斯威本大学携手CSIRO建设工业4.0复合材料增材制造测试实验室

斯威本科技大学（澳大利亚墨尔本）与澳大利亚国家科学机构——联邦科学与工业研究组织（CSIRO，见“开发更高质量、更高强度、更低成本碳纤维”）合作，建设工业4.0复合材料增材制造测试实验室。设施位于CSIRO克莱顿基地，正在建设中，将于2020年10月完工。

国家网络与目标

获澳大利亚联邦政府支持，该复合材料工业4.0测试实验室是澳洲国家网络六大实验室之一，类似德国Labs Network Industrie 4.0。这是州立网络中首个国家级设施，目标让中小企业（SME）在低技术财务风险的非竞争环境中测试工业4.0催生的新技术和商业模式，探索设计到经济可行性全链条。各实验室有独特产品聚焦，斯威本聚焦复合材料增材制造。

“斯威本复合材料工业4.0测试实验室将提供中试规模工艺推进澳洲制造能力，”斯威本副校长（研究与企业）Bronwyn Fox说。Fox2015年加入斯威本，先任未来工厂总监后任制造未来研究院院长。此前任迪肯大学Carbon Nexus研究总监。

“斯威本测试实验室将在沉浸式环境中演示数字化复合材料生产特性，”Fox说。“中试工艺将从零件设计优化到成品全程数字化控制。我们还将创建工艺数字孪生，推进虚拟调试边界。”

该复合材料4.0枢纽将设于新建定制建筑。“CSIRO/斯威本联合测试实验室聚焦工业规模碳纤维增强复合材料增材制造的世界首创工艺，”CSIRO未来产业部执行总监Dr. Marcus Zipper说，“这使其位于克莱顿增材制造园区核心位置极契合。CSIRO致力于为中小企业和创新生态创造机会，测试实验室是又一例证。”

合作伙伴与工艺

工业4.0复合材料测试实验室有多关键合作伙伴，西门子澳大利亚（维多利亚州贝斯沃特）是首批之一，2017年向斯威本提供1.35亿澳元数字化软件赠款。这为复合材料4.0测试实验室提供先进产品全生命周期管理（PLM）软件套件及西门子云端开放物联网（IoT）平台MindSphere。

据西门子澳大利亚演示，截至2019年8月，MindSphere约有500个数字化应品/服务和140万连接设备系统。“MindSphere将使广泛制造商设备互通，”Fox在ICCM22演讲《复合材料3D打印的工业4.0方法》中解释。论文描述斯威本工业4.0测试实验室运作：

“传感器……使生产线各阶段采集大量工艺数据。信息存储于安全本地云，也即时用于前馈反馈生产数据至线内其他机器，实现自适应生产工艺。

拟建生产线……设计允许各制造阶段后产品检测。检测数据亦存本地云。海量数据集分析可能发现成品状态与不同制造阶段参数间新意外相关性，进而优化产品。”

Fox还指出工业4.0复合材料生产线无法现成购买。因此斯威本开发供应商和终端用户网络告知测试实验室设备设施设计开发。关键组件供应合作伙伴含：

FILL（奥地利古尔滕）

供应多层系统，将精确切割定向单向纤维带堆叠成近净形，尺寸达1.6×1.6米。铺带法将废料从>60%降至<10%。带材从线轴沉积至旋转台，每层15秒完成。Fox注：Fill多层机可铺设热固性预浸料和挤出预浸料、干纤维和低熔点热塑性如聚酰胺（PA）。高熔点热塑性如PEEK、PEKK持续研发中。“多层机还支持混合材料，如玻碳混铺、天然纤维混合等。”

Quickstep（澳大利亚悉尼）

澳洲最大独立航天级先进复合材料制造商，在热压罐固化和非热压罐（OOA）复合材料有深厚专长。专利OOA系统Qure及其航天应用高性能版AeroQure，是相较热压罐固化等传统技术具显著优势的先进复材制造工艺：

• 低建厂资本成本
• 显著缩短固化周期
• 降低能耗
• 设计灵活满足或提升终产品材料性能
• 生产复杂一体化部件能力

Qure用加压循环热传递流体（HTF）支撑模具并快速加热冷却零件。低压处理（真空+2.5bar）利于低成本模具。模具材料快速加热降低工艺粘度，改善脱气和纤维润湿。低粘度提升对蜂窝泡沫芯粘接，得更高剥离强度和固化中更少芯材压碎。HTF提供卓越热控，甚至对易放热反应厚层压板。

Langzauner（奥地利兰布雷希滕）

供应高温自动化压机，合模力达300吨，多工艺能力——从RTM变体到热成型。可向干预成件注射树脂固化，或热固性/热塑性预浸料压缩成型。

伺服液压实现节能，单活塞控制保证不对称载荷下最高精度。高性能红外（IR）炉快速加热材料至工艺温度，单辐射体控制补偿不同厚度。线性轴确保预热材料快速转移至压制工位。高温压板加热系统可≥400°C成型，适配PEEK等先进热塑性树脂加工。

压机双隔膜框架兼容（见2020双隔膜成型博客）。灵活稳健用户友好软件保证最高数字化监控度。

NETZSCH（德国塞尔布）

提供模内固化监测技术，基于材料行为控制复合材料制造。

Plataine（以色列）

提供复合材料制造数字化、优化和数字孪生软件，实现工具/零件/原材料追踪、数字孪生创建、机器传感器数据分析优化零件生产。Plataine与复合材料行业领袖供应商广泛合作，含西门子。

CIKONI（德国斯图加特）供应DrapeWatch系统，用于预成型体和固化件的在线检测和数字化。机器人基3D分析系统识别间隙、错位、不规则。结合视觉传感器表面细检和涡流传感器内部缺陷深度材料分析。AI算法分析数据早期发现缺陷避免高昂返工。FEA接口导出纤维角度结果至仿真模型评估缺陷影响零件性能。模块化系统可扩展集成热成像、超声、激光扫描设备。

Fill和Langzauner设备将于2020年中安装。“Fill为我们做实验，”Fox注，“我们派人去奥地利特定部件培训及数字化培训。全工艺设备调试后，将用Plataine RFID技术并扩展至其最新边缘计算平台PlataineEdge，实现机器间实时分析通信。”

斯威本复合材料4.0测试实验室另一愿景：实现灵活制造快速适应变化的行业需求：

“典型生产线换型需大量设备改动人工干预，故需新品最小批量才盈利。工业4.0愿景下，智能工厂让个性化甚至单件也能盈利生产。工厂易响应客户供应商临时变更。因此拟建生产线主要目标之一是实现极少或无人工干预下生产不同产品。” ——Fox和Subic，《复合材料3D打印的工业4.0方法》

ARENA2036与全球价值链链接

除提供数字化物理复合材料4.0工厂，斯威本还将培养新一代劳动力。后者得益于澳大利亚全球创新链接计划100万澳元/四年拨款。关键合作伙伴是ARENA2036，斯图加特大学产业驱动校园研发项目，自称“面向未来移动与生产的高灵活研究平台”。获联邦教育研究部（BMBF，德国波恩）支持，注册协会运营，38名科研界业界成员。ARENA2036设“STARTUP AUTOBAHN”和1万平米建筑，4700平米开放生产大厅，净高16米、10吨工业起重机。斯威本2018年加入成为成员。

斯威本复合材料4.0测试实验室与ARENA2036通过澳大利亚政府全球创新链接（GIL）计划支持的360万澳元项目合作，聚焦工业4.0制造大批量轻量化复合材料，特定生产技术由柔性工装系统和数字孪生技术赋能。将含：

• 研发商业化，促进联合初创。
• 联合招聘、共同指导和交换博士生
• 联合研究研讨会和研讨班。

合作还设想与弗劳恩霍夫制造工程自动化研究所和工业工程研究所（Fraunhofer IPA和IAO，斯图加特）联合研发项目，含斯图加特大学飞机设计研究所（IFB）相关工业4.0领域博士实习。“GIL项目是先进复合工艺及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，“自豪成为项目合作伙伴，并宣布两个由德国政府资助直接链接GIL的联合研究项目。”

“我们将培养斯威本与斯图加特大学数字化新一代联合博士生，”Fox说，“不只推进复合材料4.0工艺，还巩固全球伙伴关系，创造可从澳洲出口的新产品，特别是新移动市场。通过国际合作，斯威本工业4.0测试实验室将主动链接澳洲中小企业入全球价值链。已与Imagine Intelligent Materials合作验证，期待延伸至更多澳洲创新者。”

“即将到来的数字化制造未来国际竞争将极其激烈，”Fox说，“这正是我们现在发展复合材料4.0能力和劳动力如此重要的原因。”

斯威本大学工业4.0复合材料增材制造测试实验室将于2020年12月启动。关注CW后续更新，阅读2020年7月专题“复合材料4.0：数字化转型、自适应生产、新范式”及其五大在线边栏：

• 复合材料4.0：数字孪生vs数字主线
• ZAero项目更新
• 复合材料4.0：从何开始？
• 教导机器人无商业案例
• 复合材料4.0架构与本体论