Universidad Swinburne y CSIRO construyen Testlab Industria 4.0 para Fabricación Aditiva de Compuestos

La Universidad de Tecnología Swinburne (Melbourne, Australia) está estableciendo un Testlab Industria 4.0 para Fabricación Aditiva de Compuestos en colaboración con la Agencia Nacional de Ciencia de Australia, la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth (CSIRO). La instalación está en construcción en el sitio Clayton de CSIRO y se completará en octubre 2020.

Red nacional de Testlabs

Apoyado por el Gobierno Federal Australiano, este Testlab Industria 4.0 para Compuestos es uno de seis en una red nacional australiana, similar a la Red Labs Network Industrie 4.0 en Alemania. Este Testlab es la primera instalación nacional en la red basada en estados donde el objetivo es permitir a pymes probar nuevas tecnologías y modelos de negocio creados por Industria 4.0, explorando aspectos desde diseño a viabilidad económica, en entorno precompetitivo con mínimo riesgo técnico y financiero. Cada Testlab tiene un foco de producto distintivo. Para Swinburne, es fabricación aditiva de compuestos.

“El Testlab Industria 4.0 para Compuestos en Swinburne proporcionará un proceso a escala piloto para avanzar capacidades de fabricación de Australia”, dice Bronwyn Fox, vicerrectora adjunta de investigación y empresa en Swinburne. Fox se unió a Swinburne en 2015, inicialmente como directora de Factory of the Future y luego directora del Instituto de Investigación de Futuros de Fabricación. Antes, fue directora de investigación para Carbon Nexus en Universidad Deakin.

“El Testlab de Swinburne demostrará características de producción digital de compuestos en entorno inmersivo”, dice Fox. “Los procesos a escala piloto serán controlados digitalmente desde diseño y optimización de pieza hasta producto final. También crearemos un gemelo digital del proceso y empujaremos límites de puesta en marcha virtual.”

Este hub de Composites 4.0 se alojará en un nuevo edificio a medida. “El Testlab conjunto CSIRO/Swinburne se enfoca en un proceso mundial pionero para fabricación aditiva de compuestos reforzados con fibra de carbono a escala industrial”, dice Dr. Marcus Zipper, director ejecutivo de división Future Industries de CSIRO. “Esto hace su ubicación, en el corazón del precinto de fabricación aditiva de Clayton, un gran acierto. En CSIRO nos centramos en crear oportunidades para pymes y el ecosistema de innovación, y este Testlab es otro ejemplo.”

Socios y proceso

Hay muchos socios clave en el Testlab Industria 4.0 para Compuestos, con Siemens Australia (Bayswater, Victoria) siendo uno de los primeros, extendiendo una subvención de software de digitalización de 135 millones $ a Swinburne en 2017. Esto proporciona al Testlab Composites 4.0 una suite de software avanzado de gestión de ciclo de vida de producto (PLM) y la plataforma IoT abierta basada en nube de Siemens, MindSphere.

Según presentación de Siemens Australia, a agosto 2019 había unas 500 apps/ofertas digitales en MindSphere y 1,4 millones de dispositivos y sistemas conectados. “MindSphere permitirá que equipos de una amplia gama de fabricantes se comuniquen entre sí”, explica Fox en su presentación ICCM22, “Un enfoque Industria 4.0 para la Impresión 3D de Materiales Compuestos”. Este artículo describe cómo funcionará el Testlab Industria 4.0 de Swinburne:

“Sensores... permitirán que cada etapa de la línea de producción recoja gran cantidad de datos de proceso. Esta información se almacenará en nube local segura y se usará inmediatamente para retroalimentación y feedforward de datos de producción a otras máquinas en la línea, permitiendo un proceso de producción auto-adaptativo.

La línea propuesta... está diseñada para permitir inspección de producto tras cada etapa del proceso de fabricación. Los datos de inspección también se almacenarán en la nube local. El análisis de los grandes conjuntos de datos almacenados en la nube puede llevar al descubrimiento de correlaciones nuevas e inesperadas entre el estado del producto final y los parámetros de diferentes etapas del proceso de fabricación, que a su vez pueden utilizarse para optimizar el producto.”

Fox también señala que las líneas de fabricación Industria 4.0 de compuestos no se pueden comprar llave en mano. Así, Swinburne desarrolló una red de proveedores y usuarios finales para informar diseño y desarrollo de equipos e instalación de su Testlab Composites 4.0. Socios que suministran componentes clave incluyen:

• FILL (Gurten, Austria) suministró el sistema Multilayer, que apila cintas de fibra unidireccional cortadas y orientadas con precisión en formas near-net-shape hasta 1,6 x 1,6 m. Las near-net-shapes usando cinta reducen desperdicio de más 60% a menos 10%. Las cintas se depositan desde bobinas sobre mesa giratoria, completando una capa cada 15 segundos. Fox señala que la máquina Multilayer de Fill puede colocar cintas de prepreg termoestable y towpreg, así como fibra seca y termoplástico de bajo punto de fusión como poliamida (PA). Hay I+D en curso para termoplásticos de alto punto de fusión como poliéter éter cetona (PEEK) y poliéter cetona cetona (PEKK). “La máquina Multilayer también permite materiales híbridos, como mezclar fibras de vidrio y carbono y mezclas con fibras naturales, etc.”, añade.
• Quickstep (Sídney, Australia) es el mayor fabricante independiente de compuestos avanzados grado aeroespacial en Australia, ofreciendo amplia experiencia en compuestos curados en autoclave y fuera de autoclave (OOA). El sistema OOA patentado de Quickstep, Qure, y su versión de alto rendimiento para aplicaciones aeroespaciales, AeroQure, es un proceso avanzado de fabricación de compuestos que ofrece ventajas significativas sobre técnicas tradicionales como curado en autoclave: bajo coste capital para setup, ciclos de curado significativamente más cortos, consumo energético reducido, flexibilidad de diseño para cumplir o mejorar propiedades del material del producto final, capacidad para producir piezas complejas integradas.
• Langzauner (Lambrechten, Austria) suministra prensa automatizada de alta temperatura, con hasta 300 toneladas de fuerza de cierre, multi-proceso —desde variaciones de RTM a termoformado—. Permitirá inyección de resina en preformas secas, seguida de curado, o moldeo por compresión de prepregs termoestables y termoplásticos.
• NETZSCH (Selb, Alemania) proporcionará tecnología de monitorización de curado en molde, permitiendo control de fabricación de compuestos basado en comportamiento del material.
• Plataine (Israel) ofrece software de digitalización, optimización y gemelo digital para fabricación de compuestos que permite seguimiento de herramientas, piezas y materias primas, creación de gemelos digitales y análisis de datos de sensores de máquinas para optimizar producción de piezas.
• CIKONI (Stuttgart, Alemania) suministró sistema DrapeWatch para inspección en línea y digitalización de preformas y piezas consolidadas. Este sistema robotizado de análisis 3D puede identificar huecos, desalineaciones e irregularidades. Combina sensor visual para inspección detallada de superficie con sensor EddyCurrent para defectos internos y análisis de material en profundidad. Los datos se analizan con algoritmos de IA del sistema para detección temprana de defectos, evitando costosas repeticiones. Interfaz a FEA permite exportar resultados de ángulo de fibra a modelos de simulación para evaluar impacto de defectos en rendimiento de pieza. El sistema modular puede extenderse integrando termografía, ultrasonidos o escaneo láser.

Los equipos de Fill y Langzauner se instalarán a mediados de 2020. “Fill ha hecho experimentos para nosotros”, señala Fox, “y hemos enviado personal a Austria para formación en partes específicas y en digitalización. Una vez comisionados todos los equipos de proceso, usaremos tecnología RFID de Plataine y escalaremos a su última plataforma edge computing, PlataineEdge, permitiendo análisis y comunicación en tiempo real entre máquinas.”

Fabricación flexible y ARENA2036

Otra parte de la visión para el Testlab Composites 4.0 de Swinburne es permitir fabricación flexible que se adapte rápidamente a cambios en demandas industriales:

“En una línea de producción típica, un cambio de producto requiere modificaciones significativas de equipos e intervenciones manuales. Por tanto, para que tal cambio sea rentable, se requiere tamaño de lote mínimo del nuevo producto. En cambio, en la visión Industria 4.0, fábricas inteligentes permiten fabricar rentablemente requisitos individuales de clientes e incluso piezas únicas. Tal fábrica puede responder fácilmente a cambios de último minuto por parte de clientes y proveedores. Consecuentemente, uno de los objetivos principales de la línea de fabricación propuesta es permitirle producir diferentes productos con intervención manual mínima o nula.” — Fox y Subic, “Un enfoque Industria 4.0 para la Impresión 3D de Materiales Compuestos”

Además de proporcionar fábrica digitalizada Composites 4.0, Swinburne también formará la próxima generación de fuerza laboral. Esto es posible mediante subvención de 1 millón $/cuatro años del Programa Global Innovation Linkages de Australia. Un socio clave es ARENA2036, el programa I+D impulsado por industria en campus de Universidad de Stuttgart, autodescrito como “Plataforma de investigación altamente flexible para movilidad y producción del futuro”. Apoyado por Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF, Bonn, Alemania) y gestionado como asociación registrada con 38 miembros de ciencia e industria, ARENA2036 cuenta con “STARTUP AUTOBAHN” y edificio de 10.000 m², 4.700 m² de nave de producción abierta con techo de 16 m y grúa industrial de 10 toneladas. Swinburne se unió a ARENA2036 como miembro en 2018.

El Testlab Composites 4.0 de Swinburne y ARENA2036 colaboran vía programa de 3,6 millones $ apoyado por esquema Global Innovation Linkage (GIL) del Gobierno Australiano en fabricación Industria 4.0 de compuestos ligeros de alto volumen con foco en tecnología de producción habilitada por sistemas de utillaje flexible y tecnología gemelo digital. Incluirá:

• I+D y comercialización, facilitando start-ups conjuntas.
• Reclutamiento conjunto, co-supervisión e intercambio de doctorandos.
• Talleres y simposios de investigación conjuntos.

Esta asociación también prevé proyectos I+D conjuntos con Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation e Institute for Industrial Engineering (Fraunhofer IPA e IAO, Stuttgart), incluyendo prácticas de doctorandos en Institute for Aircraft Design (IFB) de Universidad de Stuttgart en áreas relevantes de Industria 4.0. “El proyecto GIL es hito importante para procesos avanzados de compuestos y también para colaboración SUT, Universidad de Stuttgart y ARENA2036”, dice profesor Peter Middendorf, director de IFB. “Estamos orgullosos de ser socios en el proyecto y anunciar otros dos proyectos de investigación colaborativa apoyados por Gobierno Alemán directamente vinculados a GIL.”

“Formaremos nueva cohorte de doctorandos digitalmente hábiles entre Swinburne y Universidad de Stuttgart”, dice Fox. “No solo desarrollaremos más procesos Composite 4.0, sino también cementaremos alianzas globales y crearemos nuevos productos exportables desde Australia, particularmente en nuevos mercados de movilidad. A través de estas colaboraciones internacionales, el Testlab Industria 4.0 de Swinburne vinculará activamente pymes australianas en cadenas de valor globales. Ya lo demostramos con nuestro socio Imagine Intelligent Materials y esperamos extenderlo a más innovadores australianos.”

“La competencia internacional será feroz en la fabricación digital del futuro que se acerca rápidamente”, dice Fox. “Por eso nuestro desarrollo de esta capacidad y fuerza laboral Composites 4.0 es tan importante ahora.”

El Testlab Industria 4.0 para Fabricación Aditiva de Compuestos en Universidad Swinburne se lanzará en diciembre 2020. Manténganse atentos a CW para futuras actualizaciones y lean nuestro reportaje de julio 2020, “Composites 4.0: Transformación digital, producción adaptativa, nuevos paradigmas” junto con sus cinco sidebars online.