Swinburne University und CSIRO bauen Industry 4.0 Composite Additive Manufacturing Testlab

Die Swinburne University of Technology (Melbourne, Australien) errichtet ein Industry 4.0 Testlab für Composite Additive Manufacturing in Partnerschaft mit Australiens Nationaler Wissenschaftsagentur, der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO, siehe „Developing higher-quality, higher-strength, lower-cost carbon fibers“). Die Anlage befindet sich derzeit im Bau auf dem CSIRO Clayton Campus und wird im Oktober 2020 fertiggestellt sein.

Nationale Testlab-Netzwerk

Unterstützt von der australischen Bundesregierung ist dieses Industry 4.0 Testlab für Verbundwerkstoffe eines von sechs in einem australischen nationalen Netzwerk, ähnlich dem Labs Network Industrie 4.0 in Deutschland. Dieses Testlab ist die erste nationale Einrichtung im bundesstaatlichen Netzwerk, dessen Ziel es ist, kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zu ermöglichen, neue Technologien und Geschäftsmodelle, die durch Industrie 4.0 geschaffen wurden, zu testen – von Design bis zur wirtschaftlichen Machbarkeit – in einer vorkompetitiven Umgebung mit minimalem technischem und finanziellem Risiko. Jedes Testlab hat einen eigenen Produktfokus. Für Swinburne ist dies die additive Fertigung von Verbundwerkstoffen.

„Das Industry 4.0 Testlab für Verbundwerkstoffe an der Swinburne wird einen Pilotprozess bereitstellen, um Australiens Fertigungskapazitäten voranzubringen“, sagt Bronwyn Fox, Deputy Vice Chancellor of Research and Enterprise an der Swinburne University. Fox kam 2015 zu Swinburne, zunächst als Director of the Factory of the Future und dann als Director des Manufacturing Futures Research Institute der Universität. Bevor sie zu Swinburne kam, war sie Research Director für Carbon Nexus an der Deakin University.

„Swinburnes Testlab wird die Merkmale digitaler Verbundwerkstoffproduktion in einer immersiven Umgebung demonstrieren“, sagt Fox. „Die Pilotprozesse werden digital gesteuert – vom Teile-Design und der Optimierung bis zum fertigen Produkt. Wir werden auch einen digitalen Zwilling des Prozesses erstellen und die Grenzen des virtuellen Inbetriebnehmens ausloten.“

Dieses Composites 4.0 Hub wird in einem neuen, maßgeschneiderten Gebäude untergebracht. „Das gemeinsame CSIRO/Swinburne Testlab konzentriert sich auf einen weltweit ersten Prozess für die additive Fertigung von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen im industriellen Maßstab“, sagt Dr. Marcus Zipper, Executive Director von CSIROs Future Industries Division. „Das macht seinen Standort im Herzen von Claytons Additive Manufacturing Precinct zu einer großartigen Passform. Bei CSIRO geht es darum, Chancen für KMU und das breitere Innovationsökosystem zu schaffen, und dieses Testlab ist ein weiteres Beispiel dafür.“

Partner und Prozesse

Es gibt viele Schlüsselpartner im Industry 4.0 Testlab für Verbundwerkstoffe, wobei Siemens Australia (Bayswater, Victoria) einer der ersten war, der 2017 einen 135-Millionen-Dollar-Digitalisierungs-Software-Grant an Swinburne erweiterte. Dies stellt dem Composites 4.0 Testlab eine Suite fortschrittlicher Product Lifecycle Management (PLM) Software sowie die Siemens Cloud-basierte, offene Internet of Things (IoT) Plattform MindSphere zur Verfügung.

Laut einer Siemens Australia Präsentation gab es Stand August 2019 rund 500 digitale Apps/Angebote innerhalb von MindSphere und 1,4 Millionen verbundene Geräte und Systeme. „MindSphere wird Geräte einer Vielzahl von Herstellern ermöglichen, miteinander zu kommunizieren“, erklärt Fox in ihrer ICCM22-Präsentation „An Industry 4.0 Approach to the 3D Printing of Composite Materials“. Dieses Papier beschreibt, wie das Swinburne Industry 4.0 Testlab funktionieren wird:

„Sensoren … werden es jeder Stufe der Produktionslinie ermöglichen, eine große Menge an Prozessdaten zu sammeln. Diese Informationen werden in einer sicheren lokalen Cloud gespeichert und auch sofort verwendet, um Produktionsdaten vorwärts und rückwärts an andere Maschinen in der Linie zu senden, wodurch ein selbstanpassender Produktionsprozess ermöglicht wird.

Die vorgeschlagene Linie … ist so konzipiert, dass sie eine Bauteilinspektion nach jeder Stufe des Fertigungsprozesses ermöglicht. Die Inspektionsdaten werden ebenfalls in der lokalen Cloud gespeichert. Die Analyse der großen Datensätze in der Cloud kann zur Entdeckung neuer und unerwarteter Korrelationen zwischen dem Zustand des fertigen Produkts und den Parametern verschiedener Stufen des Fertigungsprozesses führen, die wiederum zur Optimierung des Produkts genutzt werden können.“

Fox weist auch darauf hin, dass Industry 4.0 Verbundwerkstoff-Fertigungslinien nicht „von der Stange“ gekauft werden können. Daher entwickelte Swinburne ein Netzwerk von Zulieferern und Endnutzern, um Design und Entwicklung seiner Composites 4.0 Testlab-Ausrüstung und -Einrichtung zu steuern. Partner, die Schlüsselkomponenten liefern, umfassen:

FILL (Gurten, Österreich) hat das Multilayer-System geliefert, das präzise geschnittene und ausgerichtete, unidirektionale Faserbänder zu Near-Net-Shapes bis zu 1,6 mal 1,6 Meter stapelt. Near-Net-Shapes durch Bandlage reduzieren Verschnitt von über 60 % auf unter 10 %. Die Bänder werden von Spulen auf einen rotierenden Tisch abgelegt, wobei eine Lage alle 15 Sekunden abgeschlossen wird. Fox merkt an, dass Fills Multilayer-Maschine Bänder aus Thermoset-Prepreg und Towpreg sowie Trockenfasern und niedrigschmelzende Thermoplaste wie Polyamid (PA) verlegen kann. Es gibt laufende F&E für hochschmelzende Thermoplaste wie Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherketonketon (PEKK). „Die Multilayer-Maschine ermöglicht auch Hybridmaterialien, wie das Mischen von Glas- und Carbonfasern und Blends mit Naturfasern etc.“, fügt sie hinzu.

Quickstep (Sydney, Australien) ist der größte unabhängige luftfahrtqualifizierte, fortschrittliche Verbundwerkstoffhersteller Australiens und bietet umfangreiche Expertise in sowohl Autoklav- als auch Out-of-Autoclave (OOA) Verbundwerkstoffen. Quicksteps patentiertes OOA-System Qure und seine Hochleistungsversion für Luftfahrtanwendungen, AeroQure, ist ein fortschrittlicher Verbundwerkstoff-Fertigungsprozess, der signifikante Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungstechniken wie Autoklavhärtung bietet, einschließlich:

• Geringe Kapitalkosten für den Aufbau
• Signifikant kürzere Aushärtungszyklen
• Reduzierter Energieverbrauch
• Designflexibilität, um die Materialeigenschaften des Endprodukts zu erfüllen oder zu verbessern
• Fähigkeit, komplexe integrierte Teile herzustellen

Qure verwendet ein druckbeaufschlagtes, zirkulierendes Wärmeträgerfluid (HTF), um das Werkzeug zu stützen und das Bauteil schnell zu heizen und abzukühlen. Niedrigdruckverarbeitung (Vakuum plus bis zu 2,5 bar) ermöglicht kostengünstigeres Werkzeug. Schnelles Aufheizen von Werkzeug und Material reduziert die Prozessviskosität, verbessert Luftfreisetzung und Faserbenetzung. Niedrigere Viskosität verbessert die Haftung an Honeycomb- und Schaumkernen, was zu höherer Schälfestigkeit und reduziertem Kernzerdrücken beim Aushärten führt. Der HTF ermöglicht überlegene thermische Kontrolle, auch für dicke Laminate, die zu exothermen Reaktionen neigen.

Langzauner (Lambrechten, Österreich) liefert eine hochtemperaturbeständige, automatisierte Presse mit bis zu 300 Tonnen Schließkraft, die multi-prozess-fähig ist – von Variationen des Resin Transfer Molding (RTM) bis zum Thermoformen. Sie ermöglicht die Injektion von Harz in trockene Preforms, gefolgt von Aushärtung, oder Pressformen von Thermoset- und Thermoplast-Prepregs.

Die Presse erreicht Energieeffizienz/Einsparungen durch Servohydraulik und höchste Genauigkeit, auch bei asymmetrischer Belastung, durch Einzelkolbensteuerung. Ein leistungsstarker Infrarot (IR) Ofen heizt Materialien schnell auf die gewünschte Verarbeitungstemperatur auf, wobei unterschiedliche Dicken durch individuelles Strahlersteuerungssystem kompensiert werden. Schneller Transfer des vorgeheizten Materials zur Pressstation wird durch eine Lineareinheit sichergestellt. Das hochtemperaturbeständige Plattenheizsystem kann Teile bei Temperaturen von mindestens 400 °C formen, was die Verarbeitung fortschrittlicher Thermoplaste wie Polyetheretherketon (PEEK) ermöglicht.

Die Presse ist auch doppeltdiaphragm-rahmenfähig (siehe 2020 Blog über Doppeltdiaphragm-Umformen). Der höchste Grad an Digitalisierung und Überwachung wird durch flexible, robuste und benutzerfreundliche Software garantiert.

NETZSCH (Selb, Deutschland) stellt In-Mold-Aushärtungsüberwachungstechnologie bereit, die die Steuerung der Verbundwerkstofffertigung basierend auf Materialverhalten ermöglicht.

Plataine (Israel) bietet Digitalisierungs-, Optimierungs- und Digital-Twin-Software für Verbundwerkstofffertigung, die Tracking von Werkzeugen, Teilen und Rohmaterialien, Erstellung digitaler Zwillinge und Analyse von Maschinensensordaten zur Optimierung der Teileproduktion ermöglicht. Plataine hat eine breite Palette von Partnerschaften mit Verbundwerkstoff-Industrieführern und -Zulieferern, einschließlich Siemens.

CIKONI (Stuttgart, Deutschland) hat das DrapeWatch-System für Inline-Inspektion und Digitalisierung sowohl von Preforms als auch konsolidierten Teilen geliefert. Dieses Roboter-basierte 3D-Analysesystem kann Lücken, Fehlausrichtungen und Unregelmäßigkeiten identifizieren. Es kombiniert einen visuellen Sensor für detaillierte Oberflächeninspektion mit einem Eddy-Current-Sensor für interne Fehler und tiefe Materialanalyse. Daten werden von den KI-Algorithmen des Systems analysiert, um frühe Fehlererkennung zu ermöglichen und kostspielige Nachläufe zu vermeiden. Eine Schnittstelle zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) ermöglicht Export von Faserwinkel-Ergebnissen in Simulationsmodelle zur Bewertung der Fehlerauswirkungen auf die Bauteilleistung. Das modulare System kann auch durch Integration von Thermografie-, Ultraschall- oder Laserscangeräten erweitert werden.

Die Ausrüstung von Fill und Langzauner wird Mitte 2020 installiert. „Fill hat Experimente für uns durchgeführt“, merkt Fox an, „und wir haben Personal nach Österreich zur Schulung an bestimmten Teilen sowie zur Digitalisierungsschulung entsandt. Sobald alle Prozessequipments in Betrieb sind, werden wir Plataines RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) nutzen und in seine neueste Edge-Computing-Plattform PlataineEdge skalieren, die Echtzeit-Analyse und Kommunikation zwischen Maschinen ermöglicht.“

Ein weiterer Teil der Vision für Swinburnes Composites 4.0 Testlab ist es, flexible Fertigung zu ermöglichen, die sich sehr schnell an sich ändernde Branchenanforderungen anpassen kann:

„In einer typischen Produktionslinie erfordert ein Produktwechsel oder eine Modifikation signifikante Ausrüstungsänderungen und manuelle Eingriffe. Daher muss für einen profitablen Produktwechsel eine Mindestlosgröße des neuen Produkts erforderlich sein. Im Gegensatz dazu ermöglichen Smart Factories in der Industry 4.0 Vision, individuelle Kundenanforderungen und sogar Einzelstücke gewinnbringend zu fertigen. Eine solche Fabrik kann leicht auf Last-Minute-Änderungen seitens Kunden und Lieferanten reagieren. Folglich ist eines der Hauptziele der vorgeschlagenen Fertigungslinie, sie in die Lage zu versetzen, verschiedene Produkte mit minimalen oder keinen manuellen Eingriffen herzustellen.“ – Fox und Subic, „An Industry 4.0 Approach to the 3D Printing of Composite Materials“

ARENA2036 und Verbindungen zu globalen Wertschöpfungsketten

Zusätzlich zur Bereitstellung einer digitalisierten physischen Composites 4.0 Fabrik wird Swinburne auch die nächste Generation der Arbeitskräfte ausbilden. Letzteres wird durch einen 1-Millionen-Dollar-Vierjahres-Grant aus Australiens Global Innovation Linkages Program ermöglicht. Ein Schlüsselpartner in dieser Initiative ist ARENA2036, das industriegetriebene, on-campus F&E-Programm der Universität Stuttgart, selbstbeschrieben als „Die hochflexible Forschungsplattform für Mobilität und Produktion der Zukunft“. Unterstützt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Bonn, Deutschland) und als eingetragener Verein mit 38 Mitgliedern aus Wissenschaft und Industrie geführt, bietet ARENA2036 eine „STARTUP AUTOBAHN“ und ein 10.000-Quadratmeter-Gebäude, von denen 4.700 Quadratmeter eine offene Produktionshalle mit 16 Meter hoher Decke und 10-Tonnen-Industriekran sind. Swinburne trat 2018 als Mitglied bei ARENA2036 bei.

Swinburnes Composites 4.0 Testlab und ARENA2036 kooperieren über ein 3,6-Millionen-Dollar-Programm, unterstützt durch das australische Global Innovation Linkage (GIL) Scheme, zur Industry 4.0 Fertigung von Hochvolumen-Leichtbau-Verbundwerkstoffen mit Fokus auf eine spezifische Produktionstechnologie, ermöglicht durch flexible Werkzeugsysteme und Digital-Twin-Technologie. Es wird umfassen:

• F&E und Kommerzialisierung, Ermöglichung gemeinsamer Start-ups
• Gemeinsame Rekrutierung, Co-Betreuung und Austausch von Promovierenden
• Gemeinsame Forschungsworkshops und Symposien

Diese Partnerschaft sieht auch gemeinsame F&E-Projekte mit dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Automatisierung und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Betriebsorganisation (Fraunhofer IPA und IAO, Stuttgart) vor, einschließlich Promovierenden-Praktika am Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart in relevanten Industry 4.0 Bereichen. „Das GIL-Projekt ist ein wichtiger Meilenstein für fortschrittliche Verbundwerkstoffprozesse und auch für die Zusammenarbeit von SUT, Universität Stuttgart und ARENA2036“, sagt Professor Peter Middendorf, Direktor des IFB. „Wir sind stolz, Partner im Projekt selbst zu sein und zwei weitere kollaborative Forschungsprojekte anzukündigen, die von der deutschen Regierung unterstützt werden und direkt mit GIL verknüpft sind.“

„Wir werden eine neue Kohorte digital versierter gemeinsamer Promovierender zwischen Swinburne und der Universität Stuttgart ausbilden“, sagt Fox. „Wir werden nicht nur Composite 4.0 Prozesse weiterentwickeln, sondern auch globale Partnerschaften zementieren und neue Produkte schaffen, die aus Australien exportiert werden können, besonders in neuen Mobilitätsmärkten. Durch diese internationalen Kooperationen wird Swinburnes Industry 4.0 Testlab australische KMU aktiv in globale Wertschöpfungsketten einbinden. Wir haben dies bereits mit unserem Partner Imagine Intelligent Materials demonstriert und freuen uns, dies auf weitere australische Innovatoren auszuweiten.“

„Der internationale Wettbewerb wird in der sich schnell nähernden digitalen Fertigung der Zukunft heftig sein“, sagt Fox. „Deshalb ist unsere Entwicklung dieser Composites 4.0 Fähigkeit und Belegschaft jetzt so wichtig.“

Das Industry 4.0 Testlab für Composite Additive Manufacturing an der Swinburne University wird im Dezember 2020 eröffnet. Bleiben Sie dran bei CW für zukünftige Updates und lesen Sie unseren Juli-2020-Artikel „Composites 4.0: Digital transformation, adaptive production, new paradigms“ zusammen mit seinen fünf Online-Sidebars:

• Composites 4.0: Digital twin vs. digital thread
• ZAero project update
• Composites 4.0: Where to start?
• No business case for teaching robots
• Composites 4.0 architecture and ontology