Испытательная лаборатория Университета Суинберна и CSIRO в Индустрии 4.0 для аддитивного производства композитов

Технологический университет Суинберна (Мельбурн, Австралия) создает испытательную лабораторию Индустрии 4.0 для производства композитных добавок в партнерстве с Австралийским национальным научным агентством, Организацией научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO, см. «Разработка более качественных, высокопрочных, низкокачественных материалов). стоимость углеродных волокон »). Объект в настоящее время строится на площадке CSIRO в Клейтоне и будет завершен в октябре 2020 года.

Эта лаборатория "Индустрия 4.0 для композитов", поддерживаемая федеральным правительством Австралии, является одной из шести в национальной сети Австралии, аналогичной Labs Network Industrie 4.0 . в Германии. Эта Testlab - первая национальная лаборатория в государственной сети, цель которой - дать возможность малым и средним предприятиям (МСП) тестировать новые технологии и бизнес-модели, созданные Индустрией 4.0, исследуя аспекты от проектирования до экономической целесообразности, в предконкурентном режиме. окружающая среда с минимальным техническим и финансовым риском. Каждая Testlab имеет особую направленность на продукт. Для Суинберна это аддитивное производство композитов.

«Лаборатория Индустрии 4.0 для композитов в Суинберне обеспечит экспериментальный процесс для расширения производственных возможностей Австралии», - говорит Бронвин Фокс, заместитель проректора по исследованиям и предпринимательству в Университете Суинберна. Фокс присоединился к Суинберну в 2015 году, сначала взяв на себя роль директора «Фабрики будущего», а затем директора Исследовательского института производственного будущего при университете. До прихода в Суинберн она была директором по исследованиям Carbon Nexus в Университете Дикина.

«Testlab Суинберна продемонстрирует особенности производства цифровых композитов в иммерсивной среде», - говорит Фокс. «Процессы пилотного производства будут контролироваться в цифровом виде, от проектирования деталей и оптимизации до готового продукта. Мы также создадим цифрового двойника процесса и раздвинем границы виртуального ввода в эксплуатацию ».

Центр композитных материалов 4.0 будет размещен в новом, сделанном на заказ здании. «Совместная лаборатория CSIRO и Swinburne Testlab сосредоточена на первом в мире процессе аддитивного производства композитов, армированных углеродным волокном, в промышленных масштабах», - говорит д-р Маркус Зиппер, исполнительный директор подразделения CSIRO Future Industries. «Это делает его расположение в центре участка аддитивного производства Клейтона как нельзя лучше. В CSIRO мы все стремимся создавать возможности для малых и средних предприятий и более широкой инновационной экосистемы, и эта Testlab является еще одним примером этого ».

Партнеры и процесс

В лаборатории тестирования композитных материалов Индустрии 4.0 есть много ключевых партнеров с Siemens Australia . (Бэйсуотер, Виктория) одним из первых предоставил Суинберну грант на программное обеспечение для оцифровки в размере 135 миллионов долларов в 2017 году. Это обеспечивает Composites 4.0 Testlab набором расширенного программного обеспечения для управления жизненным циклом продукта (PLM), а также облачной системой Siemens, открытая платформа Интернета вещей (IoT), MindSphere.

Согласно презентации Siemens Australia, по состоянию на август 2019 года в MindSphere было около 500 цифровых приложений / предложений и 1,4 миллиона подключенных устройств и систем. «MindSphere позволит оборудованию самых разных производителей взаимодействовать друг с другом», - поясняет Фокс в своей презентации ICCM22 «Подход Индустрии 4.0 к 3D-печати композитных материалов». В этом документе описывается, как будет работать Swinburne Industry 4.0 Testlab:

«Датчики… позволят на каждом этапе производственной линии собирать большой объем данных о процессе. Эта информация будет храниться в безопасном локальном облаке, а также будет немедленно использоваться для прямой связи и обратной связи производственных данных с другими машинами в линии, тем самым обеспечивая самонастраивающийся производственный процесс.

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

Фокс также отмечает, что производственные линии для производства композитных материалов Индустрии 4.0 нельзя покупать в готовом виде. Таким образом, Суинберн развил сеть поставщиков и конечных пользователей, чтобы информировать о проектировании и разработке своего оборудования и оборудования Composites 4.0 Testlab. Партнеры, поставляющие ключевые компоненты, включают:

ЗАПОЛНИТЬ (Gurten, Австрия) поставила многослойную систему, которая укладывает точно разрезанные и ориентированные однонаправленные волокнистые ленты в почти сетчатые формы размером до 1,6 на 1,6 метра. Использование ленты почти чистой формы снижает количество брака с более чем 60% до менее чем 10%. Ленты откладываются с катушек на вращающийся стол, причем слой выполняется каждые 15 секунд. Фокс отмечает, что многослойная машина Fill может складывать ленты из термореактивного препрега и жгута, а также из сухого волокна и легкоплавкого термопласта, такого как полиамид (PA). В настоящее время ведутся НИОКР по термопластам с высокой температурой плавления, таким как полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэфиркетонекетон (PEKK). «Многослойная машина также позволяет использовать гибридные материалы, такие как смешивание стеклянных и углеродных волокон и смесей с натуральными волокнами и т. Д.», - добавляет она.

Quickstep (Сидней, Австралия) - крупнейший независимый производитель передовых композитов аэрокосмического качества в Австралии, предлагающий обширный опыт как в автоклавных, так и внеавтоклавных композитах (OOA). Запатентованная Quickstep система OOA, Qure, и ее высокопроизводительная версия для аэрокосмических приложений, AeroQure, представляют собой усовершенствованный процесс производства композитов, который предлагает значительные преимущества по сравнению с традиционными производственными технологиями, такими как отверждение в автоклаве, в том числе:

• Низкие капитальные затраты на установку.
• Значительно более короткое время цикла отверждения.
• Сниженное потребление энергии.
• Гибкость конструкции для соответствия или улучшения свойств материала конечного продукта.
• Возможность изготавливать сложные интегрированные детали.

Qure использует циркулирующий теплоноситель под давлением (HTF) для поддержки формы и быстрого нагрева и охлаждения детали. Обработка при более низком давлении (вакуум плюс до 2,5 бар) обеспечивает более дешевую оснастку. Быстрый нагрев формы и материала снижает вязкость процесса, улучшая выделение воздуха и смачивание волокон. Более низкая вязкость улучшает адгезию к сотовым и вспененным сердцевинам, что приводит к более высокой прочности на отслаивание и уменьшению раздавливания сердцевины при отверждении. HTF обеспечивает превосходный температурный контроль даже для толстых ламинатов, склонных к экзотермическим реакциям.

Лангзаунер (Ламбрехтен, Австрия) поставляет высокотемпературный автоматизированный пресс с усилием зажима до 300 тонн, который может использоваться в различных процессах - от различных форм литья смолы (RTM) до термоформования. Это позволит впрыскивать смолу в сухие преформы с последующим отверждением или прессованием термореактивных и термопластичных препрегов.

Пресс обеспечивает энергоэффективность / экономию за счет сервогидравлики и высочайшей точности, даже при асимметричной загрузке, за счет управления одним поршнем. Высокопроизводительная инфракрасная (ИК) печь быстро нагревает материалы до желаемой температуры обработки, компенсируя различную толщину с помощью индивидуальной системы управления излучателем. Быстрая передача предварительно нагретого материала на станцию ​​прессования обеспечивается линейной осью. С помощью высокотемпературной системы нагрева плиты можно формовать детали при температурах не ниже 400 ° C, что позволяет обрабатывать такие современные термопласты, как полиэфирэфиркетон (PEEK).

Пресс также может работать с рамой с двойной диафрагмой (см. Блог 2020 о формовании двойной диафрагмы). Высочайшая степень оцифровки и мониторинга гарантируется гибким, надежным и удобным программным обеспечением.

NETZSCH (Зельб, Германия) предоставит технологию мониторинга отверждения в форме, позволяющую контролировать производство композитов в зависимости от поведения материала.

Платин (Израиль) предлагает оцифровку, оптимизацию и программное обеспечение цифрового двойника для производства композитов, которое позволяет отслеживать инструменты, детали и сырье, создавать цифровых двойников и анализировать данные машинных датчиков для оптимизации производства деталей. Plataine поддерживает широкие партнерские отношения с лидерами и поставщиками композитных материалов, включая Siemens.

CIKONI (Штутгарт, Германия) поставила систему DrapeWatch для поточного контроля и оцифровки как преформ, так и сборных деталей. Эта роботизированная система трехмерного анализа может определять зазоры, перекосы и неровности. Он сочетает в себе визуальный датчик для детального контроля поверхности с датчиком EddyCurrent для выявления внутренних дефектов и углубленного анализа материала. Данные анализируются с помощью алгоритмов искусственного интеллекта системы, чтобы обеспечить раннее обнаружение дефектов, избегая дорогостоящих повторных запусков. Интерфейс к анализу методом конечных элементов (FEA) позволяет экспортировать результаты углов волокон в имитационные модели для оценки влияния дефектов на характеристики детали. Модульная система также может быть расширена за счет интеграции термографических, ультразвуковых или лазерных сканирующих устройств.

Оборудование от Fill и Langzauner будет установлено в середине 2020 года. «Fill проводил для нас эксперименты, - отмечает Фокс, - и мы отправили персонал в Австрию для обучения работе с отдельными деталями, а также для обучения оцифровке». Как только все технологическое оборудование будет введено в эксплуатацию, мы будем использовать технологию RFID (радиочастотной идентификации) Plataine и масштабируемся до последней платформы периферийных вычислений PlataineEdge, которая обеспечит анализ в реальном времени и обмен данными между машинами ».

Другая часть концепции Swinburne Composites 4.0 Testlab - обеспечить гибкое производство, которое может очень быстро адаптироваться к меняющимся требованиям отрасли:

«На типичной производственной линии изменение или модификация продукта требует значительных модификаций оборудования и ручного вмешательства. Следовательно, для того, чтобы такая смена продукта была прибыльной, требуется минимальный размер партии нового продукта. Напротив, в видении Индустрии 4.0 умные фабрики позволяют рентабельно производить индивидуальные требования клиентов и даже единичные изделия. Такой завод может легко отреагировать на изменения в последнюю минуту от имени клиентов и поставщиков. Следовательно, одна из основных целей предлагаемой производственной линии - дать ей возможность производить различные продукты с минимальным вмешательством вручную или без него ». - Фокс и Субик, «Подход Индустрии 4.0 к 3D-печати композитных материалов»

ARENA2036 и ссылки на глобальные цепочки создания стоимости

Помимо создания фабрики оцифрованных физических композитов 4.0, Суинберн также будет обучать новое поколение сотрудников. Последнее стало возможным благодаря гранту в размере 1 млн долларов на четыре года от Австралийской программы Global Innovation Linkages. Ключевым партнером в этой инициативе является ARENA2036, отраслевая программа Штутгартского университета по исследованиям и разработкам, которая называется «Гибкая исследовательская платформа для мобильности и производства будущего». Поддерживаемая Федеральным министерством образования и исследований (BMBF, Бонн, Германия) и действующая как зарегистрированная ассоциация, в которую входят 38 представителей науки и промышленности, ARENA2036 включает «STARTUP AUTOBAHN» и здание площадью 10 000 квадратных метров, из которых 4700 квадратных метров. это открытый производственный цех с высотой потолка 16 метров и 10-тонным промышленным краном. Суинберн присоединился к ARENA2036 в качестве члена в 2018 году.

Лаборатория Swinburne Composites 4.0 Testlab и ARENA2036 сотрудничают в рамках программы стоимостью 3,6 миллиона долларов США, поддерживаемой программой Global Innovation Linkage (GIL) правительства Австралии по производству крупносерийных легких композитных материалов в рамках Индустрии 4.0 с упором на конкретную производственную технологию с помощью гибких систем инструментов и инструментов. технология цифровых двойников. Он будет включать:

• НИОКР и коммерциализация, содействие совместным стартапам.
• Совместный набор, совместное руководство и обмен аспирантами
• Совместные исследовательские семинары и симпозиумы.

Это партнерство также предусматривает совместные научно-исследовательские проекты с Институтом производственной инженерии и автоматизации им. Фраунгофера и Институтом промышленной инженерии (Fraunhofer IPA и IAO, Штутгарт), включая стажировку аспирантов в Институте дизайна самолетов (IFB) при Штутгартском университете в соответствующих странах. Области Индустрии 4.0. «Проект GIL является важной вехой для передовых композитных процессов, а также для сотрудничества SUT, Штутгартского университета и ARENA2036», - говорит профессор Питер Миддендорф, директор IFB. «Мы гордимся тем, что являемся партнером в самом проекте, и объявляем о двух других совместных исследовательских проектах, поддерживаемых правительством Германии, которые напрямую связаны с GIL».

«Мы будем обучать новую группу совместных докторантов, владеющих цифровыми технологиями, из Суинберна и Штутгартского университета», - говорит Фокс. «Мы не только будем развивать процессы Composite 4.0, но и укрепим глобальные партнерские отношения и создадим новые продукты, которые можно будет экспортировать из Австралии, особенно на новые рынки мобильности. Благодаря этому международному сотрудничеству лаборатория «Индустрия 4.0» Суинберна будет активно связывать австралийские МСП в глобальные производственно-сбытовые цепочки. Мы уже продемонстрировали это с нашим партнером Imagine Intelligent Materials и надеемся распространить это на других австралийских новаторов ».

«В стремительно приближающемся цифровом производстве будущего будет жесткая международная конкуренция, - говорит Фокс. «Вот почему наше развитие возможностей и персонала для композитных материалов 4.0 так важно сейчас».

Лаборатория Индустрии 4.0 для производства композитных добавок в Университете Суинберна будет запущена в декабре 2020 года. Следите за обновлениями CW для будущих обновлений и прочтите нашу статью от июля 2020 года «Композиты 4.0:Цифровая трансформация, адаптивное производство, новые парадигмы» вместе с пятью боковыми панелями в Интернете:

• Композиты 4.0:цифровой двойник против цифровой нити
• Обновление проекта ZAero
• Композиты 4.0:с чего начать?
• Нет экономического обоснования для обучения роботов
• Архитектура и онтология Composites 4.0