복합재 적층 제조를 위한 Swinburne University 및 CSIROs Industry 4.0 Testlab

Swinburne University of Technology(호주 멜버른)는 호주 국립과학청(National Science Agency), CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)와 협력하여 복합 적층 제조를 위한 Industry 4.0 테스트랩을 구축하고 있습니다. 탄소 섬유 비용"). 이 시설은 현재 CSIRO의 Clayton 현장에서 건설 중이며 2020년 10월에 완료될 예정입니다.

호주 연방 정부의 지원을 받는 이 복합 재료용 Industry 4.0 Testlab은 Labs Network Industrie 4.0과 유사한 호주 국가 네트워크의 6개 중 하나입니다. 독일에서. 이 Testlab은 중소기업(SME)이 인더스트리 4.0에 의해 생성된 새로운 기술과 비즈니스 모델을 테스트할 수 있도록 하는 국가 기반 네트워크의 첫 번째 국가 시설입니다. 기술 및 재정적 위험이 최소화된 환경. 각 Testlab에는 고유한 제품 초점이 있습니다. Swinburne의 경우 이것은 복합 재료의 적층 제조입니다.

Swinburne 대학의 연구 및 기업 부총장인 Bronwyn Fox는 "Swinburne의 복합 재료를 위한 Industry 4.0 Testlab은 호주의 제조 능력을 향상시키기 위한 파일럿 규모의 프로세스를 제공할 것입니다."라고 말했습니다. Fox는 2015년 Swinburne에 합류하여 처음에는 Factory of the Future 이사를 역임한 후 대학의 Manufacturing Futures Research Institute 소장을 역임했습니다. Swinburne에 합류하기 전에는 Deakin University에서 Carbon Nexus의 연구 책임자였습니다.

Fox는 "Swinburne의 Testlab은 몰입형 환경에서 디지털 합성물 생산의 기능을 시연할 것입니다."라고 말합니다. “파일럿 규모의 프로세스는 부품 설계 및 최적화에서 완제품에 이르기까지 디지털 방식으로 제어됩니다. 우리는 또한 프로세스의 디지털 트윈을 만들고 가상 커미셔닝의 경계를 확장할 것입니다.”

이 복합 4.0 허브는 새로운 맞춤형 건물에 들어설 것입니다. "CSIRO/Swinburne Testlab 공동은 산업 규모의 탄소 섬유 강화 복합 재료의 적층 제조를 위한 세계 최초의 공정에 중점을 두고 있습니다."라고 CSIRO의 미래 산업 부문 전무이사인 Dr. Marcus Zipper가 말했습니다. “이는 Clayton의 적층 제조 구역의 중심에 있는 위치를 매우 적합하게 만듭니다. CSIRO에서 우리는 중소기업과 보다 광범위한 혁신 생태계를 위한 기회를 만드는 데 주력하고 있으며 이 Testlab이 그 중 하나입니다.”

파트너 및 프로세스

Siemens Australia와 함께 복합 재료를 위한 Industry 4.0 Testlab에 많은 주요 파트너가 있습니다. (Bayswater, Victoria)는 2017년에 Swinburne에 1억 3,500만 달러의 디지털화 소프트웨어 보조금을 확대한 최초의 기업 중 하나입니다. 이는 Composites 4.0 Testlab에 고급 PLM(제품 수명 주기 관리) 소프트웨어 제품군과 Siemens 클라우드 기반, IoT(사물인터넷) 플랫폼, MindSphere를 엽니다.

지멘스 오스트레일리아 프레젠테이션에 따르면 2019년 8월 현재 MindSphere에는 약 500개의 디지털 앱/제품과 140만 개의 연결된 장치 및 시스템이 있습니다. Fox는 ICCM22 프레젠테이션 "복합 재료의 3D 프린팅에 대한 Industry 4.0 접근"에서 "MindSphere는 다양한 제조업체의 장비가 서로 통신할 수 있도록 합니다."라고 설명합니다. 이 백서에서는 Swinburne Industry 4.0 Testlab이 어떻게 작동하는지 설명합니다.

"센서 ...는 생산 라인의 각 단계에서 대량의 공정 데이터를 수집할 수 있습니다. 이 정보는 안전한 로컬 클라우드에 저장되며 생산 데이터를 라인에 있는 다른 기계에 피드포워드하고 피드백하는 데 즉시 사용되어 자체 적응 생산 프로세스를 가능하게 합니다.

제안된 라인 ...은 제조 공정의 각 단계 후에 제품 검사가 가능하도록 설계되었습니다. 검사 데이터도 로컬 클라우드에 저장됩니다. 클라우드에 저장된 대규모 데이터 세트를 분석하면 완제품 상태와 제조 공정의 여러 단계 매개변수 간에 새롭고 예상치 못한 상관 관계가 발견될 수 있으며, 이는 차례로 제품 최적화에 활용될 수 있습니다.”

Fox는 또한 Industry 4.0 복합 제조 라인을 기성품으로 구입할 수 없다고 지적합니다. 따라서 Swinburne은 Composites 4.0 Testlab 장비 및 시설의 설계 및 개발을 알리기 위해 공급업체 및 최종 사용자 네트워크를 개발했습니다. 주요 구성 요소를 제공하는 파트너는 다음과 같습니다.

채우기 (오스트리아 구르텐)은 최대 1.6 x 1.6 미터 크기의 거의 그물 모양으로 정확하게 절단되고 방향이 지정된 단방향 섬유 테이프를 쌓는 다층 시스템을 공급했습니다. 테이프를 사용한 그물 모양에 가까운 것은 스크랩을 60% 이상에서 10% 미만으로 줄입니다. 테이프는 스풀에서 회전 테이블로 배치되며 15초마다 한 층이 완성됩니다. Fox는 Fill의 다층 기계가 열경화성 프리프레그 및 토우프레그는 물론 건조 섬유 및 폴리아미드(PA)와 같은 저융점 열가소성 수지 테이프를 적층할 수 있다고 말합니다. 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에테르케톤케톤(PEKK)과 같은 고융점 열가소성 수지에 대한 R&D가 진행 중입니다. "다층 기계는 유리와 탄소 섬유를 혼합하고 천연 섬유와 혼합하는 것과 같은 하이브리드 재료도 가능하게 합니다."라고 그녀는 덧붙입니다.

빠른 단계 (호주 시드니)는 호주에서 가장 큰 독립 항공우주 등급의 고급 복합재 제조업체로서 고압증기멸균 경화 및 OOA(고압멸균기 외) 복합재 모두에 대한 광범위한 전문 지식을 제공합니다. Quickstep의 특허 받은 OOA 시스템인 Qure와 항공 우주 응용 분야를 위한 고성능 버전인 AeroQure는 다음을 포함하여 오토클레이브 경화와 같은 기존 제조 기술에 비해 상당한 이점을 제공하는 고급 복합 재료 제조 공정입니다.

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낮은 설치 자본 비용

현저하게 짧은 경화 주기

에너지 소비 감소

최종 제품의 재료 특성을 충족하거나 개선할 수 있는 설계 유연성

복잡한 통합 부품 생산 능력

Qure는 가압 순환 열전달 유체(HTF)를 사용하여 금형을 지지하고 부품을 신속하게 가열 및 냉각합니다. 더 낮은 압력 처리(진공 + 최대 2.5bar)는 더 낮은 비용의 툴링을 용이하게 합니다. 금형 및 재료의 급속 가열은 공정 점도를 감소시켜 공기 방출 및 섬유 습윤을 개선합니다. 점도가 낮을수록 벌집 모양 및 폼 코어에 대한 접착력이 향상되어 경화 시 박리 강도가 높아지고 코어 분쇄가 감소합니다. HTF는 발열 반응이 일어나기 쉬운 두꺼운 라미네이트의 경우에도 탁월한 열 제어를 가능하게 합니다.

랑자우너 (오스트리아 람브레히텐)은 다양한 수지 이송 성형(RTM)에서 열성형에 이르기까지 다중 공정이 가능한 최대 300톤의 클램핑력을 갖춘 고온 자동화 프레스를 공급하고 있습니다. 이는 수지를 건조 프리폼에 주입한 후 경화 또는 열경화성 및 열가소성 프리프레그의 압축 성형을 가능하게 합니다.

프레스는 단일 피스톤 제어를 통해 비대칭 하중에서도 서보 유압을 통해 에너지 효율성/절감 효과를 달성합니다. 고성능 적외선(IR) 오븐은 재료를 원하는 처리 온도로 빠르게 가열하여 개별 라디에이터 제어 시스템을 사용하여 다양한 두께를 보정합니다. 예열된 재료를 프레싱 스테이션으로 빠르게 이송하는 것은 선형 축에 의해 보장됩니다. 고온 압반 가열 시스템은 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같은 고급 열가소성 수지의 가공을 수용하여 최소 400°C의 온도에서 부품을 성형할 수 있습니다.

프레스는 또한 이중 다이어프램 프레임이 가능합니다(이중 다이어프램 성형에 대한 2020 블로그 참조). 유연하고 강력하며 사용자 친화적인 소프트웨어는 최고 수준의 디지털화 및 모니터링을 보장합니다.

NETZSCH(독일 Selb)는 재료 거동을 기반으로 복합재 제조를 제어할 수 있는 인몰드 경화 모니터링 기술을 제공할 예정입니다.

백금 (이스라엘)은 부품 생산을 최적화하기 위해 도구, 부품 및 원자재 추적, 디지털 트윈 생성 및 기계 센서 데이터 분석을 가능하게 하는 복합재 제조를 위한 디지털화, 최적화 및 디지털 트윈 소프트웨어를 제공합니다. Plataine은 Siemens를 비롯한 복합 재료 업계 리더 및 공급업체와 광범위한 파트너십을 맺고 있습니다.

시코니 (독일 슈투트가르트)는 프리폼과 통합 부품 모두의 인라인 검사 및 디지털화를 위한 DrapeWatch 시스템을 공급했습니다. 이 로봇 기반 3D 분석 시스템은 간격, 오정렬 및 불규칙성을 식별할 수 있습니다. 상세한 표면 검사를 위한 시각 센서와 내부 결함 및 심층 재료 분석을 위한 EddyCurrent 센서를 결합합니다. 시스템의 인공 지능 알고리즘이 데이터를 분석하여 결함을 조기에 감지하여 비용이 많이 드는 재실행을 방지합니다. 유한 요소 분석(FEA)에 대한 인터페이스를 통해 섬유 각도 결과를 시뮬레이션 모델로 내보내 부품 성능에 미치는 결함의 영향을 평가할 수 있습니다. 모듈식 시스템은 열화상, 초음파 또는 레이저 스캐닝 장치를 통합하여 확장할 수도 있습니다.

Fill과 Langzauner의 장비는 2020년 중반에 설치될 예정입니다. Fox는 "Fill은 우리를 위해 실험을 하고 있으며 특정 부품에 대한 교육과 디지털화 교육을 위해 직원을 오스트리아로 보냈습니다. 모든 공정 장비가 시운전되면 Plataine의 RFID(무선 주파수 식별) 기술을 사용하고 최신 에지 컴퓨팅 플랫폼인 PlataineEdge로 확장하여 기계 간의 실시간 분석 및 통신을 가능하게 할 것입니다.”

Swinburne의 Composites 4.0 Testlab 비전의 또 다른 부분은 변화하는 산업 요구에 매우 빠르게 적응할 수 있는 유연한 제조를 가능하게 하는 것입니다.

"일반적인 생산 라인에서 제품을 변경하거나 수정하려면 상당한 장비 수정과 수동 개입이 필요합니다. 따라서 이러한 제품 변경이 수익성이 있으려면 신제품의 최소 배치 크기가 필요합니다. 대조적으로, 인더스트리 4.0 비전에서는 스마트 공장을 통해 개별 고객의 요구 사항과 일회성 품목도 수익성 있게 제조할 수 있습니다. 이러한 공장은 고객과 공급업체를 대신하여 마지막 순간의 변경 사항에 쉽게 대응할 수 있습니다. 결과적으로 제안된 제조 라인의 주요 목표 중 하나는 수동 개입을 최소화하거나 전혀 하지 않고도 다양한 제품을 생산할 수 있도록 하는 것입니다.” — Fox 및 Subic, "복합 재료의 3D 인쇄에 대한 Industry 4.0 접근 방식"

ARENA2036 및 글로벌 가치 사슬 연결

디지털화된 물리적 복합 재료 4.0 공장을 제공하는 것 외에도 Swinburne은 차세대 인력을 교육할 것입니다. 후자는 호주의 글로벌 혁신 연계 프로그램(Global Innovation Linkages Program)에서 4년 동안 100만 달러를 지원받아 가능합니다. 이 이니셔티브의 핵심 파트너는 "미래의 이동성과 생산을 위한 매우 유연한 연구 플랫폼"이라고 자칭하는 슈투트가르트 대학교의 산업 주도 캠퍼스 내 R&D 프로그램인 ARENA2036입니다. 연방 교육 연구부(BMBF, 독일 본)의 지원을 받고 38명의 과학 및 산업 회원과 등록된 협회로 운영되는 ARENA2036은 "STARTUP AUTOBAHN"과 10,000제곱미터 건물을 특징으로 합니다. 이 중 4,700제곱미터는 16미터 높이의 천장과 10톤 산업용 크레인이 있는 개방형 생산 홀입니다. Swinburne은 2018년 ARENA2036에 회원으로 가입했습니다.

Swinburne의 Composites 4.0 Testlab과 ARENA2036은 유연한 툴링 시스템으로 가능해진 특정 생산 기술과 디지털 트윈 기술. 여기에는 다음이 포함됩니다.

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R&D 및 상업화, 공동 창업 촉진

박사과정 학생 공동모집, 공동 지도 및 교류

공동 연구 워크숍 및 심포지엄.

이 파트너십은 또한 프라운호퍼 제조 공학 및 자동화 연구소 및 산업 공학 연구소(슈투트가르트 대학의 항공기 디자인 연구소(IFB)에서 박사 과정 학생 인턴십 포함)와 관련된 공동 R&D 프로젝트를 계획하고 있습니다. 인더스트리 4.0 영역. IFB 소장인 Peter Middendorf 교수는 "GIL 프로젝트는 고급 복합 공정과 SUT, 슈투트가르트 대학 및 ARENA2036의 협력을 위한 중요한 이정표"라고 말했습니다. "우리는 프로젝트 자체의 파트너이며 독일 정부가 지원하는 GIL과 직접 연결된 두 개의 다른 공동 연구 프로젝트를 발표하게 된 것을 자랑스럽게 생각합니다."

Fox는 "우리는 Swinburne과 Stuttgart 대학 사이에서 디지털에 능한 공동 박사 과정 학생의 새로운 집단을 훈련할 것입니다."라고 말합니다. “우리는 Composite 4.0 프로세스를 더욱 발전시킬 뿐만 아니라 글로벌 파트너십을 강화하고 특히 새로운 이동성 시장에서 호주에서 수출할 수 있는 신제품을 만들 것입니다. 이러한 국제 협력을 통해 Swinburne의 Industry 4.0 Testlab은 호주 중소기업을 글로벌 가치 사슬에 적극적으로 연결할 것입니다. 우리는 이미 파트너인 Imagine Intelligent Materials와 함께 이를 시연했으며 더 많은 호주 혁신가들에게 이를 확대하기를 기대합니다.”

Fox는 "급속히 다가오고 있는 미래의 디지털 제조 분야에서 국제 경쟁이 치열할 것입니다."라고 말했습니다. "이것이 바로 이 복합 4.0 기능과 인력의 개발이 지금 중요한 이유입니다."

Swinburne University의 복합 적층 제조를 위한 Industry 4.0 Testlab은 2020년 12월에 시작됩니다. CW를 계속 지켜봐 주시기 바랍니다. 향후 업데이트를 확인하고 2020년 7월 기능인 "합성 4.0:디지털 혁신, 적응형 생산, 새로운 패러다임"과 5개의 온라인 사이드바를 읽어보세요.

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컴포지트 4.0:디지털 트윈 대 디지털 스레드

Zero 프로젝트 업데이트

복합 4.0:어디서부터 시작해야 하나요?

로봇 교육에 대한 비즈니스 사례 없음

4.0 아키텍처 및 온톨로지 합성