スウィンバーン大学、CSIROと提携しインダストリー4.0コンポジットAMテストラボを建設

スウィンバーン工科大学（オーストラリア・メルボルン）は、オーストラリア国立科学機関である連邦科学産業研究機構（CSIRO、「高品質・高強度・低コスト炭素繊維の開発」参照）と提携し、コンポジットアディティブ・マニュファクチャリングのためのインダストリー4.0テストラボを設立しています。施設は現在CSIROクレイトンサイトで建設中で、2020年10月完成予定です。

オーストラリア国家ネットワークの一環

オーストラリア連邦政府の支援を受け、このコンポジット向けインダストリー4.0テストラボは、ドイツの「Labs Network Industrie 4.0」に類似したオーストラリア国家ネットワークの6つのうちの一つです。このテストラボは、州ベースネットワークにおける最初の国家施設で、中小企業（SME）がインダストリー4.0によって生み出される新技術とビジネスモデルを、設計から経済的実現可能性まで、最小限の技術的・財務的リスクでプレコンペティティブな環境でテストできることを目指しています。各テストラボには独自の製品焦点があり、スウィンバーンではコンポジットのアディティブ・マニュファクチャリングです。

「スウィンバーンのインダストリー4.0テストラボ（コンポジット）は、オーストラリアの製造能力を前進させるパイロットスケールプロセスを提供します」とスウィンバーン大学研究・企業担当副学長のブロンウィン・フォックス氏。フォックス氏は2015年にスウィンバーンに加わり、最初はフューチャー・ファクトリー・ディレクター、その後大学の製造未来研究所ディレクターを務めました。スウィンバーン加入前は、ディーキン大学カーボン・ネクサスの研究ディレクターでした。

「スウィンバーンのテストラボは、没入型環境でデジタルコンポジット生産の特徴を実証します」とフォックス氏。「パイロットスケールプロセスは、部品設計・最適化から完成品までデジタル制御されます。プロセスのデジタルツインも作成し、バーチャルコミッショニングの境界を押し広げます。」

このコンポジット4.0ハブは、新築の専用建物に収容されます。「CSIRO/スウィンバーン共同テストラボは、産業規模でのカーボンファイバー強化コンポジットのアディティブ・マニュファクチャリングにおける世界初のプロセスに焦点を当てています」とCSIROフューチャーインダストリー部門エグゼクティブ・ディレクターのマーカス・ジッパー博士。「これが、クレイトンのアディティブ・マニュファクチャリング地区の中心に位置する理由として最適です。CSIROではSMEとより広範なイノベーションエコシステムへの機会創出に取り組んでおり、このテストラボもその一例です。」

パートナーとプロセス

インダストリー4.0テストラボ（コンポジット）には多くの主要パートナーがおり、シーメンス・オーストラリア（ビクトリア州ベイズウォーター）が最初の一つで、2017年にスウィンバーンへ1億3,500万ドルのデジタル化ソフトウェア助成を提供。これによりコンポジット4.0テストラボに、高度な製品ライフサイクル管理（PLM）ソフトウェアスイートと、シーメンスのクラウドベース・オープンIoTプラットフォーム「マインドスフィア」が提供されます。

シーメンス・オーストラリアのプレゼンテーションによれば、2019年8月時点でマインドスフィア内に約500のデジタルアプリ/提供があり、140万の接続デバイスとシステムがありました。「マインドスフィアにより、幅広いメーカーの装置同士が通信可能になります」とフォックス氏はICCM22プレゼンテーション「コンポジット材料3Dプリントへのインダストリー4.0アプローチ」で説明。この論文ではスウィンバーンインダストリー4.0テストラボの機能を記述しています：

「センサー……により、生産ラインの各段階が大量のプロセスデータを収集可能。この情報は安全なローカルクラウドに保存され、ライン内の他機械へフィードフォワード・フィードバックとして即座に生産データを供給し、自己適応型生産プロセスを実現します。

提案ライン……は、製造プロセスの各段階後に製品検査を可能にする設計です。検査データもローカルクラウドに保存。クラウドに蓄積された大規模データセットの分析により、完成品の状態と製造各段階のパラメータ間の新たな予期せぬ相関が発見される可能性があり、これが製品最適化に活用されます。」

フォックス氏はまた、インダストリー4.0コンポジット製造ラインは既製品で購入できないことを指摘。したがってスウィンバーンは、サプライヤーとエンドユーザーのネットワークを開発し、テストラボ設備・施設の設計・開発に反映させました。主要コンポーネント供給パートナーには：

FILL（オーストリア・グルテン）がマルチレイヤーシステムを供給。正確に切断・配向された単方向ファイバーテープを、最大1.6×1.6メートルのニアネットシェイプに積層。テープ積層によりスクラップを60%以上から10%未満に削減。テープはスプールから回転テーブルへ堆積、1層あたり15秒で完了。フォックス氏によれば、フィルのマルチレイヤー機は熱硬化性プリプレグとトウプレグ、ドライファイバー、低融点熱可塑性（ポリアミド（PA）等）のテープ積層が可能。PEEKやPEKK等の高融点熱可塑性樹脂へのR&Dも進行中。「マルチレイヤー機はガラス・炭素繊維のミックス、天然繊維ブレンド等のハイブリッド材料も可能です」と同氏。

クイックステップ（オーストラリア・シドニー）は、オーストラリア最大の独立系航空宇宙グレード先進コンポジットメーカーで、オートクレーブ硬化とオートクレーブ外（OOA）コンポジットの両方で豊富な専門知識を持っています。クイックステップの特許取得済みOOAシステム「キュア」と、航空宇宙用途向け高性能版「エアロキュア」は、オートクレーブ硬化等の従来製造技術に対し以下の顕著な利点を提供する先進コンポジット製造プロセスです：

• セットアップのための低資本コスト
• 大幅に短縮された硬化サイクルタイム
• エネルギー消費削減
• 最終製品の材料特性を満たすか向上させる設計柔軟性
• 複雑な一体型部品の製造能力

キュアは加圧循環熱媒体（HTF）を用いて金型を支持し、部品を急速加熱・冷却。低圧処理（真空+最大2.5バール）で低コスト金型を実現。金型と材料の急速加熱でプロセス粘度を低下させ、離気と繊維ウェッティングを改善。低粘度でハニカム・フォームコアへの接着性向上、剥離強度向上、硬化時のコアクラッシュ削減。HTFにより、発熱反応を起こしやすい厚肉ラミネートでも優れた熱制御が可能です。

ラングツァウナー（オーストリア・ランブレヒテン）が高温自動プレスを供給。最大300トン締め付け力、RTMバリエーションから熱成形までマルチプロセス対応。ドライプリフォームへの樹脂注入後硬化、または熱硬化性・熱可塑性プリプレグの圧縮成形を可能にします。

サーボ油圧によるエネルギー効率/節約、非対称荷重時でも単一ピストン制御で最高精度。高性能赤外線（IR）オーブンで材料を目標処理温度まで迅速加熱、個別放射制御システムで厚み差を補正。線形軸により予熱材料をプレスステーションへ迅速移送。高温プレート加熱システムで最低400℃まで成形可能、PEEK等先進熱可塑性樹脂の加工に対応。ダブルダイヤフラムフレーム対応可能（2020年ダブルダイヤフラム成形ブログ参照）。柔軟・堅牢・ユーザーフレンドリーなソフトウェアで最高レベルのデジタル化と監視を保証。

ネッチ（ドイツ・ゼルプ）が金型内硬化監視技術を提供。材料挙動に基づくコンポジット製造制御を実現。

プラテイン（イスラエル）がコンポジット製造向けデジタル化・最適化・デジタルツインソフトウェアを提供。ツール・部品・原材料の追跡、デジタルツイン作成、機械センサーデータ分析による部品生産最適化を可能にします。プラテインはコンポジット業界リーダー・サプライヤーと幅広いパートナーシップを持ち、シーメンスとも提携しています。

CIKONI（ドイツ・シュトゥットガルト）がドレープウォッチシステムを供給。プリフォームと統合部品両方のインライン検査とデジタル化用ロボットベース3D解析システム。ギャップ、ミスアライメント、不整を特定可能。詳細表面検査用ビジュアルセンサーと、内部欠陥・材料内部解析用渦電流センサーを統合。データはシステムのAIアルゴリズムで分析され、欠陥早期検出でコストのかかる再実行を回避。FEAインターフェースでファイバー角度結果をシミュレーションモデルにエクスポートし、欠陥の部品性能への影響を評価。モジュラーシステムでサーモグラフィ、超音波、レーザースキャン装置の統合拡張も可能。

フィルとラングツァウナーの装置は2020年半ばに設置予定。「フィルが我々のために実験を行っています」とフォックス氏。「特定部品のオーストリアでのトレーニングとデジタル化トレーニングのため人員を派遣済み。全プロセス装置のコミッショニング完了後、プラテインのRFID技術と最新エッジコンピューティングプラットフォーム「プラテインエッジ」へスケールアップし、機械間のリアルタイム解析と通信を可能にします。」

スウィンバーンのコンポジット4.0テストラボのビジョンのもう一つは、変化する産業需要に極めて迅速に適応できるフレキシブル製造の実現です：

「典型的な生産ラインでは、製品変更・修正に大幅な設備変更と手動介入が必要。したがって、新製品で採算を取るには最小ロットサイズが必要です。対照的に、インダストリー4.0ビジョンでは、スマートファクトリーが個別顧客要求やワンオフ品さえも採算ベースで製造可能にします。このような工場は、顧客・サプライヤー側の直前変更にも容易に対応できます。したがって、提案製造ラインの主要目的の一つは、最小限または手動介入なしで異なる製品を生産可能にすることです。」——フォックス&スビック「コンポジット材料3Dプリントへのインダストリー4.0アプローチ」

ARENA2036とグローバルバリューチェーンへの接続

デジタル化された物理的コンポジット4.0ファクトリー提供に加え、スウィンバーンは次世代労働力育成も行います。これはオーストラリア「グローバル・イノベーション・リンケージ・プログラム」による100万ドル/4年間助成で可能になります。このイニシアチブの主要パートナーはARENA2036、シュトゥットガルト大学の産業主導・キャンパス内R&Dプログラム、自称「未来のモビリティと生産のための高度に柔軟な研究プラットフォーム」。連邦教育研究省（BMBF、ドイツ・ボン）支援、38の科学・産業メンバーで登録協会として運営。ARENA2036には「スタートアップ・アウトバーン」と10,000平方メートルビル（うち4,700平方メートルが天井高16メートル、10トン産業用クレーン付きオープン生産ホール）を備えます。スウィンバーンは2018年にARENA2036メンバーとして加入。

スウィンバーンのコンポジット4.0テストラボとARENA2036は、オーストラリア政府グローバル・イノベーション・リンケージ（GIL）スキーム支援の360万ドルプログラムで、フレキシブル工具システムとデジタルツイン技術によって実現される特定生産技術に焦点を当てた、大量・軽量コンポジットのインダストリー4.0製造で協力。内容には：

• R&Dと商業化、ジョイントスタートアップ促進
• 共同採用、共同指導、博士課程学生交換
• 共同研究ワークショップとシンポジウム

このパートナーシップは、フラウンホーファー生産技術・自動化研究所と産業工学研究所（フラウンホーファーIPAとIAO、シュトゥットガルト）、航空機設計研究所（IFB、シュトゥットガルト大学）での関連インダストリー4.0分野における博士課程インターンシップを含む共同R&Dプロジェクトも視野に入れています。「GILプロジェクトは先進コンポジットプロセスと、SUT、シュトゥットガルト大学、ARENA2036の協力にとって重要なマイルストーンです」とIFBディレクターのペーター・ミッテンドルフ教授。「プロジェクト自体のパートナーであることを誇りに思い、GILに直接リンクするドイツ政府支援の他2つの共同研究プロジェクトを発表できることを嬉しく思います。」

「スウィンバーンとシュトゥットガルト大学間で、デジタルに精通した共同博士課程学生の新たなコホートを育成します」とフォックス氏。「コンポジット4.0プロセスをさらに発展させるだけでなく、グローバルパートナーシップを強化し、オーストラリアから輸出可能な新製品、特に新モビリティ市場向けを創出します。これら国際協力を通じ、スウィンバーンのインダストリー4.0テストラボはオーストラリアSMEをグローバルバリューチェーンに積極的に接続します。パートナーのイマジン・インテリジェント・マテリアルズで既に実証済みで、更なるオーストラリア・イノベーターへの拡大を楽しみにしています。」

「急速に迫る未来のデジタル製造における国際競争は熾烈でしょう」とフォックス氏。「だからこそ、今このコンポジット4.0能力と労働力の開発が極めて重要なのです。」

スウィンバーン大学インダストリー4.0テストラボ（コンポジットアディティブ・マニュファクチャリング）は2020年12月ローンチ予定。CWの今後更新をご注目ください。2020年7月特集「コンポジット4.0：デジタルトランスフォーメーション、適応的生産、新パラダイム」とその5つのオンラインサイドバーも併せてお読みください：

• コンポジット4.0：デジタルツインvsデジタル糸
• ZAeroプロジェクトアップデート
• コンポジット4.0：どこから始めるか？
• ロボット教育のビジネスケースなし
• コンポジット4.0アーキテクチャとオントロジー