斯威本大学和 CSIRO 的工业 4.0 复合增材制造测试实验室
斯威本科技大学（澳大利亚墨尔本）正在与澳大利亚国家科学局、英联邦科学与工业研究组织 (CSIRO，参见“开发更高质量、更高强度、更低-成本碳纤维”）。该设施目前正在 CSIRO 的克莱顿基地建设，将于 2020 年 10 月竣工。
在澳大利亚联邦政府的支持下，该复合材料工业 4.0 测试实验室是澳大利亚国家网络中的六个测试实验室之一，类似于 实验室网络工业 4.0 在德国。该测试实验室是该州网络中的第一个国家设施，其目标是使中小型企业 (SME) 能够测试工业 4.0 创建的新技术和商业模式，探索从设计到经济可行性的各个方面，在竞争前技术和财务风险最小的环境。每个测试实验室都有一个独特的产品重点。对于斯威本来说，这是复合材料的增材制造。
“斯威本的复合材料工业 4.0 测试实验室将提供一个中试规模的过程，以提高澳大利亚的制造能力，”斯威本大学研究和企业副校长布朗温福克斯说。福克斯于 2015 年加入斯威本，最初担任未来工厂主任，然后担任大学制造未来研究所所长。在加入斯威本之前，她是迪肯大学 Carbon Nexus 的研究主管。
“斯威本的测试实验室将在沉浸式环境中展示数字复合材料生产的特点，”福克斯说。 “从零件设计和优化到成品，中试规模的过程将被数字化控制。我们还将创建流程的数字孪生，并突破虚拟调试的界限。”
这个复合材料 4.0 中心将被安置在一个新的、定制的建筑中。 “CSIRO/斯威本联合测试实验室专注于世界首创的工业规模碳纤维增强复合材料增材制造工艺，”CSIRO 未来工业部门执行董事 Marcus Zipper 博士说。 “这使得它位于克莱顿增材制造区中心的位置非常合适。在 CSIRO，我们致力于为中小企业和更广泛的创新生态系统创造机会，而这个测试实验室就是另一个例子。”
合作伙伴和流程
工业 4.0 复合材料测试实验室有许多主要合作伙伴，包括 Siemens Australia （维多利亚州贝斯沃特）是首批之一，于 2017 年向斯威本提供了 1.35 亿美元的数字化软件赠款。这为 Composites 4.0 测试实验室提供了一套先进的产品生命周期管理 (PLM) 软件以及西门子基于云的、开放物联网 (IoT) 平台 MindSphere。
根据西门子澳大利亚公司的介绍，截至 2019 年 8 月，MindSphere 中大约有 500 个数字应用程序/产品和 140 万个连接设备和系统。 “MindSphere 将使来自各种制造商的设备能够相互通信，”Fox 在她的 ICCM22 演讲中解释道，“复合材料 3D 打印的工业 4.0 方法”。本文描述了斯威本工业 4.0 测试实验室将如何运作：
“传感器……将使生产线的每个阶段都能够收集大量的过程数据。这些信息将存储在安全的本地云中，也将立即用于将生产数据前馈和反馈给生产线中的其他机器，从而实现自适应生产过程。
建议的生产线 ... 旨在允许在制造过程的每个阶段之后进行产品检查。检查数据也将存储在本地云中。对存储在云中的大型数据集的分析可能会导致发现成品状态与制造过程不同阶段参数之间新的和意想不到的相关性，进而可用于优化产品。”
Fox 还指出，不能购买现成的工业 4.0 复合材料生产线。因此，斯威本开发了一个供应商和最终用户网络，为其复合材料 4.0 测试实验室设备和设施的设计和开发提供信息。提供关键组件的合作伙伴包括：
填写 (Gurten, 奥地利) 提供了多层系统，该系统将精确切割和定向的单向纤维带堆叠成尺寸达 1.6 x 1.6 米的近净形状。使用胶带的近净形状将废料从 60% 以上减少到 10% 以下。胶带从线轴沉积到旋转台上，每 15 秒完成一层。 Fox 指出，Fill 的多层机器可以铺设热固性预浸料和丝束浸料带，以及干纤维和低熔点热塑性塑料，如聚酰胺 (PA)。目前正在进行高熔点热塑性塑料的研发，例如聚醚醚酮 (PEEK) 和聚醚酮酮 (PEKK)。 “多层机器还支持混合材料，例如混合玻璃纤维和碳纤维以及与天然纤维混合等，”她补充道。
快步 (澳大利亚悉尼) 是澳大利亚最大的独立航空级先进复合材料制造商，在高压釜固化和非高压釜 (OOA) 复合材料方面提供广泛的专业知识。 Quickstep 获得专利的 OOA 系统 Qure 及其用于航空航天应用的高性能版本 AeroQure 是一种先进的复合材料制造工艺，与高压釜固化等传统制造技术相比具有显着优势，包括：
- 设置资金成本低
- 显着缩短固化周期
- 降低能耗
- 设计灵活性以满足或改善最终产品的材料特性
- 能够生产复杂的集成部件。
Qure 使用加压循环传热流体 (HTF) 来支撑模具并快速加热和冷却零件。较低的压力处理（真空加高达 2.5 巴）有助于降低模具成本。模具和材料的快速加热降低了工艺粘度，改善了空气释放和纤维润湿。较低的粘度可提高对蜂窝和泡沫芯的附着力，从而提高剥离强度并减少固化过程中的芯压碎。 HTF 可实现卓越的热控制，即使对于容易发生放热反应的厚层压板也是如此。
朗佐纳 (Lambrechten, 奥地利) 提供一台高温自动压力机，具有高达 300 吨的合模力，可进行多工艺处理——从树脂传递模塑 (RTM) 到热成型的变体。它将能够将树脂注射到干燥的预成型件中，然后固化或压缩成型热固性和热塑性预浸料。
压力机通过伺服液压系统实现能源效率/节约，即使在不对称加载的情况下，通过单活塞控制也能实现最高精度。高性能红外 (IR) 烤箱可将材料快速加热至所需的加工温度，并使用单独的散热器控制系统补偿不同的厚度。直线轴确保将预热的材料快速传送到压制站。高温压板加热系统可在至少 400°C 的温度下成型零件，适用于聚醚醚酮 (PEEK) 等高级热塑性塑料的加工。
印刷机还支持双隔膜框架（请参阅 2020 年关于双隔膜成型的博客）。灵活、强大且用户友好的软件保证了最高程度的数字化和监控。
NETZSCH（德国塞尔布）将提供模内固化监控技术，实现基于材料行为的复合材料制造控制。
普拉坦 (Israel) 为复合材料制造提供数字化、优化和数字孪生软件，支持跟踪工具、零件和原材料、创建数字孪生和分析机器传感器数据以优化零件生产。 Plataine 与包括西门子在内的复合材料行业领导者和供应商建立了广泛的合作伙伴关系。
西科尼 （德国斯图加特）提供了 DrapeWatch 系统，用于预制件和合并零件的在线检测和数字化。这种基于机器人的 3D 分析系统可以识别间隙、错位和不规则。它结合了用于详细表面检测的视觉传感器和用于内部缺陷和深入材料分析的涡流传感器。数据由系统的人工智能算法分析，以提供缺陷的早期检测，避免代价高昂的重新运行。有限元分析 (FEA) 接口可以将纤维角度结果导出到仿真模型，以评估缺陷对零件性能的影响。模块化系统还可以通过集成热成像、超声波或激光扫描设备进行扩展。
Fill 和 Langzauner 的设备将于 2020 年中期安装。 “Fill 一直在为我们做实验，”Fox 指出，“我们已经派人员到奥地利进行特定部件的培训以及数字化培训。一旦所有工艺设备调试完毕，我们将使用 Plataine 的 RFID（射频识别）技术并扩展到其最新的边缘计算平台 PlataineEdge，这将实现机器之间的实时分析和通信。”
斯威本复合材料 4.0 测试实验室的另一部分愿景是实现灵活的制造，从而能够非常快速地适应不断变化的行业需求：
“在典型的生产线中，产品更改或修改需要大量的设备修改和人工干预。因此，为了使这种产品更改有利可图，新产品的最小批量是必需的。相比之下，在工业 4.0 的愿景中，智能工厂允许根据客户的个性化需求，甚至一次性地制造出有利可图的产品。这样的工厂可以代表客户和供应商轻松应对最后一刻的变化。因此，拟议生产线的主要目标之一是使其能够在最少或无需人工干预的情况下生产不同的产品。” — Fox 和 Subic，“复合材料 3D 打印的工业 4.0 方法”
ARENA2036 和全球价值链的链接
除了提供数字化物理复合材料 4.0 工厂外，斯威本还将培训下一代劳动力。后者是通过澳大利亚全球创新联系计划提供的 100 万美元/四年的赠款实现的。该计划的主要合作伙伴是 ARENA2036，这是斯图加特大学以行业为导向的校内研发计划，自称为“未来移动和生产的高度灵活的研究平台”。在联邦教育和研究部（德国波恩 BMBF）的支持下，ARENA2036 作为注册协会运行，拥有 38 名科学和工业成员，拥有“STARTUP AUTOBAHN”和 10,000 平方米的建筑，其中 4,700 平方米是一座16米高的天花板和10吨工业起重机的开放式生产大厅。斯威本于2018年以会员身份加入ARENA2036。
斯威本的复合材料 4.0 测试实验室和 ARENA2036 正在通过一项由澳大利亚政府全球创新联动 (GIL) 计划支持的 360 万美元计划进行合作，该计划在工业 4.0 制造大批量、轻质复合材料，重点是由灵活的工具系统和数字孪生技术。它将包括：
- 研发和商业化，促进联合创业。
- 联合招收、共同指导和交流博士生
- 联合研究研讨会和研讨会。
这种伙伴关系还设想与弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所和工业工程研究所（Fraunhofer IPA 和 IAO，斯图加特）开展联合研发项目，包括在斯图加特大学飞机设计研究所 (IFB) 的博士生实习。工业 4.0 领域。 “GIL 项目是先进复合材料工艺的重要里程碑，也是 SUT、斯图加特大学和 ARENA2036 合作的重要里程碑，”IFB 主任 Peter Middendorf 教授说。 “我们很荣幸成为该项目本身的合作伙伴，并宣布德国政府支持的另外两个与 GIL 直接相关的合作研究项目。”
“我们将在斯威本和斯图加特大学之间培养一批精通数字技术的新博士生，”福克斯说。 “我们不仅将进一步开发复合 4.0 工艺，还将巩固全球合作伙伴关系，并创造可以从澳大利亚出口的新产品，特别是在新的移动市场。通过这些国际合作，斯威本的工业 4.0 测试实验室将积极将澳大利亚的中小企业与全球价值链联系起来。我们已经与我们的合作伙伴 Imagine Intelligent Materials 证明了这一点，我们期待将其扩展到更多的澳大利亚创新者。”
“在快速逼近的未来数字制造中，国际竞争将非常激烈，”福克斯说。 “这就是为什么我们现在开发这种复合材料 4.0 能力和劳动力如此重要的原因。”
斯威本大学复合材料增材制造工业 4.0 测试实验室将于 2020 年 12 月启动。敬请关注 CW 以获取未来更新并阅读我们 2020 年 7 月的专题“复合材料 4.0：数字化转型、自适应生产、新范式”及其五个在线侧边栏：
- 复合材料 4.0：数字孪生与数字线程
- ZAero 项目更新
- 复合材料 4.0：从哪里开始？
- 没有教学机器人的商业案例
- 复合 4.0 架构和本体
树脂