Swinburne University Bekerja Sama dengan CSIRO untuk Membangun Testlab Manufaktur Aditif Komposit Industri 4.0

Swinburne University of Technology (Melbourne, Australia) sedang mendirikan Testlab Industri 4.0 untuk Manufaktur Aditif Komposit dalam kemitraan dengan Badan Ilmu Pengetahuan Nasional Australia, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO, lihat "Mengembangkan serat karbon berkualitas lebih tinggi, lebih kuat, lebih hemat biaya"). Fasilitas ini saat ini dalam pembangunan di lokasi Clayton CSIRO dan akan selesai pada Oktober 2020.

Testlab Nasional

Didukung oleh Pemerintah Federal Australia, Testlab Industri 4.0 untuk Komposit ini adalah enam dari jaringan nasional Australia, mirip dengan Labs Network Industrie 4.0 di Jerman. Testlab ini adalah fasilitas nasional pertama di jaringan berbasis negara tempat tujuannya adalah memungkinkan perusahaan kecil dan menengah (SME) untuk menguji teknologi dan model bisnis baru yang diciptakan oleh Industri 4.0, mengeksplorasi aspek dari desain hingga kelayakan ekonomi, dalam lingkungan non-kompetitif dengan risiko teknis dan keuangan minimal. Setiap Testlab memiliki fokus produk yang khas. Untuk Swinburne, ini adalah manufaktur aditif komposit.

"Testlab Industri 4.0 untuk Komposit di Swinburne akan menyediakan proses skala pilot untuk meningkatkan kemampuan manufaktur Australia," kata Bronwyn Fox, deputy vice chancellor riset dan enterprise di Swinburne University. Fox bergabung dengan Swinburne pada 2015, awalnya mengambil peran sebagai direktur Factory of the Future dan kemudian direktur Manufacturing Futures Research Institute universitas. Sebelum bergabung dengan Swinburne, dia adalah research director untuk Carbon Nexus di Deakin University.

"Testlab Swinburne akan mendemonstrasikan fitur produksi komposit digital dalam lingkungan imersif," kata Fox. "Proses skala pilot akan dikendalikan secara digital dari desain dan optimasi bagian hingga produk akhir. Kami juga akan menciptakan twin digital dari proses dan mendorong batas virtual commissioning."

Hub komposit 4.0 ini akan ditempatkan di gedung baru yang khusus. "Testlab bersama CSIRO/Swinburne berfokus pada proses pertama di dunia untuk manufaktur aditif komposit terkatup serat karbon pada skala industri," kata Dr. Marcus Zipper, executive director divisi Future Industries CSIRO. "Ini membuat lokasinya, di pusat kluster manufaktur aditif Clayton, sangat cocok. Di CSIRO kita semua tentang menciptakan peluang untuk SME dan ekosistem inovasi yang lebih luas, dan Testlab ini adalah contoh lain dari itu."

Mitra dan Proses

Ada banyak mitra kunci dalam Testlab Industri 4.0 untuk Komposit, dengan Siemens Australia (Bayswater, Victoria) sebagai salah satu pertama, memberikan hibah perangkat lunak digitalisasi senilai $135 juta kepada Swinburne pada 2017. Ini menyediakan Testlab Komposit 4.0 dengan suite perangkat lunak manajemen siklus hidup produk (PLM) canggih serta platform Internet of Things (IoT) berbasis cloud dan terbuka Siemens, MindSphere.

Menurut presentasi Siemens Australia, pada Agustus 2019, terdapat sekitar 500 aplikasi/offering digital dalam MindSphere dan 1,4 juta perangkat dan sistem yang terhubung. "MindSphere akan memungkinkan peralatan dari berbagai produsen untuk berkomunikasi satu sama lain," menjelaskan Fox dalam presentasi ICCM22nya, "An Industry 4.0 Approach to the 3D Printing of Composite Materials". Kertas ini menggambarkan bagaimana Testlab Industri 4.0 Swinburne akan berfungsi:

"Sensor ... akan memungkinkan setiap tahap baris produksi untuk mengumpulkan sejumlah besar data proses. Informasi ini akan disimpan di cloud lokal aman dan juga akan segera digunakan untuk feedforward dan feedback data produksi ke mesin lain di baris, sehingga memungkinkan proses produksi yang dapat menyesuaikan diri sendiri.

Baris yang diusulkan ... dirancang untuk memungkinkan pemeriksaan produk setelah setiap tahap proses manufaktur. Data pemeriksaan juga akan disimpan di cloud lokal. Analisis dari dataset besar yang disimpan di cloud dapat menyebabkan penemuan korelasi baru dan tidak terduga antara status produk akhir dan parameter berbagai tahap proses manufaktur, yang pada gilirannya dapat digunakan untuk mengoptimalkan produk."

Jaringan Mitra

Fox juga menyinggung bahwa baris manufaktur komposit Industri 4.0 tidak dapat dibeli secara off-the-shelf. Dengan demikian, Swinburne mengembangkan jaringan pemasok dan pengguna akhir untuk member informasi desain dan pengembangan peralatan dan fasilitas Testlab Komposit 4.0nya. Mitra yang menyediakan komponen kunci meliputi:

FILL (Gurten, Austria) telah menyediakan sistem Multilayer, yang menumpuk pita serat unidireksional yang dipotong dan diarah dengan tepat ke dalam bentuk near net-shapes berukuran hingga 1,6 kali 1,6 meter. Near net-shapes menggunakan pita mengurangi sisa dari lebih dari 60% menjadi kurang dari 10%. Pita dititipkan dari gulungan ke meja berputar, dengan satu lapisan diselesaikan setiap 15 detik. Fox mencatat bahwa mesin Multilayer Fill dapat menata pita prepreg dan towpreg termoset, serta serat kering dan termoplastik low-melt, seperti poliamida (PA). Ada R&D berkelanjutan untuk termoplastik high-melt seperti polyetheretherketone (PEEK) dan polyetherketoneketone (PEKK). "Mesin Multilayer juga memungkinkan material hibrid, seperti mencampur serat kaca dan serat karbon dan campuran dengan serat alami, dll," katanya.

Mitra Teknis

Quickstep (Sydney, Australia) adalah produsen komposit canggih grade penerbangan terbesar independen di Australia, menawarkan keahlian luas dalam komposit yang dikeringkan di autoclave dan out of autoclave (OOA). Sistem OOA paten Quickstep, Qure, dan versinya yang berkinerja tinggi untuk aplikasi penerbangan, AeroQure, adalah proses manufaktur komposit canggih yang menawarkan keuntungan signifikan dibandingkan teknik manufaktur tradisional seperti pengeringan autoclave, termasuk:

• Biaya modal rendah untuk penyiapan
• Waktu siklus pengeringan yang jauh lebih singkat
• Konsumsi energi yang berkurang
• Fleksibilitas desain untuk memenuhi atau meningkatkan properti material produk akhir
• Kemampuan untuk memproduksi bagian terintegrasi kompleks.

Qure menggunakan cairan transfer panas (HTF) bertekanan yang beredar untuk mendukung cetakan dan memanaskan serta pendingin bagian dengan cepat. Pemrosesan tekanan rendah (vakuum hingga 2,5 bar) memfasilitasi cetakan dengan biaya lebih rendah. Pemanasan cepat cetakan dan material mengurangi viskositas proses, meningkatkan pelepasan udara dan pembasahan serat. Viskositas yang lebih rendah meningkatkan adhesi ke inti sarang lebah dan busa, menghasilkan kekuatan pelupahan yang lebih tinggi dan hancuran inti yang berkurang selama pengeringan. HTF memungkinkan kontrol termal yang unggul, bahkan untuk laminasi tekat yang rentan terhadap reaksi eksotermik.

Peralatan Press dan Sensor

Langzauner (Lambrechten, Austria) menyediakan press otomatis suhu tinggi, dengan gaya klamping hingga 300 ton yang dapat melakukan banyak proses — mulai dari variasi resin transfer molding (RTM) hingga termoforming. Ini akan memungkinkan injeksi resin ke dalam preform kering, diikuti oleh pengeringan, atau compression molding prepreg termoset dan termoplastik.

Press ini mencapai efisiensi/hemat energi melalui servo hidrolik dan akurasi tertinggi, bahkan pada beban asimetris, melalui kontrol piston tunggal. Oven inframerah (IR) berkinerja tinggi memanaskan materi dengan cepat ke suhu pemrosesan yang diinginkan, mengkompensasi ketebalan yang berbeda menggunakan sistem kontrol radiator individu. Transfer cepat materi yang telah dipanaskan ke stasiun penekanan dijamin oleh sumbu linear. Sistem pemanas platen suhu tinggi dapat mencetak bagian pada suhu hingga setidaknya 400°C, mengakomodasi pemrosesan termoplastik canggih seperti polyetheretherketone (PEEK).

Press ini juga mampu double-diaphragm frame (lihat blog 2020 tentang double-diaphragm forming). Tingkat digitalisasi dan pemantauan tertinggi dijamin oleh perangkat lunak yang fleksibel, kuat dan ramah pengguna.

NETZSCH (Selb, Jerman) akan menyediakan teknologi pemantauan pengeringan dalam cetakan, memungkinkan kontrol manufaktur komposit berdasarkan perilaku materi.

Plataine (Israel) menawarkan perangkat lunak digitalisasi, optimasi dan twin digital untuk manufaktur komposit yang memungkinkan pelacakan alat, bagian dan bahan baku, penciptaan twin digital dan analisis data sensor mesin untuk mengoptimalkan produksi bagian. Plataine memiliki berbagai mitra dengan pemimpin dan pemasok industri komposit, termasuk Siemens.

CIKONI (Stuttgart, Jerman) telah menyediakan sistem DrapeWatch untuk pemeriksaan inline dan digitalisasi preform dan bagian yang telah dikonsolidasikan. Sistem analisis 3D berbasis robot ini dapat mengidentifikasi celah, ketidakelarasan dan ketidakteraturan. Ini menggabungkan sensor visual untuk pemeriksaan permukaan detail dengan sensor EddyCurrent untuk cacat internal dan analisis materi yang mendalam. Data dianalisis oleh algoritma kecerdasan buatan sistem untuk memberikan deteksi dini cacat, menghindari rerun yang mahal. Antarmuka ke analisis elemen hingga (FEA) memungkinkan ekspor hasil sudut seret ke model simulasi untuk evaluasi dampak cacat pada performa bagian. Sistem modular ini juga dapat diperluas dengan mengintegrasikan perangkat termografi, ultrasonik atau pemindaian laser.

Peralatan dari Fill dan Langzauner akan dipasang pertengahan 2020. "Fill telah melakukan eksperimen untuk kami," catat Fox, "dan kami telah mengirim personel ke Austria untuk pelatihan pada bagian tertentu serta pelatihan dalam digitalisasi. Setelah semua peralatan proses dioperasikan, kami akan menggunakan teknologi RFID (radio frequency identification) Plataine dan menskalakan ke platform edge computing terbarunya, PlataineEdge, yang akan memungkinkan analisis dan komunikasi real-time di antara mesin."

Bagian lain dari visi untuk Testlab Komposit 4.0 Swinburne adalah untuk memungkinkan manufaktur fleksibel yang dapat menyesuaikan diri dengan permintaan industri yang berubah dengan sangat cepat:

"Dalam baris produksi yang biasanya, perubahan atau modifikasi produk memerlukan modifikasi peralatan yang signifikan dan intervensi manual. Oleh karena itu, agar perubahan produk tersebut menguntungkan, diperlukan ukuran batch minimum untuk produk baru. Di sisi lain, dalam visi Industri 4.0, pabrik pintar memungkinkan persyaratan pelanggan individual dan bahkan item satu kali diproduksi menguntungkan. Sebuah pabrik semacam itu dapat dengan mudah merespons perubahan menit terakhir atas nama pelanggan dan pemasok. Akibatnya, salah satu tujuan utama baris manufaktur yang diusulkan adalah untuk memungkinkannya memproduksi produk yang berbeda dengan intervensi manual minimal atau tanpa ada sama sekali." — Fox dan Subic, "An Industry 4.0 Approach to the 3D Printing of Composite Materials"

ARENA2036 dan Rantai Nilai Global

Selain menyediakan pabrik komposit 4.0 fisik yang didigitalkan, Swinburne juga akan melatih tenaga kerja generasi berikutnya. Hal ini dibuat可能 melalui hibah $1 juta/empat tahun dari Program Global Innovation Linkages Australia. Mitra kunci dalam inisiatif ini adalah ARENA2036, program R&D kampus yang dipicu industri dari Universitas Stuttgart, yang menggambarkan dirinya sendiri sebagai "Platform penelitian yang sangat fleksibel untuk mobilitas dan produksi masa depan". Didukung oleh Kementerian Pendidikan dan Riset Federal (BMBF, Bonn, Jerman) dan dijalankan sebagai asosiasi terdaftar dengan 38 anggota dari ilmu pengetahuan dan industri, ARENA2036 menawarkan "STARTUP AUTOBAHN" dan gedung 10.000 meter persegi, 4.700 meter persegi di antaranya adalah aula produksi terbuka dengan langit-langit tinggi 16 meter dan crane industri 10 ton. Swinburne bergabung dengan ARENA2036 sebagai anggota pada 2018.

Kolaborasi ARENA2036

Testlab Komposit 4.0 Swinburne dan ARENA2036 bekerjasama melalui program senilai $3,6 juta yang didukung oleh skema Global Innovation Linkage (GIL) Pemerintah Australia tentang manufaktur Industri 4.0 komposit ringan volume tinggi dengan fokus pada teknologi produksi tertentu yang diaktifkan oleh sistem cetakan fleksibel dan teknologi twin digital. Ini akan mencakup:

• R&D dan komersialisasi, memfasilitasi start-up bersama.
• Rekrutmen bersama, co-supervisi dan pertukaran mahasiswa PhD
• Workshop dan simposium riset bersama.

Kemitraan ini juga mencakup proyek R&D bersama dengan Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation dan Institute for Industrial Engineering (Fraunhofer IPA dan IAO, Stuttgart), termasuk magang mahasiswa PhD di Institute for Aircraft Design (IFB) di Universitas Stuttgart di area Industri 4.0 yang relevan. "Proyek GIL adalah tonggak penting untuk proses komposit canggih dan juga untuk kolaborasi SUT, Universitas Stuttgart dan ARENA2036," kata profesor Peter Middendorf, direktur IFB. "Kami bangga menjadi mitra dalam proyek itu dan untuk mengumumkan dua proyek penelitian kolaboratif lainnya yang didukung oleh Pemerintah Jerman yang secara langsung terhubung dengan GIL."

"Kami akan melatih kohort baru mahasiswa PhD bersama secara digital antara Swinburne dan Universitas Stuttgart," kata Fox. "Kami tidak hanya akan mengembangkan proses Komposit 4.0 lebih lanjut, tetapi juga memperkuat kemitraan global dan menciptakan produk baru yang dapat diekspor dari Australia, terutama di pasar mobilitas baru. Melalui kolaborasi internasional ini, Testlab Industri 4.0 Swinburne akan secara aktif menghubungkan SME Australia ke dalam rantai nilai global. Kami sudah menunjukkan ini dengan mitra kami Imagine Intelligent Materials dan kami menantikan untuk memperluas ini ke inovator Australia lainnya."

Tantangan Masa Depan

"Kompetisi internasional akan sengit dalam manufaktur digital masa depan yang akan segera tiba," kata Fox. "Itulah sebabnya pengembangan kemampuan dan tenaga kerja komposit 4.0 ini sangat penting sekarang."

Testlab Industri 4.0 untuk Manufaktur Aditif Komposit di Swinburne University akan diluncurkan pada Desember 2020. Tetaplah bersama CW untuk pembaruan di masa depan dan baca fitur Juli 2020 kami, "Komposit 4.0: Transformasi digital, produksi adaptif, paradigma baru" beserta lima sidebar online-nya:

• Komposit 4.0: Twin digital vs. benang digital
• Pembaruan proyek ZAero
• Komposit 4.0: Di mana memulai?
• Tidak ada kasus bisnis untuk mengajari robot
• Arsitektur dan ontologi Komposit 4.0