Свинбурнский университет партнерит с CSIRO для создания тестлаба Industry 4.0 композитного аддитивного производства

Свинбурнский технологический университет (Мельбурн, Австралия) устанавливает Тестлаб Industry 4.0 для композитного аддитивного производства в партнерстве с Национальным научным агентством Австралии, Организацией научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO, см. «Разработка более качественных, более прочных, менее дорогих карбоновых волокон»). Объект сейчас строится на сайте CSIRO в Клейтон и будет завершен в октябре 2020 года.

Национальная сеть тестлабов

Поддерживаемый австралийским федеральным правительством, этот Тестлаб Industry 4.0 для композитов — один из шести в австралийской национальной сети, похожей на Labs Network Industrie 4.0 в Германии. Этот Тестлаб — первый национальный объект в штатной сети, где цель — позволить малым и средним предприятиям (СМП) тестировать новые технологии и бизнес-модели, созданные Индустрией 4.0, исследуя аспекты от дизайна до экономической целесообразности, в предупредительной среде с минимальными техническими и финансовыми рисками. У каждого Тестлаба свой продуктовый фокус. Для Свинбурна это аддитивное производство композитов.

«Тестлаб Industry 4.0 для композитов в Свинбурне предоставит пилотский процесс для продвижения производственных возможностей Австралии», — говорит Бронвин Фокс, зампредседателя по исследованиям и предпринимательству в Свинбурнском университете. Фокс присоединилась к Свинбурну в 2015 году, сначала приняв роль директора Factory of the Future, а затем директора Института исследований производственного будущего университета. До присоединения к Свинбурну она была директором исследований Carbon Nexus в Дейкинском университете.

«Тестлаб Свинбурна продемонстрирует особенности цифрового композитного производства в иммерсивной среде», — говорит Фокс. «Пилотские процессы будут цифрово контролироваться от дизайна детали и оптимизации до готового продукта. Мы также создадим цифровой двойник процесса и протолкнем границы виртуальной пусконаладочной работы».

Этот хаб композитов 4.0 будет размещен в новом специальном здании. «Общий Тестлаб CSIRO/Свинбурн фокусируется на мировом первом процессе аддитивного производства карбонокомпозитов в промышленном масштабе», — говорит д-р Маркус Циппер, исполнительный директор дивизиона Future Industries CSIRO. «Это делает его расположение в центре аддитивного производственного пректинкта Клейтона отличным соответствием. В CSIRO мы все о создании возможностей для СМП и более широкой инновационной экосистемы, и этот Тестлаб — еще один пример этого».

Партнеры и процесс

Есть много ключевых партнеров в Тестлабе Industry 4.0 для композитов, с Siemens Australia (Бейсуотер, Виктория) как одним из первых, предоставившим грант на цифровизационное ПО на $135 млн Свинбурну в 2017 году. Это обеспечивает Тестлаб Composites 4.0 набором передовых ПО управления жизненным циклом продукта (PLM) а также облачной открытой платформой Интернета вещей (IoT) Siemens, MindSphere.

По презентации Siemens Australia на август 2019 года, было примерно 500 цифровых приложений/предложений в MindSphere и 1,4 млн подключенных устройств и систем. «MindSphere позволит оборудованию от широкого спектра производителей общаться друг с другом», — объясняет Фокс в своей презентации ICCM22 «Подход Industry 4.0 к 3D-печати композитных материалов». Эта статья описывает, как будет функционировать Тестлаб Industry 4.0 Свинбурна:

«Датчики … позволят каждому этапу производственной линии собирать большое количество процессных данных. Эта информация будет храниться в безопасном локальном облаке и также будет использоваться немедленно для прямой и обратной передачи производственных данных другим станкам в линии, тем самым обеспечивая самоадаптирующийся производственный процесс.

Предлагаемая линия ... предназначена для позволять инспекцию продукта после каждого этапа производственного процесса. Данные инспекции также будут храниться в локальном облаке. Анализ больших наборов данных, хранящихся в облаке, может привести к открытию новых и неожиданных корреляций между состоянием готового продукта и параметрами разных этапов производственного процесса, которые в свою очередь могут быть использованы для оптимизации продукта».

Фокс также указывает, что производственные линии Industry 4.0 композитов нельзя купить готовые. Таким образом, Свинбурн разработала сеть поставщиков и конечных пользователей для информирования дизайна и разработки своего оборудования и объекта Composites 4.0 Тестлаб. Партнеры, поставляющие ключевые компоненты, включают:

FILL (Гуртен, Австрия) поставляет систему Multilayer, которая стакует точно вырезанные и ориентированные однонаправленные ленты волокна в формы, близкие к нетто, до 1,6 на 1,6 метра. Близкие к нетто формы с лентами сокращают отходы с более 60% до менее 10%. Ленты откладываются с бобин на вращающийся стол, со слоем, завершаемым каждые 15 секунд. Фокс отмечает, что машина Multilayer Fill может укладывать ленты термореактивных препрегов и тоупрегов, а также сухое волокно и низкоплавкие термопластики, такие как полиамид (PA). Идет текущая R&D для высокоплавких термопластиков, таких как полиэтиретиркетон (PEEK) и полиэтиркетонкетон (PEKK). «Машина Multilayer также позволяет гибридные материалы, такие как смешивание стекловолокна и карбоновых волокон и смеси с натуральными волокнами и т.д.», — добавляет она.

Quickstep (Сидней, Австралия) — крупнейший независимый аэрокосмического класса производитель передовых композитов в Австралии, предлагающий обширную экспертизу в автоклавных и вне автоклава (OOA) композитах. Патеентованная OOA система Quickstep, Qure, и её высокопроизводительная версия для аэрокосмических применений, AeroQure, — это передовитый процесс производства композитов, предлагающий значительные преимущества перед традиционными техниками производства, такими как автоклавное отвердевание, включая:

• Низкие капитальные затраты на установку
• Значительно более короткие циклы отвердевания
• Сниженное энергопотребление
• Гибкость дизайна для соответствия или улучшения материальных свойств конечного продукта
• Способность производить сложные интегрированные детали

Qure использует прессовированную циркулирующую теплоносимую жидкость (HTF) для поддержки формы и быстрого нагрева и охлаждения детали. Обработка под низким давлением (вакуум плюс до 2,5 бар) облегчает более дешевый инструментарий. Быстрый нагрев формы и материала снижает вязкость процесса, улучшая удаление воздуха и смачивание волокон. Ниже вязкость улучшает адгезию к сотовым и пенным ядрам, что приводит к более высокой отклеивающей прочности и сниженному сдавливанию ядра при отвердевании. HTF обеспечивает превосходный термический контроль, даже для толстых ламинатов, склонных к экзотермическим реакциям.

Langzauner (Ламбрехтен, Австрия) поставляет высокотемпературный автоматизированный пресс с силой зажима до 300 тонн, мультипроцессный — от вариаций литья смолы под давлением (RTM) до термоформования. Он позволит инъекцию смолы в сухие преформы, сопровождаемую отвердеванием, или прессовку термореактивных и термопластичных препрегов.

Пресс достигает энергоэффективности/экономии через сервогидравлику и высшую точность даже при асимметричной нагрузке через управление одним поршнем. Высокопроизводительная ИК-печь быстро нагревает материалы до желаемой температуры обработки, компенсируя разные толщины через индивидуальную систему управления радиаторами. Быстрый перенос предварительно нагретого материала на прессовую станцию обеспечивается линейной осью. Система нагрева пластин высоких температур может формовать детали при температуре минимум 400°C, позволяя обработку передовых термопластиков, таких как полиэтиретиркетон (PEEK).

Пресс также способен на двойную диафрагменную раму (см. блог 2020 года о двойной диафрагменной формовке). Высшая степень оцифровки и мониторинга гарантируется гибким, надежным и удобным софтом.

NETZSCH (Зельб, Германия) предоставит технологию in-mold мониторинга отвердевания, позволяющую контроль композитного производства на основе поведения материала.

Plataine (Израиль) предлагает оцифровку, оптимизацию и ПО цифрового двойника для композитного производства, позволяющее отслеживание инструментов, деталей и сырья, создание цифровых двойников и анализ данных датчиков станков для оптимизации производства деталей. У Plataine широкий спектр партнерств с лидерами и поставщиками композитной отрасли, включая Siemens.

CIKONI (Штутгарт, Германия) поставляет систему DrapeWatch для инлайн-инспекции и оцифровки как преформ, так и консолидированных деталей. Эта робототехническая 3D-аналитическая система может идентифицировать зазоры, дезалигнменты и неправильности. Она объединяет визуальный датчик для детального инспектирования поверхности с датчиком Эдди-токов для внутренних дефектов и глубокого материального анализа. Данные анализируются ИИ-алгоритмами системы для раннего обнаружения дефектов, избегая дорогих переделок. Интерфейс к КЭА позволяет экспорт результатов угла волокна в симуляционные модели для оценки влияния дефектов на производительность детали. Модульная система также может быть расширена интеграцией термографии, ультразвука или лазерного сканирования.

Оборудование от Fill и Langzauner будет установлено к середине 2020 года. «Fill делал эксперименты для нас», — отмечает Фокс, — «и мы отправляли персонал в Австрию для обучения на конкретных деталях, а также обучения в оцифровке. Как только все процессное оборудование будет введено в эксплуатацию, мы используем RFID-технологию Plataine и масштабируем в их последнюю платформу граничных вычислений PlataineEdge, которая позволит анализ в реальном времени и коммуникацию между станками».

Другая часть видения для Тестлаба Composites 4.0 Свинбурна — обеспечить гибкое производство, способное быстро адаптироваться к меняющимся промышленным требованиям:

«В типичной производственной линии смена или модификация продукта требует значительных модификаций оборудования и ручных вмешательств. Поэтому, для того чтобы такая смена продукта была прибыльной, требуется минимальный размер партии нового продукта. В противовес, в видении Industry 4.0, умные фабрики позволяют производить индивидуальные требования клиентов и даже единичные изделия прибыльно. Такая фабрика может легко реагировать на последние изменения от имени клиентов и поставщиков. Следовательно, одна из главных целей предлагаемой производственной линии — позволить ей производить разные продукты с минимальными или нулевыми ручными вмешательствами». — Фокс и Субич, «Подход Industry 4.0 к 3D-печати композитных материалов»

ARENA2036 и связи с глобальными цепочками создания стоимости

Помимо предоставления оцифрованной физической фабрики Composites 4.0, Свинбурн также будет обучать рабочую силу следующего поколения. Последнее становится возможным через грант $1 млн/четыре года от Программы глобальных инновационных связок Австралии. Ключевой партнер в этой инициативе — ARENA2036, индустриально-ориентированная кампусная R&D-программа Университета Штутгарта, самоописываемая как «Высокогибкая исследовательская платформа для мобильности и производства будущего». Поддерживаемая Федеральным министерством образования и исследований (BMBF, Бонн, Германия) и работающая как зарегистрированное объединение с 38 членами из науки и индустрии, ARENA2036 предлагает «STARTUP AUTOBAHN» и здание 10 000 кв. м, 4700 кв. м из которых — открытый производственный зал с 16-метровым потолком и 10-тонным промышленным краном. Свинбурн присоединилась к ARENA2036 как член в 2018 году.

Тестлаб Composites 4.0 Свинбурна и ARENA2036 сотрудничают через программу $3,6 млн, поддерживаемую схемой Глобальных инновационных связок (GIL) австралийского правительства по производству Industry 4.0 высоковолновых легких композитов с фокусом на конкретную производственную технологию, обеспечиваемую гибкими инструментальными системами и технологией цифрового двойника. Она будет включать:

• R&D и коммерциализацию, способствуя совместным стартапам.
• Совместный рекрутинг, ко-супервизию и обмен PhD студентами
• Совместные исследовательские воркшопы и симпозиумы.

Это партнерство также предвидит совместные R&D проекты с Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation и Institute for Industrial Engineering (Fraunhofer IPA и IAO, Штутгарт), включая стажировки PhD студентов в Институте авиационного дизайна (IFB) Университета Штутгарта в соответствующих областях Industry 4.0. «Проект GIL — важный веха для передовых композитных процессов и также для сотрудничества SUT, Университета Штутгарта и ARENA2036», — говорит профессор Питер Миддендорф, директор IFB. «Мы гордимся быть партнером в самом проекте и объявляем два других совместных исследовательских проекта, поддерживаемых немецким правительством, которые напрямую связаны с GIL».

«Мы будем обучать новый когорт цифрово-подкованных совместных PhD студентов между Свинбурном и Университетом Штутгарта», — говорит Фокс. «Мы не только будем развивать процессы Composite 4.0, но и закрепим глобальные партнерства и создадим новые продукты, которые могут быть экспортированы из Австралии, особенно на новых рынках мобильности. Через эти международные сотрудничества Тестлаб Industry 4.0 Свинбурна будет активно связывать австралийские СМП в глобальные цепочки создания стоимости. Мы уже продемонстрировали это с нашим партнером Imagine Intelligent Materials и с нетерпением ждем расширения этого на других австралийских инноваторов».

«Международная конкуренция будет жесточайшей в быстро приближающемся цифровом производстве будущего», — говорит Фокс. «Именно поэтому наша разработка этой способности Composites 4.0 и рабочей силы так важна сейчас».

Тестлаб Industry 4.0 для композитного аддитивного производства в Свинбурнском университете будет запущен в декабре 2020 года. Следите за CW для будущих обновлений и прочитайте наш июльский 2020 фичер «Composites 4.0: Цифровая трансформация, адаптивное производство, новые парадигмы» вместе с его пятью онлайн-сайдбарами:

• Composites 4.0: Цифровой двойник против цифровой нити
• Обновление проекта ZAero
• Composites 4.0: С чего начать?
• Нет бизнес-кейса для обучения роботов
• Архитектура и онтология Composites 4.0