Universidade Swinburne faz Parceria com CSIRO para Construir Testlab de Manufatura Aditiva de Compósitos Indústria 4.0

A Universidade de Tecnologia Swinburne (Melbourne, Austrália) está estabelecendo um Testlab de Indústria 4.0 para Manufatura Aditiva de Compósitos em parceria com a Agência Nacional de Ciência da Austrália, a Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth (CSIRO) (veja "Desenvolvendo fibras de carbono de maior qualidade, maior resistência, menor custo"). A instalação está atualmente em construção no site de Clayton da CSIRO e será concluída em outubro de 2020.

Rede Nacional de Testlabs

Apoiado pelo Governo Federal Australiano, este Testlab de Indústria 4.0 para Compósitos é um de seis em uma rede nacional australiana, similar à rede Labs Network Industrie 4.0 na Alemanha. Este Testlab é a primeira instalação nacional na rede baseada no estado onde o objetivo é permitir que pequenas e médias empresas (PMEs) testem novas tecnologias e modelos de negócio criados pela Indústria 4.0, explorando aspectos do design à viabilidade econômica, em um ambiente pré-competitivo com risco técnico e financeiro mínimo. Cada Testlab tem um foco de produto distinto. Para Swinburne, este é manufatura aditiva de compósitos.

"O Testlab de Indústria 4.0 para Compósitos na Swinburne fornecerá um processo em escala piloto para avançar as capacidades de fabricação da Austrália", diz Bronwyn Fox, vice-reitora adjunta de pesquisa e empresa na Universidade Swinburne. Fox juntou-se à Swinburne em 2015, inicialmente assumindo o papel de diretora da Factory of the Future e depois diretora do Instituto de Pesquisa de Futuros de Fabricação da universidade. Antes de se juntar à Swinburne, ela era diretora de pesquisa para Carbon Nexus na Universidade Deakin.

"O Testlab da Swinburne demonstrará as características de produção digital de compósitos em um ambiente imersivo", diz Fox. "Os processos em escala piloto serão controlados digitalmente do design e otimização da peça até o produto final. Também criaremos um gêmeo digital do processo e empurraremos os limites da comissionamento virtual."

Este hub de compósitos 4.0 será abrigado em um novo edifício sob medida. "O Testlab conjunto CSIRO/Swinburne é focado em um processo mundialmente inédito para manufatura aditiva de compósitos reforçados com fibra de carbono em escala industrial", diz Dr. Marcus Zipper, diretor executivo da divisão de Indústrias Futuras da CSIRO. "Isso faz de sua localização, no coração do precinto de manufatura aditiva de Clayton, um ótimo ajuste. Na CSIRO, somos todos sobre criar oportunidades para PMEs e o ecossistema de inovação mais amplo, e este Testlab é outro exemplo disso."

Parceiros e Processo

Há muitos parceiros-chave no Testlab de Indústria 4.0 para Compósitos, com a Siemens Australia (Bayswater, Victoria) sendo uma das primeiras, estendendo uma doação de software de digitalização de US$ 135 milhões para a Swinburne em 2017. Isso fornece ao Testlab de Compósitos 4.0 uma suíte de software avançado de gerenciamento de ciclo de vida de produto (PLM) bem como a plataforma aberta de Internet das Coisas (IoT) baseada em nuvem da Siemens, MindSphere.

Segundo uma apresentação da Siemens Australia, em agosto de 2019, havia aproximadamente 500 aplicativos/ofertas digitais dentro do MindSphere e 1,4 milhão de dispositivos e sistemas conectados. "O MindSphere permitirá que equipamentos de uma ampla gama de fabricantes se comuniquem entre si", explica Fox em sua apresentação no ICCM22, "Uma Abordagem de Indústria 4.0 para Impressão 3D de Materiais Compósitos". Este artigo descreve como o Testlab de Indústria 4.0 da Swinburne funcionará:

"Sensores ... permitirão que cada etapa da linha de produção colete grande quantidade de dados de processo. Esta informação será armazenada em uma nuvem local segura e também será usada imediatamente para alimentar dados de produção feedforward e feedback para outras máquinas na linha, permitindo assim um processo de produção auto-adaptativo.

A linha proposta ... é projetada para permitir inspeção de produto após cada etapa do processo de fabricação. Os dados de inspeção também serão armazenados na nuvem local. Análise dos grandes conjuntos de dados armazenados na nuvem pode levar à descoberta de correlações novas e inesperadas entre o estado do produto acabado e os parâmetros de diferentes etapas do processo de fabricação, que por sua vez podem ser utilizados para otimizar o produto."

Fornecedores de Equipamentos-Chave

Fox também aponta que linhas de fabricação de compósitos Indústria 4.0 não podem ser compradas prontas. Assim, a Swinburne desenvolveu uma rede de fornecedores e usuários finais para informar o design e desenvolvimento de seus equipamentos e instalação do Testlab de Compósitos 4.0. Parceiros fornecendo componentes-chave incluem:

FILL (Gurten, Áustria) forneceu o sistema Multilayer, que empilha fitas de fibra unidirecional precisamente cortadas e orientadas em formas near-net-shape até 1,6 por 1,6 metros de tamanho. Formas near-net-shape usando fita reduzem sucata de mais de 60% para menos de 10%. As fitas são depositadas de carretéis sobre uma mesa rotativa, com uma camada completada a cada 15 segundos. Fox nota que a máquina Multilayer da Fill pode depositar fitas de pré-impregnado termofixo e towpreg, bem como fibra seca e termoplástico de baixo ponto de fusão, como poliamida (PA). Há P&D contínuo para termoplásticos de alto ponto de fusão como poliéteretercetona (PEEK) e poliétercetonecetona (PEKK). "A máquina Multilayer também permite materiais híbridos, como mistura de fibras de vidro e carbono e blends com fibras naturais, etc.", ela adiciona.

Quickstep

Quickstep (Sydney, Austrália) é o maior fabricante independente de compósitos avançados de grau aeroespacial na Austrália, oferecendo extensa expertise em compósitos curados em autoclave e fora de autoclave (OOA). O sistema OOA patenteado da Quickstep, Qure, e sua versão de alto desempenho para aplicações aeroespaciais, AeroQure, é um processo avançado de fabricação de compósitos que oferece vantagens significativas sobre técnicas de fabricação tradicionais como cura em autoclave, incluindo:

• Baixo custo de capital para configuração
• Tempos de ciclo de cura significativamente mais curtos
• Consumo de energia reduzido
• Flexibilidade de design para atender ou melhorar propriedades do material do produto final
• Capacidade de produzir peças complexas integradas.

O Qure usa um fluido de transferência de calor pressurizado circulante (HTF) para suportar o molde e aquecer e resfriar rapidamente a peça. Processamento de pressão mais baixa (vácuo mais até 2,5 bar) facilita ferramental de menor custo. Aquecimento rápido do molde e material reduz a viscosidade do processo, melhorando liberação de ar e molhagem de fibra. Viscosidade mais baixa melhora adesão a núcleos de favo de mel e espuma, resultando em maior resistência a descascamento e redução de esmagamento de núcleo na cura. O HTF permite controle térmico superior, mesmo para laminados espessos propensos a reações exotérmicas.

Langzauner

Langzauner (Lambrechten, Áustria) está fornecendo uma prensa automatizada de alta temperatura, com até 300 toneladas de força de fechamento que é multi-processo capaz — de variações de moldagem por transferência de resina (RTM) a termoformagem. Permitirá injeção de resina em pré-formas secas, seguida de cura, ou moldagem por compressão de pré-impregnados termofixos e termoplásticos.

A prensa alcança eficiência/ economia de energia via hidráulica servo e a mais alta precisão, mesmo em carregamento assimétrico, através de controle de pistão único. Um forno infravermelho (IR) de alto desempenho aquece rapidamente materiais à temperatura de processamento desejada, compensando diferentes espessuras usando um sistema de controle de radiador individual. Transferência rápida do material pré-aquecido para a estação de prensagem é assegurada por um eixo linear. O sistema de aquecimento de bandejas de alta temperatura pode moldar peças a temperaturas de pelo menos 400°C, acomodando processamento de termoplásticos avançados como poliéteretercetona (PEEK).

A prensa também é capaz de quadro de diafragma duplo (veja blog 2020 sobre formação de diafragma duplo). O mais alto grau de digitalização e monitoramento é garantido por software flexível, robusto e amigável ao usuário.

Outros Parceiros

NETZSCH (Selb, Alemanha) fornecerá tecnologia de monitoramento de cura em molde, permitindo controle de fabricação de compósitos baseado no comportamento do material.

Plataine (Israel) oferece digitalização, otimização e software de gêmeo digital para fabricação de compósitos que permite rastreamento de ferramentas, peças e matérias-primas, criação de gêmeos digitais e análise de dados de sensores de máquina para otimizar produção de peças. A Plataine tem uma ampla gama de parcerias com líderes e fornecedores da indústria de compósitos, incluindo Siemens.

CIKONI (Stuttgart, Alemanha) forneceu o sistema DrapeWatch para inspeção em linha e digitalização de pré-formas e peças consolidadas. Este sistema de análise 3D baseado em robô pode identificar lacunas, desalinhamentos e irregularidades. Combina um sensor visual para inspeção detalhada de superfície com um sensor EddyCurrent para defeitos internos e análise de material em profundidade. Dados são analisados pelos algoritmos de inteligência artificial do sistema para fornecer detecção precoce de defeitos, evitando retrabalhos custosos. Uma interface para análise de elementos finitos (FEA) permite exportar resultados de ângulo de fibra para modelos de simulação para avaliação do impacto de defeitos no desempenho da peça. O sistema modular também pode ser estendido integrando dispositivos de termografia, ultrassom ou escaneamento a laser.

Os equipamentos da Fill e Langzauner serão instalados meados de 2020. "A Fill tem feito experimentos para nós", nota Fox, "e enviamos pessoal para Áustria para treinamento em partes particulares bem como treinamento em digitalização. Uma vez que todo o equipamento de processo seja comissionado, usaremos a tecnologia RFID (identificação por radiofrequência) da Plataine e escalaremos para sua plataforma de edge computing mais recente, PlataineEdge, que permitirá análise e comunicação em tempo real entre máquinas."

Visão de Fabricação Flexível

Outra parte da visão para o Testlab de Compósitos 4.0 da Swinburne é permitir fabricação flexível que possa se adaptar a demandas da indústria mudando muito rapidamente:

"Em uma linha de produção típica, uma mudança ou modificação de produto requer modificações significativas de equipamento e intervenções manuais. Portanto, para que tal mudança de produto seja lucrativa, um tamanho mínimo de lote do novo produto é necessário. Em contraste, na visão da Indústria 4.0, fábricas inteligentes permitem que requisitos individuais de clientes e até itens únicos sejam fabricados lucrativamente. Tal fábrica pode responder facilmente a mudanças de última hora em nome de clientes e fornecedores. Consequentemente, um dos principais objetivos da linha de fabricação proposta é permitir que ela produza diferentes produtos com intervenção manual mínima ou nula." — Fox e Subic, "Uma Abordagem de Indústria 4.0 para Impressão 3D de Materiais Compósitos"

ARENA2036 e Ligações a Cadeias de Valor Globais

Além de fornecer uma fábrica digitalizada de compósitos 4.0, a Swinburne também treinará a força de trabalho da próxima geração. O último é possibilitado através de uma doação de US$ 1 milhão/quatro anos do Programa de Ligações Globais de Inovação da Austrália. Um parceiro-chave nesta iniciativa é ARENA2036, o programa de P&D orientado para a indústria, no campus, da Universidade de Stuttgart, auto-descrito como "A plataforma de pesquisa altamente flexível para mobilidade e produção do futuro". Apoiado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa (BMBF, Bonn, Alemanha) e executado como associação registrada com 38 membros da ciência e indústria, o ARENA2036 apresenta uma "STARTUP AUTOBAHN" e um edifício de 10.000 metros quadrados, 4.700 metros quadrados dos quais é um salão de produção aberto com teto de 16 metros de altura e guindaste industrial de 10 toneladas. A Swinburne aderiu ao ARENA2036 como membro em 2018.

Colaboração Internacional

O Testlab de Compósitos 4.0 da Swinburne e o ARENA2036 estão colaborando via um programa de US$ 3,6 milhões apoiado pelo esquema de Ligação Global de Inovação (GIL) do Governo Australiano sobre fabricação Indústria 4.0 de compósitos leves de alto volume com foco em uma tecnologia de produção específica habilitada por sistemas de ferramental flexíveis e tecnologia de gêmeo digital. Incluirá:

• P&D e comercialização, facilitando start-ups conjuntas.
• Recrutamento conjunto, co-supervisão e intercâmbio de estudantes de doutorado
• Workshops e simpósios de pesquisa conjuntos.

Esta parceria também prevê projetos conjuntos de P&D com Instituto Fraunhofer para Engenharia de Fabricação e Automação e Instituto para Engenharia Industrial (Fraunhofer IPA e IAO, Stuttgart), incluindo estágios de estudantes de doutorado no Instituto de Design de Aeronaves (IFB) na Universidade de Stuttgart em áreas relevantes de Indústria 4.0. "O projeto GIL é um marco importante para processos avançados de compósitos e também para a colaboração de SUT, Universidade de Stuttgart e ARENA2036", diz professor Peter Middendorf, diretor do IFB. "Temos orgulho de ser parceiro no projeto em si e anunciar outros dois projetos de pesquisa colaborativa apoiados pelo Governo Alemão que estão diretamente ligados ao GIL."

"Treinaríamos uma nova coorte de estudantes de doutorado digitalmente hábeis entre Swinburne e Universidade de Stuttgart", diz Fox. "Não apenas desenvolveríamos mais processos Compósitos 4.0, mas também cimentaríamos parcerias globais e criaríamos novos produtos que podem ser exportados da Austrália, particularmente em novos mercados de mobilidade. Através destas colaborações internacionais, o Testlab de Indústria 4.0 da Swinburne ativamente vinculará PMEs australianas em cadeias de valor globais. Já demonstramos isso com nosso parceiro Imagine Intelligent Materials e esperamos estender isso a mais inovadores australianos."

"A competição internacional será feroz na manufatura digital do futuro que se aproxima rapidamente", diz Fox. "É por isso que nosso desenvolvimento desta capacidade e força de trabalho de compósitos 4.0 é tão importante agora."

O Testlab de Indústria 4.0 para Manufatura Aditiva de Compósitos na Universidade Swinburne será lançado em dezembro de 2020. Fique atento ao CW para futuras atualizações e leia nossa matéria de julho de 2020, "Compósitos 4.0: Transformação digital, produção adaptativa, novos paradigmas" junto com suas cinco barras laterais online:

• Compósitos 4.0: Gêmeo digital vs. fio digital
• Atualização do projeto ZAero
• Compósitos 4.0: Por onde começar?
• Nenhum caso de negócio para ensinar robôs
• Arquitetura e ontologia de Compósitos 4.0