экономический рост, процветание и занятость после глобального экономического спада. Установление этих рамок будет обеспечивать стабильный экономический рост (Питер Мендельсон, министр по делам бизнеса, инноваций и навыков).

2. Преодоление рыночных  барьеров

Мировая композитная промышленность становится все более конкурентной.  Существуют рыночные барьеры, которые  могут препятствовать коммерческим инвестициям в композиты и технологическое развитие отрасли. В Великобритании промышленность композитов раздроблена (фрагментирована) и предприятия не способны в один голос сформулировать производственные требования. Это привело скоплению неудач: так только немногие фирмы имеют достаточное количество средств 
для достижения желаемого результата от инвестиций в оборудование, создающее композиты быстро и экономно. Следовательно, передача между компаниями и секторами технологий и опыта затруднена из-за структуры отрасли.

Наряду с этим, существует нехватка навыков, необходимых практически на всех уровнях, а программу обучения трудно определить и получить,  как и найти  квалифицированных специалистов в конкретных отраслях промышленности, а не в самой композитной промышленности. Что касается прочности и переработки, будущее развитие технологии переработки и создания добавленной стоимости для переработанных композитов необходимо для повышения срока полезного использования, кроме того, нам нужно коммерциализировать наши предложения по переработке современных композитных материалов и продолжать работу по свойствам прочности композитов.

В этой стратегии, мы ссылаемся  на «композитную промышленность», признавая, что к ней мы относим  компаний в основном в таких секторов, как аэрокосмическая промышленность, а не собственно «композитную промышленность». Наша цель заключается в создании условий, при которых компании могут благотворно работать вместе в различных секторах и сотрудничать друг с другом для создания такой промышленности. Наши предложения направлены на решение этих проблем и позволяют предприятиям добиться успеха в будущем. Наш подход будет формироваться по мере развития рынка. Мы продолжим работать с предприятиями, отраслевыми органами, профсоюзами, рабочими группами, учеными, агентствами регионального развития (АРР) и автономными администрациями для развития  нашей стратегии.

Рисунок  1- Наши предложения  для отрасли 

3. Что такое композиты?

В своей основной форме, композиты  состоят как минимум из двух материалов, которые вместе создают материальные свойства, отличные от свойств этих материалов по отдельности. На практике, большинство композитов состоят из сыпучего материала ("Матрица"), и своего рода укреплений (как правило, волокно, частицы или хлопья), которые нужны в основном для увеличения прочности и жесткости материала. Эта стратегия направлена ​​на продвинутые композиты (структурные армированные композиты с полимерной матрицей), где, как мы считаем, можно захватить конкурентные преимущества, расширить нашу долю в существующих секторах и обеспечить использование композитов в новых отраслях.

Преимущества композитов

Свойств композитов и выгоды от их использования будут стимулировать  спрос от современных производителей в ближайшие годы. Композиты- легкие материалы с высокими эксплуатационными характеристиками. Их используют для снижения веса в автомобильной, аэрокосмической и других отраслях,  что создает экономию на эксплуатационных расходах и, что более важно, уменьшает выбросы углекислого газа, помогая повысить эффективность ресурсов и способствует переходу к использованию более экологичных транспортных средств. Не умаляя проблем с использованием композитных материалов в массовом производстве автомобилей, работа некоторых производителей показывает, что композиты могут принести значительные выгоды при их использовании для грузовых автомобилей, автобусов и других крупных транспортных средств в ближайшие несколько лет. Во многих случаях выгоды возникают от высокой удельной прочности композитов (т.е. способности выдерживать при меньшем весе тот же уровень нагрузок) и скорости монтажа, что делает их идеальными для использования в структурах, таких как мосты. Инфраструктурный проект Нетуорк рейл принес  Дорожному агентству и лондонскому метро все возможные выгоды от быстрого, простого и недорогого монтажа.

Морская ветроэнергетика все чаще обращается к проектированию и изготовлению турбин с большими лопастями для создания ветротурбин.

В сентябре правительство  огласило, что выделит 4,4 млн фунтов Clipper Wind на разработку их первого прототипа 71.5 м лопасти для Британского  проекта самой большой турбины  в мире. Увеличение размеров означает  увеличение веса больших лопастей и требует использование жестких материалов, чтобы предотвратить сгибание лезвия. Прочность и жесткость композитов делают их идеальным материалом для производства нового поколения ветровых турбин.

Отличная долговечность композитов при различной степени внешних воздействий и давления, означает, что эти материалы уже широко используется в высококлассных автомобилях и военных самолетах. <..>

Непревзойденная коррозийная  устойчивость делает их идеальными для  использования в аэрокосмической  отрасли, конечные продукты которой  часто используются в экстремальной  внешней среде.

Почему мы сфокусировались  на продвинутых композитах.

Наше внимание сосредоточено  на усовершенствованных композитных материалах, где, по нашему мнению, мы можем создать конкурентные преимущества, увеличить нашу рыночную долю среди существующих секторов и обеспечить использование композитов в новых отраслях. Композиты с полимерной матрицей (известные как PMC или армированные полимерные волокна, FRP) имеют широкий диапазон свойств в зависимости от используемого волокна или матрицы. Большинство из них обеспечивают более высокую прочность и жесткость по отношению к весу, долговечность и коррозионную стойкость по сравнению с другими широко используемыми конструкционными материалами, такими как сплавы алюминия. Этот документ фокусируется на подклассе PMC, которые именуются в документе как продвинутые композиты и представляют собой структурные композиты, армированные волокном, с полимерной матрицей. Их производство часто зависит от разработки и сочетания компонентов материалов, включая химические вещества из технически продвинутой и высококвалифицированной промышленности композитов.

Один из примеров таких  композитов- CFRP- углепластик. Он уже  давно используется в ресурсоемких технологичных отраслях, таких как автоспорт и аэрокосмическая промышленность из-за его значительной прочности, жесткости и весовых преимуществ по сравнению с другими конструкционными материалами. Решения для сокращения затрат и времени на производство компонентов углепластика помогут сделать композиты достойной заменой другим материалам.

Наша стратегия направлена ​​на устранение основных препятствий, общих для ряда секторов и на содействие разработке и коммерциализации продвинутых композитов. Как таковая, она не охватывает все продукты или все рынки с использованием современных композитных материалов и не учитывает все ограничения. Исходя из этого, нашей целью является решение проблем в тех областях, где Великобритания  может получить конкурентные преимущества в разработке и коммерциализации композитов  и где целенаправленное государственное вмешательство может изменить ситуацию.

Мы признаем, есть другой пласт материалов, который будет  конкурировать с композитами, например, алюминиевые сплавы, и что другие конкурирующие материалы будут  развиваться в будущем для  удовлетворения потребностей промышленности.

Композиты также имеют  преимущества над некоторыми металлическими аналогами. Например, продуманная  конструкция, может предполагать использование легковесных материалов только в особых несущих сегментах конструкции.

Еще одно преимущество использования композитов состоит в их встраиваемой функциональности. Это означает, что можно разместить датчики, которые позволяют в режиме реального времени осуществлять мониторинг компонентов, что предлагает огромные преимущества в обслуживании и мониторинге и помогает сэкономить еще больше веса, устраняя необходимость создавать дополнительные отдельные компоненты для мониторинга. Композиты также могут конструироваться для частичного самовосстанавливания при повреждениях, что очень значимо для структур, которые часто повреждаются или для структур, которые сложно ремонтировать.

Поскольку мы движемся по направлению  к низкоуглеродной экономике, важно  понимать последствия использования  продвинутых материалов в контексте их жизненного цикла. Хотя композиты в целом обладают многими атрибутами, которые способствуют развитию низкоуглеродной экономики за счет снижения потребления энергии транспортом в связи с уменьшением веса  и ликвидации электрохимических коррозий, их роль в развитии долговечных продуктов требует дальнейшей работы. Большинство смоляных систем в настоящее время базируются на нефти, в то время как углерод и стекловолокно производятся с использованием энергоемких процессов.

Композиты, которые получаются из натуральных волокон, таких как джут, конопля, рами и сизаль могут обеспечить устойчивые  преимущества в той же мере, в которой отвечают  техническим требованиям по прочности и снижению веса. Конопляные волокна много лет использовались BMW, Mercedes, Volvo и многими другими производителями автомобилей для деталей интерьера автомобилей. Также разрабатываются связующие растительного происхождения, что в будущем приведет к развитию полностью возобновляемых композитных материалов. Дальнейшие исследования необходимы в отношении волокон естественного происхождения, чтобы обеспечить их свойствами продвинутых композитов. Кроме того, наряду с превосходными свойствами продвинутых композитов, есть ряд вопросов, которые могут повлиять на дальнейшее использование композитов. Они включают в себя вопросы, связанные с ремонтом, соединениями с другими материалами и затратами, во многих отраслях есть ценовое преимущество использования композитов с учетом эксплуатационных издержек выпускаемой продукции (см. исследование AgustaWestland ). Однако эта стратегия устанавливает существенные преимущества использования продвинутых композитов, и мы ожидаем, что композиты, как и другие материалы, будут развиваться в соответствии с отраслевыми требованиями. Дополнительные технические сведения о продвинутых композитах можно найти по этой ссылке. http://webarchive.nationalarchives.gov.uk/+/interactive.bis.gov.uk/advancedmanufacturing/composite-strategy-documents/

Мировой рынок

Глобальные силы, которые  привели к сдвигу промышленности Великобритании  за последние несколько  десятилетий к производству с  более высокой добавленной стоимостью, а также производству технологичных  и наукоемких товаров и услуг,  будут продолжать формировать экономические  успехи нашей страны в будущем. Серьезные тенденции к сложным технологиям, таким как промышленные биотехнологии, передовые химические вещества, нанотехнологий и низкоуглеродистые решения,  а также потенциальные сильный рост развивающихся экономик в мире, принесет как новые возможности, так и конкуренцию. Глобальные рынки делают ставку на квалифицированность, технологии и решения, которые Великобритании может предложить. Создание в Великобритании сильных позиции в производстве и использование таких материалов, как продвинутые композиты, позволит нам более эффективно конкурировать, чем странам с более низкой стоимостью рабочей силы, которые также стремятся инвестировать в композиты.

Будущий рост

Согласно исследованиям  рынка, мировой рынок композитов в ближайшие 5 лет будет расти, в основном благодаря аэрокосмической  отрасли (на 15,6 % ежегодно) и ветряной энергетике(на 13,3 % ежегодно)

Япония и США- мировые  лидеры.

Япония и США являются ведущими мировыми инвесторами в  углеволокно. В Японии находится  3 крупнейших в мире поставщика углеволокна, что составляет более 70% мирового производства, основные сектора применения - аэрокосмическая, автомобильная, ветряная энергетика  и промышленное оборудование.

 Поддержка японского правительства происходит в основном в рамках совместных промышленных проектов, в частности крупномасштабных демонстрационных проектов для стимулирования производителей аэрокосмоса и автомобилей к использованию композитов . Эти программы реализуются через Министерство экономического развития и торговли (METI) и Государственное агентство композитов (RIMCOFF). Производителей углеродного волокна США, Hexcel и Cytec, обеспечивают почти 15% мирового производства углеродного волокна. В основном действия американского правительства нацелены на развитие космической, оборонной и аэрокосмической промышленности. Например, Департамент по делам обороны инвестирует большие суммы в композиты, которые затем используются в коммерческих целях.

Среднегодовой рост мировой  композитной отросли по сегментам  рынка, прогноз 2009-2014

Растущая конкуренция  на европейских рынках

Наши крупнейшие европейские  конкуренты Германия, Франция и Испания  также признали потенциал роста  композитной отрасли. Немецкое правительство выделило средства по регионам на ближайшие 5 лет на развитие 2 композитных кластеров. CFK-Valley Stade недалеко от Гамбурга фокусируется на развитии новых производственных процессов, в том числе автоматизацию,  производства углеволокна. Stade также играет важную роль в подготовке композитных инженеров и техников. Второй центр-Аугсбург, фокусируется на развитии технологий производства углеволокна.

Франция разрабатывает несколько  новых и существующих кластеров  композитных исследований.

Крупнейший кластер, основанный в Нанте, проводит исследования и  разработки композитных материалов, при поддержке Airbus и EADS. Другие кластеры включают аэрокосмический центр в Аквитании и новый кластер, который разрабатывается в регионе Мозель.

Испания в первую очередь  ориентируется на аэрокосмическую промышленность. У них есть 4 основных кластера. Крупнейший- около Мадрида, в нем задействовано около 17.000 человек. Испания также является мировым лидером в области ветроэнергетики, в 2009 году производитель ветровых турбин  Gamesa объявил о создании R & D программы совместно с испанской автомобильной компанией MTorres,  по разработке композитных лопастей для ветряных турбин.

4. Потенциал роста промышленности Великобритании

Усиление конкуренции  со стороны развивающихся стран  означает, что конкурентное преимущество Великобритании по-прежнему будет заключаться  в проектировании и поставке товаров  и услуг с высокой добавленной стоимостью, основанных на современных технологиях и навыках передовых производств. Фрагментация глобальных цепочек поставок означает, что многие британские фирмы, скорее всего сфокусируются на производстве и торговле промежуточными товарами, а не готовой продукции. Мы считаем, что за счет инвестиций в автоматизацию оборудования, в сочетании с опытом Великобритании в области конструирования, инноваций и технологий, британские компании смогут производить экономичные высококачественные композитные изделия и  конкурировать с лучшими представителями отрасли на мировом рынке.

Рыночная конъюнктура

Широкие возможности для  сектора существуют:

Энергия ветра, особенно на море, представляет, возможно, самый главный потенциал роста использования композитов в Великобритании. Для реализации низкоуглеродной промышленной стратегии, правительство выделило 120 миллионов фунтов стерлингов на развитие британской морской ветроэнергетики. С потенциальным  увеличением до 29GW дополнительных мощностей морского ветра к 2020 году, Великобритания станет единственным крупнейшим рынком морской ветроэнергетики в обозримом будущем. Это открывает широкие возможности для Великобритании с учетом потенциального спроса на большие, более прочные и долговечные композитные лопасти для турбин.

Волновая и приливная  энергия. Обширные речные и прибрежные ресурсы Великобритании предоставляют значительные возможности содействия использованию возобновляемых источников энергии. Многие инновационные компании Великобритании осваивают новейшие волновые и приливные энергетические технологии с использованием продвинутых композитов.

В аэрокосмической промышленности, растущий спрос на снижение веса и достижения в композитных строительных технологиях привели к значительному увеличению использования композитов в гражданской авиации в последние несколько лет. Они составляют примерно от 10% до 15% веса конструкции и до 25% для Airbus A380 и 50% для Boeing 787 и Airbus A350 XWB. Дальнейшие достижения в области дизайна и технологий, скорее всего, будут увеличивать эту долю для новых поколений самолетов с «узким телом».

В автомобильной промышленности, так  как Великобритания движется к экологичной экономике, более  экологичная конструкция автомобиля будет требовать использования легких материалов, по типу продвинутых композитов, чтобы сократить выбросы топлива и снизить эксплуатационные расходы. Новая команда инновационного автомобилестроения и роста (NAIGT) подготовила отчет по отраслям, где отмечается важность снижение веса материалов для автомобильной промышленности в будущем. В краткосрочной перспективе, как указано выше, существует потенциал для расширения использования композитов в таких автомобилях, как грузовые, автобусы и других крупных транспортных средствах. В среднесрочной перспективе существует возможность передавать больше знаний и навыков для увеличения объема производства транспортных средств.

В морской промышленности уже давно используются в основном  стекловолокно и полиэфирные смолы в качестве основного строительного материала корпусов лодок, палуб и надстроек в рекреационной отрасли судостроения. Эти композиты имеют доказанные функциональные преимущества, как по издержкам, так и по качеству и широко используются в производстве судов длиной до 37 метров в Великобритании, а так же для некоторых немногочисленных больших сосудов, коммерческих и военных малых судов. Композитные технологии в настоящее время изучаются и применяются выборочно в британском секторе судостроения, в том числе в отношении процессов возникновения плесени, инфузии смол на корпусах и палубах и конструкций для открывания крыши из легкого углепластика для моторных яхт. Это формирует потенциал для дальнейшего повышения эффективности процессов и дифференциации продукции, которые необходимы для поддержания Великобританией конкурентных позиций на всех сегментах морских продуктов.

Другие большие возможности  существуют в создании структур, находящихся на палубе, оборудования и приспособлений круизных и военных судов.  В некоторых секторах пока не будет железных доказательств  надежности использования материалов в суровых условиях в течение длительного периода времени, широкого их внедрения не произойдет. Тем не менее, опираясь на опыт в Северном море, Великобритания располагает хорошими возможностями нефтегазовом секторе, в том числе для развития в будущем  использования  композитов для  восстановления коррозии стальных конструкций и разработки технологий обнаружения неиспользованных резервов энергии на большой глубине.

Возможности существуют также  в строительстве жилых и нежилых зданий и других сооружений, таких как мосты. Возможности для более широкого использования композитов возникли благодаря их прочности, изоляции и высоких несущих (поддерживающих) качеств. Композиты, по сравнению со многими другими строительными материалами, благодаря весу  могут быть изготовлены удаленно и установлены быстро и с минимальными  воздействием на окружающую среду, как показало их использование при строительстве мостов. Эти качества делают их привлекательным материалом для ремонта.

В строительстве  спутников, необходимость совершенствования  термостойкости на орбите порождает спрос на панель обшивки из углеволокна. Спутники работают в одних из самых экстремальных условиях. Великобритании будет нужно создавать подобные конструкции, если она хочет сохранить свои конкурентные позиции на спутниковой нише.

Промышленность и правительство  создали команду инноваций и  развития (IGT) для этого сектора, которая  будут решать, как именно расширять  возможности сектора и экономические  выгоды, связанные с производственной деятельностью.

Промышленность Великобритании - доставка специалистов мирового класса

На основе рыночных данных, промышленность композитов  в Великобритании в настоящее время стоит 1 млрд фунтов стерлингов в год (эквивалентно числу произведенных материалов). Мы ожидаем, что эта цифра может значительно увеличиться в ближайшие годы, так как начинается производство составных компонентов для нового Airbus A350 XWB и самолетов Bombardier CSeries. Наше исследование отмечает значимость составных компонентов коммерческих самолетов, которые должны быть изготовлены в Великобритании на сумму в районе 14 млрд. фунтов  за период с 2008 до 2020гг. Эта цифра, однако, может быть выше, так как в нее не включены составные компоненты для военных самолетов, которые мы будем производить для Eurofighter / Typhoon, Joint Strike Fighter и A400M в этот период.<…>

Анализ, проведенный Carbon Trust (2008) показал, что существует возможность получать 29 ГВт энергии из прибрежных вод Великобритании к 2020г., потенциально требуется 65 -75 млрд. фунтов капитальных расходов; 38,36-44,25 млрд. из которых будет приходиться на ветряные турбины. По оценкам Carbon Trust 22,5% общих издержек стандартных морских турбин относятся на систему лопастей, это означает, что должны быть произведены и готовы к установке лопасти на сумму 8 - 10 млрд. фунтов к 2020г. Это открывает значительные возможности для производителей лопастей ветряных турбин. Кроме того, с таким расширением, этот сектор имеет потенциал для создания еще 40000-70000 рабочих мест в Великобритании, в результате чего ежегодные экономические выгоды и инвестиций в Великобританию составят 6-8 млрд. фунтов.