L'Université Swinburne s'associe au CSIRO pour construire un Testlab Industrie 4.0 de fabrication additive composite

L'Université de Technologie Swinburne (Melbourne, Australie) établit un Testlab Industrie 4.0 pour la Fabrication Additive de Composites en partenariat avec l'Agence Nationale des Sciences d'Australie, l'Organisation pour la Recherche Scientifique et Industrielle du Commonwealth (CSIRO, voir « Développer des fibres de carbone de meilleure qualité, plus résistantes, moins coûteuses »). L'installation est actuellement en construction sur le site de Clayton du CSIRO et sera achevée en octobre 2020.

Contexte et objectifs

Soutenu par le Gouvernement Fédéral Australien, ce Testlab Industrie 4.0 pour les Composites est l'un des six d'un réseau national australien, similaire au Labs Network Industrie 4.0 en Allemagne. Ce Testlab est la première installation nationale dans le réseau basé sur les États où l'objectif est de permettre aux petites et moyennes entreprises (PME) de tester de nouvelles technologies et modèles d'affaires créés par l'Industrie 4.0, explorant des aspects de la conception à la faisabilité économique, dans un environnement pré-compétitif avec un risque technique et financier minimal. Chaque Testlab a une orientation produit distincte. Pour Swinburne, c'est la fabrication additive de composites.

« Le Testlab Industrie 4.0 pour les Composites à Swinburne fournira un processus à l'échelle pilote pour faire progresser les capacités de fabrication de l'Australie », dit Bronwyn Fox, vice-chancelière adjointe à la recherche et à l'entreprise à l'Université Swinburne. Fox a rejoint Swinburne en 2015, prenant d'abord le rôle de directrice de l'Usine du Futur puis directrice de l'Institut de Recherche sur les Futurs de la Fabrication de l'université. Avant de rejoindre Swinburne, elle était directrice de recherche pour Carbon Nexus à l'Université Deakin.

« Le Testlab de Swinburne démontrera les caractéristiques de la production numérique de composites dans un environnement immersif », dit Fox. « Les processus à l'échelle pilote seront numériquement contrôlés de la conception et l'optimisation de la pièce jusqu'au produit fini. Nous créerons aussi un jumeau numérique du processus et repousserons les limites de la mise en service virtuelle. »

Ce hub Composites 4.0 sera logé dans un nouveau bâtiment sur mesure. « Le Testlab commun CSIRO/Swinburne est axé sur un processus mondial inédit pour la fabrication additive de composites renforcés de fibres de carbone à l'échelle industrielle », dit le Dr Marcus Zipper, directeur exécutif de la division Industries Futures du CSIRO. « Cela fait de son emplacement, au cœur du précinct de fabrication additive de Clayton, un excellent ajustement. Au CSIRO, nous visons à créer des opportunités pour les PME et l'écosystème d'innovation au sens large, et ce Testlab en est un autre exemple. »

Partenaires et procédé

Il y a de nombreux partenaires clés dans le Testlab Industrie 4.0 pour les Composites, avec Siemens Australia (Bayswater, Victoria) étant l'un des premiers, accordant une subvention logicielle de numérisation de 135 millions de dollars à Swinburne en 2017. Cela fournit au Testlab Composites 4.0 une suite de logiciels avancés de gestion du cycle de vie produit (PLM) ainsi que la plateforme IoT ouverte basée sur le cloud de Siemens, MindSphere.

Selon une présentation de Siemens Australia, en août 2019, il y avait environ 500 applications/offres numériques dans MindSphere et 1,4 million de dispositifs et systèmes connectés. « MindSphere permettra à des équipements d'une large gamme de fabricants de communiquer entre eux », explique Fox dans sa présentation à l'ICCM22, « Une approche Industrie 4.0 pour l'impression 3D de matériaux composites ». Cet article décrit comment fonctionnera le Testlab Industrie 4.0 de Swinburne :

« Des capteurs ... permettront à chaque étape de la ligne de production de collecter une grande quantité de données de processus. Ces informations seront stockées dans un cloud local sécurisé et seront également utilisées immédiatement pour alimenter en avant et en retour les données de production vers d'autres machines de la ligne, permettant ainsi un processus de production auto-adaptatif.

La ligne proposée ... est conçue pour permettre l'inspection du produit après chaque étape du processus de fabrication. Les données d'inspection seront également stockées dans le cloud local. L'analyse des grands ensembles de données stockés dans le cloud peut mener à la découverte de corrélations nouvelles et inattendues entre l'état du produit fini et les paramètres des différentes étapes du processus de fabrication, qui pourront à leur tour être utilisées pour optimiser le produit. »

Fox souligne également que les lignes de fabrication composites Industrie 4.0 ne peuvent pas être achetées clés en main. Ainsi, Swinburne a développé un réseau de fournisseurs et d'utilisateurs finaux pour informer la conception et le développement de l'équipement et de l'installation de son Testlab Composites 4.0. Les partenaires fournissant des composants clés incluent :

FILL (Gurten, Autriche) a fourni le système Multilayer, qui empile des rubans de fibres unidirectionnelles coupés et orientés avec précision en formes quasi-nettes jusqu'à 1,6 sur 1,6 mètres. Les formes quasi-nettes utilisant des rubans réduisent les déchets de plus de 60 % à moins de 10 %. Les rubans sont déposés depuis des bobines sur une table tournante, avec une couche complétée toutes les 15 secondes. Fox note que la machine Multilayer de Fill peut déposer des rubans de préimprégné thermodurcissable et towprepreg, ainsi que fibres sèches et thermoplastiques bas point de fusion, comme le polyamide (PA). Il y a de la R&D en cours pour les thermoplastiques haut point de fusion comme le polyétheréthercétone (PEEK) et le polyéthercétonecétone (PEKK). « La machine Multilayer permet aussi des matériaux hybrides, comme le mélange de fibres de verre et de carbone et des mélanges avec fibres naturelles, etc. », ajoute-t-elle.

Partenaires clés

Quickstep (Sydney, Australie) est le plus grand fabricant indépendant aérospatial de composites avancés en Australie, offrant une expertise étendue en composites durcis en autoclave et hors autoclave (OOA). Le système OOA breveté de Quickstep, Qure, et sa version haute performance pour applications aérospatiales, AeroQure, est un processus de fabrication de composites avancés offrant des avantages significatifs sur les techniques traditionnelles comme le durcissement en autoclave, notamment :

• Faible coût d'investissement pour l'installation
• Temps de cycle de durcissement significativement plus courts
• Consommation d'énergie réduite
• Flexibilité de conception pour répondre ou améliorer les propriétés du matériau du produit final
• Capacité à produire des pièces complexes intégrées.

Qure utilise un fluide de transfert de chaleur sous pression (HTF) pour soutenir le moule et chauffer et refroidir rapidement la pièce. Le traitement à basse pression (vide plus jusqu'à 2,5 bar) facilite un outillage à moindre coût. Le chauffage rapide du moule et du matériau réduit la viscosité du processus, améliorant le dégazage et le mouillage des fibres. La viscosité plus faible améliore l'adhérence aux cœurs en nid d'abeille et mousse, résultant en une résistance au pelage plus élevée et un écrasement du cœur réduit pendant le durcissement. Le HTF permet un contrôle thermique supérieur, même pour les stratifiés épais sujets aux réactions exothermiques.

Langzauner (Lambrechten, Autriche) fournit une presse automatisée à haute température, avec jusqu'à 300 tonnes de force de serrage, multi-procédés — des variations de moulage par transfert de résine (RTM) au thermoformage. Elle permettra l'injection de résine dans des préformes sèches, suivie de durcissement, ou le moulage par compression de préimprégnés thermodurcissables et thermoplastiques.

La presse atteint l'efficacité/économie d'énergie via l'hydraulique servo et la plus haute précision, même en charge asymétrique, grâce à un contrôle à piston unique. Un four infrarouge (IR) haute performance chauffe rapidement les matériaux à la température de traitement désirée, compensant les différentes épaisseurs grâce à un système de contrôle individuel des radiateurs. Le transfert rapide du matériau préchauffé vers la station de pressage est assuré par un axe linéaire. Le système de chauffage de plateau haute température peut mouler des pièces à des températures d'au moins 400 °C, accommodant le traitement de thermoplastiques avancés comme le polyétheréthercétone (PEEK).

La presse est aussi capable de cadre à double diaphragme (voir blog 2020 sur le formage à double diaphragme). Le plus haut degré de numérisation et de surveillance est garanti par un logiciel flexible, robuste et convivial.

NETZSCH (Selb, Allemagne) fournira une technologie de surveillance du durcissement dans le moule, permettant le contrôle de la fabrication de composites basé sur le comportement du matériau.

Plataine (Israël) offre des logiciels de numérisation, d'optimisation et de jumeau numérique pour la fabrication de composites qui permettent le suivi des outils, pièces et matières premières, la création de jumeaux numériques et l'analyse des données des capteurs machines pour optimiser la production de pièces. Plataine a une large gamme de partenariats avec des leaders et fournisseurs de l'industrie des composites, y compris Siemens.

CIKONI (Stuttgart, Allemagne) a fourni le système DrapeWatch pour l'inspection en ligne et la numérisation des préformes et pièces consolidées. Ce système d'analyse 3D robotisé peut identifier les espaces, désalignements et irrégularités. Il combine un capteur visuel pour l'inspection détaillée de surface avec un capteur EddyCurrent pour les défauts internes et l'analyse de matériau en profondeur. Les données sont analysées par les algorithmes d'intelligence artificielle du système pour fournir une détection précoce des défauts, évitant des reprises coûteuses. Une interface vers l'analyse par éléments finis (FEA) permet l'export des résultats d'angle de fibre vers des modèles de simulation pour l'évaluation de l'impact des défauts sur la performance de la pièce. Le système modulaire peut aussi être étendu en intégrant des dispositifs de thermographie, ultrasons ou scanner laser.

L'équipement de Fill et Langzauner sera installé mi-2020. « Fill a fait des expériences pour nous », note Fox, « et nous avons envoyé du personnel en Autriche pour la formation sur des pièces particulières ainsi que la formation en numérisation. Une fois tout l'équipement de processus mis en service, nous utiliserons la technologie RFID (identification par radiofréquence) de Plataine et passerons à sa dernière plateforme de calcul en périphérie, PlataineEdge, qui permettra l'analyse et la communication en temps réel entre machines. »

Une autre partie de la vision pour le Testlab Composites 4.0 de Swinburne est de permettre une fabrication flexible qui peut s'adapter très rapidement aux demandes changeantes de l'industrie :

« Dans une ligne de production typique, un changement ou modification de produit nécessite des modifications d'équipement significatives et des interventions manuelles. Donc, pour qu'un tel changement de produit soit rentable, une taille de lot minimum du nouveau produit est requise. En revanche, dans la vision Industrie 4.0, les usines intelligentes permettent de fabriquer rentablement des exigences clients individuelles et même des pièces uniques. Une telle usine peut répondre facilement aux changements de dernière minute de la part des clients et fournisseurs. Par conséquent, l'un des principaux objectifs de la ligne de fabrication proposée est de lui permettre de produire différents produits avec une intervention manuelle minimale ou nulle. » — Fox et Subic, « Une approche Industrie 4.0 pour l'impression 3D de matériaux composites »

ARENA2036 et liens vers les chaînes de valeur mondiales

En plus de fournir une usine numérique composite 4.0 physique, Swinburne formera aussi la main-d'œuvre de la prochaine génération. Ce dernier est rendu possible grâce à une subvention de 1 million de dollars sur quatre ans du Programme de Liens Globaux d'Innovation de l'Australie. Un partenaire clé dans cette initiative est ARENA2036, le programme R&D sur campus piloté par l'industrie de l'Université de Stuttgart, s'auto-décrivant comme « La plateforme de recherche hautement flexible pour la mobilité et la production du futur ». Soutenu par le Ministère Fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF, Bonn, Allemagne) et géré comme une association enregistrée avec 38 membres de la science et de l'industrie, ARENA2036 dispose d'une « STARTUP AUTOBAHN » et d'un bâtiment de 10 000 mètres carrés, dont 4 700 mètres carrés sont une halle de production ouverte avec un plafond de 16 mètres de haut et une grue industrielle de 10 tonnes. Swinburne a rejoint ARENA2036 comme membre en 2018.

Le Testlab Composites 4.0 de Swinburne et ARENA2036 collaborent via un programme de 3,6 millions de dollars soutenu par le schéma Global Innovation Linkage (GIL) du Gouvernement Australien sur la fabrication Industrie 4.0 de composites légers à haut volume avec un accent sur une technologie de production spécifique rendue possible par des systèmes d'outillage flexibles et la technologie de jumeau numérique. Il inclura :

• R&D et commercialisation, facilitant des start-ups communes.
• Recrutement commun, co-encadrement et échange d'étudiants en doctorat
• Ateliers de recherche et symposiums communs.

Ce partenariat envisage aussi des projets R&D communs avec l'Institut Fraunhofer pour la Fabrication et l'Automatisation et l'Institut pour l'Ingénierie Industrielle (Fraunhofer IPA et IAO, Stuttgart), incluant des stages d'étudiants en doctorat à l'Institut pour la Conception d'Avions (IFB) de l'Université de Stuttgart dans des domaines pertinents de l'Industrie 4.0. « Le projet GIL est une étape importante pour les procédés composites avancés et aussi pour la collaboration de SUT, Université de Stuttgart et ARENA2036 », dit le professeur Peter Middendorf, directeur de l'IFB. « Nous sommes fiers d'être partenaire dans le projet lui-même et d'annoncer deux autres projets de recherche collaboratifs soutenus par le Gouvernement Allemand qui sont directement liés à GIL. »

« Nous formerons une nouvelle cohorte d'étudiants en doctorat numériquement avertis conjointement entre Swinburne et l'Université de Stuttgart », dit Fox. « Nous ne développerons pas seulement les processus Composite 4.0, mais aussi cimenterons des partenariats mondiaux et créerons de nouveaux produits qui pourront être exportés depuis l'Australie, particulièrement dans les nouveaux marchés de la mobilité. Grâce à ces collaborations internationales, le Testlab Industrie 4.0 de Swinburne liera activement les PME australiennes aux chaînes de valeur mondiales. Nous l'avons déjà démontré avec notre partenaire Imagine Intelligent Materials et nous attendons avec impatience d'étendre cela à d'autres innovateurs australiens. »

« La concurrence internationale sera féroce dans la fabrication numérique du futur qui approche rapidement », dit Fox. « C'est pourquoi notre développement de cette capacité et main-d'œuvre composites 4.0 est si important maintenant. »

Le Testlab Industrie 4.0 pour la Fabrication Additive de Composites à l'Université Swinburne sera lancé en décembre 2020. Restez à l'écoute de CW pour les futures mises à jour et lisez notre dossier de juillet 2020, « Composites 4.0 : Transformation numérique, production adaptative, nouveaux paradigmes » ainsi que ses cinq barres latérales en ligne :

• Composites 4.0 : Jumeau numérique vs fil numérique
• Mise à jour du projet ZAero
• Composites 4.0 : Par où commencer ?
• Pas de cas d'affaires pour enseigner aux robots
• Composites 4.0 : Architecture et ontologie