Swinburne Universiteit bouwt Industry 4.0 Composiet Additieve Productie Testlab met CSIRO

Swinburne University of Technology (Melbourne, Australië) richt een Industry 4.0 Testlab voor Composiet Additieve Productie op in samenwerking met Australië's Nationale Wetenschapsagentschap, de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO, zie “Ontwikkeling van hogere kwaliteit, hogere sterkte, lagere kosten koolstofvezels”). De faciliteit is momenteel in aanbouw op CSIRO's Clayton-site en zal in oktober 2020 voltooid zijn.

Nationaal netwerk

Ondersteund door de Australische Federale Regering, is deze Industry 4.0 Testlab voor Composieten een van zes in een nationaal netwerk, vergelijkbaar met de Labs Network Industrie 4.0 in Duitsland. Deze Testlab is de eerste nationale faciliteit in het staat-gebaseerde netwerk waar het doel is om kleine en middelgrote bedrijven (KMB's) in staat te stellen nieuwe technologieën en businessmodellen gecreëerd door Industrie 4.0 te testen, verkennend aspecten van ontwerp tot economische haalbaarheid, in een pre-competitieve omgeving met minimale technische en financiële risico's. Elke Testlab heeft een specifieke productfocus. Voor Swinburne is dit additieve productie van composieten.

“De Industry 4.0 Testlab voor Composieten bij Swinburne zal een pilot-schaalproces bieden om Australië's productiemogelijkheden te verbeteren,” aldus Bronwyn Fox, deputy vice chancellor of research and enterprise bij Swinburne University. Fox trad Swinburne in 2015 toe, initieel als directeur Factory of the Future en vervolgens directeur van het Manufacturing Futures Research Institute van de universiteit. Voor Swinburne was ze onderzoeksdirecteur voor Carbon Nexus bij Deakin University.

“Swinburne's Testlab zal de kenmerken van digitale composietproductie demonstreren in een immersieve omgeving,” aldus Fox. “De pilot-schaalprocessen zullen digitaal gestuurd worden van onderdeelontwerp en optimalisatie tot het afgeronde product. We zullen ook een digitale tweeling van het proces creëren en de grenzen van virtuele inbedrijfstelling verleggen.”

Deze composieten 4.0 hub zal gehuisvest worden in een nieuw, op maat gebouwd pand. “De gezamenlijke CSIRO/Swinburne Testlab is gericht op een wereldwijd eerste proces voor additieve productie van koolstofvezel-versterkte composieten op industriële schaal,” aldus Dr. Marcus Zipper, uitvoerend directeur van CSIRO's Future Industries divisie. “Dit maakt de locatie, in het hart van Clayton's additieve productieprecinct, een grote pasvorm. Bij CSIRO gaan we over het creëren van kansen voor KMB's en het bredere innovatie-ecosysteem, en deze Testlab is nog een voorbeeld daarvan.”

Partners en proces

Er zijn veel sleutelpartners in de Industry 4.0 Testlab voor Composieten, met Siemens Australia (Bayswater, Victoria) als een van de eerste, die een $135 miljoen digitaliseringssoftwaregrant aan Swinburne uitstrekte in 2017. Dit voorziet de Composites 4.0 Testlab van een suite geavanceerde productlifecycle management (PLM) software alsook het Siemens cloud-gebaseerde, open Internet of Things (IoT) platform, MindSphere.

Volgens een Siemens Australia presentatie, per augustus 2019, waren er ruwweg 500 digitale apps/aanbiedingen binnen MindSphere en 1,4 miljoen verbonden apparaten en systemen. “MindSphere zal apparatuur van een breed scala aan fabrikanten in staat stellen om met elkaar te communiceren,” legt Fox uit in haar ICCM22 presentatie, "An Industry 4.0 Approach to the 3D Printing of Composite Materials". Dit papier beschrijft hoe de Swinburne Industry 4.0 Testlab zal functioneren:

“Sensoren ... zullen elk stadium van de productielijn in staat stellen een grote hoeveelheid procesdata te verzamelen. Deze informatie wordt opgeslagen in een beveiligde lokale cloud en ook direct gebruikt om feedforward en feedback productiedata aan andere machines in de lijn te sturen, waardoor een zichzelf-aanpassend productieproces mogelijk wordt.

De voorgestelde lijn ... is ontworpen om productinspectie na elk stadium van het productieproces toe te staan. De inspectiedata wordt ook in de lokale cloud opgeslagen. Analyse van de grote datasets in de cloud kan leiden tot de ontdekking van nieuwe en onverwachte correlaties tussen de toestand van het afgeronde product en de parameters van verschillende stadia van het productieproces, wat op zijn beurt kan worden benut om het product te optimaliseren.”

Toeleveranciers

Fox wijst erop dat Industrie 4.0 composietproductielijnen niet van de plank gekocht kunnen worden. Daarom ontwikkelde Swinburne een netwerk van leveranciers en eindgebruikers om het ontwerp en de ontwikkeling van zijn Composites 4.0 Testlab apparatuur en faciliteit te informeren. Partners die sleutelcomponenten leveren omvatten:

FILL (Gurten, Oostenrijk) heeft het Multilayer-systeem geleverd, dat precies gesneden en georiënteerde, unidirectionele vezeltapes in near net-shapes tot 1,6 bij 1,6 meter stapelt. Near net-shapes met tape verminderen afval van meer dan 60% tot minder dan 10%. De tapes worden van spoelen op een draaiende tafel gedeponeerd, met een laag die elke 15 seconden voltooid wordt. Fox merkt op dat Fill's Multilayer machine tapes van thermohardende prepreg en towpreg, evenals droge vezel en laag-smelt thermoplast, zoals polyamide (PA), kan leggen. Er is lopend R&D voor hoge-smelt thermoplasten zoals polyetheretherketon (PEEK) en polyetherketonketon (PEKK). “De Multilayer machine stelt ook hybride materialen in staat, zoals mengen van glas- en koolstofvezels en blends met natuurvezels, etc.,” voegt ze toe.

Quickstep

Quickstep (Sydney, Australië) is de grootste onafhankelijke luchtvaartkwaliteit, geavanceerde composietfabrikant in Australië, met uitgebreide expertise in zowel autoclave-gecurede als out-of-autoclave (OOA) composieten. Quickstep's gepatenteerde OOA-systeem, Qure, en de hoogpresterende versie voor luchtvaarttoepassingen, AeroQure, is een geavanceerd composietproductieproces dat significante voordelen biedt ten opzichte van traditionele productietechnieken zoals autoclave uitharding, inclusief:

• Lage kapitaalkosten voor opzet
• Aanzienlijk kortere uithardingscycli
• Verminderd energieverbruik
• Ontwervelflexibiliteit om aan materiaaleigenschappen van het eindproduct te voldoen of te verbeteren
• Mogelijkheid om geïntegreerde complexe onderdelen te produceren.

Qure gebruikt een geperst circulatie warmteoverdrachtsvloeistof (HTF) om de vorm te ondersteunen en het onderdeel snel te verwarmen en af te koelen. Lagere drukverwerking (vacuüm plus tot 2,5 bar) vergemakkelijkt lagere gereedschapskosten. Snelle verwarmen van de vorm en het materiaal verlaagt de procesviscositeit, wat de luchtontwikkeling en vezelbenetting verbetert. Lagere viscositeit verbetert hechting aan honingraat- en schuimkernen, resulterend in hogere afschuifsterkte en verminderde kernverkruising tijdens uitharding. De HTF maakt superieure thermische controle mogelijk, zelfs voor dikke laminaten die geneigd zijn tot exotherme reacties.

Langzauner

Langzauner (Lambrechten, Oostenrijk) levert een hoge-temperatuur, geautomatiseerde pers, met tot 300 ton spankracht die multi-proces capable is – van variaties van harsinjektievorming (RTM) tot thermovorming. Het zal injectie van hars in droge preforms mogelijk maken, gevolgd door uitharding, of compressievorming van thermohardende en thermoplastische prepregs.

De pers bereikt energie-efficiëntie/besparing via servohydrauliek en de hoogste nauwkeurigheid, zelfs bij asymmetrische belasting, door een enkele zuigerbesturing. Een hoogpresterende infrarood (IR) oven verhit materialen snel tot de gewenste verwerkingstemperatuur, compenserend voor verschillende diktes met een individueel radiatorbesturingssysteem. Snelle overbreng van het voorverwarmde materiaal naar het persstation wordt gegarandeerd door een lineaire as. Het hoge-temperatuur plaatverhittingssysteem kan onderdelen vormgeven bij temperaturen tot minstens 400°C, wat verwerking van geavanceerde thermoplasten zoals polyetheretherketon (PEEK) mogelijk maakt.

De pers is ook dubbel-diaphragma frame capable (zie 2020 blog over dubbel-diaphragma vormen). De hoogste graad van digitalisering en monitoring wordt gegarandeerd door flexibele, robuuste en gebruiksvriendelijke software.

Overige partners

NETZSCH (Selb, Duitsland) zal in-vorm uithardingsmonitoringstechnologie leveren, wat controle van composietproductie op basis van materiaalgedrag mogelijk maakt.

Plataine (Israël) biedt digitalisatie, optimalisatie en digitale tweeling software voor composietproductie die tracking van gereedschappen, onderdelen en grondstoffen, creatie van digitale tweelingen en analyse van machinesensordata om onderdeelproductie te optimaliseren mogelijk maakt. Plataine heeft een breed scala aan partnerschappen met composietindustrieleiders en leveranciers, inclusief Siemens.

CIKONI (Stuttgart, Duitsland) heeft het DrapeWatch-systeem geleverd voor inline inspectie en digitalisering van zowel preforms als geconsolideerde onderdelen. Dit robot-gebaseerde 3D-analysesysteem kan gaten, uitleggen en onregelmatigheden identificeren. Het combineert een visuele sensor voor gedetailleerde oppervlakte-inspectie met een EddyCurrent-sensor voor interne defecten en diepgang materiaalanalyse. Data wordt geanalyseerd door de kunstmatige intelligentie algoritmen van het systeem om vroege detectie van defecten te bieden, duur herhalingen te vermijden. Een interface naar elementenanalyse (FEA) stelt export van vezelhoekresultaten naar simulatiemodellen in voor evaluatie van defectimpact op onderdeelprestaties. Het modulair systeem kan ook uitgebreid worden door thermografie, ultrasoon of laserscanning apparaten te integreren.

De apparatuur van Fill en Langzauner zal mid-2020 geïnstalleerd worden. “Fill heeft experimenten voor ons gedaan,” merkt Fox op, “en we hebben personeel naar Oostenrijk gestuurd voor training op specifieke onderdelen alsook training in digitalisatie. Eenmaal alle procesapparatuur gecommissioneerd, zullen we Plataine's RFID (radiofrequentieidentificatie) technologie en schalen in het nieuwste edge computing platform, PlataineEdge, wat real-time analyse en communicatie tussen machines mogelijk maakt.”

Flexibele productie

Een ander deel van de visie voor Swinburne's Composites 4.0 Testlab is om flexibele productie mogelijk te maken die zich snel kan aanpassen aan veranderende industriële eisen:

“In een typische productielijn vereist een productwijziging of -modificatie significante apparatuurswijzigingen en handmatige interventies. Daarom moet voor een dergelijke productwijziging winstgevend te zijn, een minimale batchgrootte van het nieuwe product geproduceerd worden. In tegenstelling, in de Industrie 4.0 visie, laten slimme fabrieken individuele klanteisen en zelfs eenmalige items winstgevend produceren. Zo'n fabriek kan gemakkelijk reageren op laatminutewijzigingen namens klanten en leveranciers. Gevolgdelijk is een van de hoofddoelstellingen van de voorgestelde productielijn om het in staat te stellen om verschillende producten te produceren met minimale of geen handmatige interventie.” – Fox en Subic, "An Industry 4.0 Approach to the 3D Printing of Composite Materials"

ARENA2036 en koppelingen met wereldwijde waarderingketens

Naast het leveren van een gedigitaliseerde fysieke composieten 4.0 fabriek, zal Swinburne ook de volgende generatie werkvoorkrachten trainen. Het laatste wordt mogelijk gemaakt door een $1 miljoen/vier-jaar subsidie van Australië's Global Innovation Linkages Program. Een sleutelpartner in deze initiatief is ARENA2036, de Universiteit van Stuttgart's industrie-gedreven, on-campus R&D programma, zelf beschreven als “Het hoogst flexibele onderzoeksplatform voor mobiliteit en productie van de toekomst”. Ondersteund door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Bonn, Duitsland) en uitgevoerd als een geregistreerde vereniging met 38 leden uit wetenschap en industrie, heeft ARENA2036 een “STARTUP AUTOBAHN” en een 10.000-vierkante-meter gebouw, 4.700 vierkante meter waarvan een open productiehal met een 16-meter hoge plafond en 10-ton industriële kraan. Swinburne trad ARENA2036 toe als lid in 2018.

Swinburne's Composites 4.0 Testlab en ARENA2036 samenwerken via een $3,6 miljoen programma ondersteund door het Australische Regering's Global Innovation Linkage (GIL) schema op Industrie 4.0 productie van hoog-volume, lichtgewicht composieten met focus op een specifieke productietechnologie mogelijk gemaakt door flexibele gereedschapssystemen en digitale tweeling technologie. Het zal omvatten:

• R&D en commercialisering, faciliterende gezamenlijke start-ups.
• Gezamenlijke werving, co-begeleiding en uitwisseling van PhD-studenten
• Gezamenlijke onderzoeksworkshops en symposia.

Deze partnership envisioneert ook gezamenlijke R&D projecten met Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation en Institute for Industrial Engineering (Fraunhofer IPA en IAO, Stuttgart), inclusief PhD-studenten stages bij het Institute for Aircraft Design (IFB) aan de Universiteit van Stuttgart in relevante Industrie 4.0 gebieden. “Het GIL-project is een belangrijke mijlpaal voor geavanceerde composietprocessen en ook voor de samenwerking van SUT, Universiteit van Stuttgart en ARENA2036,” aldus professor Peter Middendorf, directeur van de IFB. “We zijn trots partner in het project zelf te zijn en om twee andere gezamenlijke onderzoeksprojecten ondersteund door de Duitse Regering aan te kondigen die direct gelinkt zijn aan GIL.”

“We zullen een nieuwe cohort digitaal onderlegde gezamenlijke PhD-studenten tussen Swinburne en de Universiteit van Stuttgart trainen,” aldus Fox. “We zullen niet alleen Composiet 4.0 processen verder ontwikkelen, maar ook wereldwijde partnerschappen versterken en nieuwe producten creëren die uit Australië geëxporteerd kunnen worden, met name in nieuwe mobiliteitsmarkten. Door deze internationale samenwerkingen zal Swinburne's Industry 4.0 Testlab actief Australische KMB's koppelen aan wereldwijde waarderingketens. We hebben dit al gedemonstreerd met onze partner Imagine Intelligent Materials en kijken ernaar uit dit uit te breiden naar verdere Australische innovators.”

“Internationale concurrentie zal feroes zijn in de snel naderende digitale productie van de toekomst,” aldus Fox. “Daarom is onze ontwikkeling van deze composieten 4.0 capaciteit en werkvoorkracht zo belangrijk nu.”

De Industry 4.0 Testlab voor Composiet Additieve Productie bij Swinburne University zal in december 2020 gelanceerd worden. Blijf op de hoogte via CW voor toekomstige updates en lees onze juli 2020 feature, “Composites 4.0: Digitale transformatie, adaptieve productie, nieuwe paradigmata” samen met zijn vijf online sidebars:

• Composites 4.0: Digitale tweeling vs. digitale draad
• ZAero project update
• Composites 4.0: Waar beginnen?
• Geen business case voor robots leren
• Composites 4.0 architectuur en ontologie