【工业4.0案例分析之125】复合材料纺织品自动化生产项目AutoBraid

在21世纪的数字化移动社会中，车辆的重量关乎能源资源和环境的可持续管理。因此，由玻璃纤维和碳纤维制成的纤维增强型塑料（TVK）等可用于车辆和飞机部件的轻质结构材料变得越来越重要。在过去的几十年中，纤维增强型塑料已经足以证明其作为未来轻质结构材料的潜力（几种空客机型的侧机翼和压力罩、宝马M6型号汽车的保险杠）。

然而，由凝胶纤维结构制成的复杂几何形状预制件，目前只能通过精细的手工制造来完成生产。这意味着在这个领域，迄今为止大规模使用复杂纤维增强型塑料部件仍然未能实现。在先前的汽车预制件项目中，人们曾利用纤维增强型塑料的生产技术把凝胶纤维结构制成纺织品预制件或进一步加工成纺织品，这两项技术实施验证了简单的凝胶纤维可以实现自动处理、自动连接和视觉质量控制。

自动化地生产纤维增强型塑料部件必须借助现代化的编织工艺。然而，这种相对创新的技术目前仍然需要高比例的手工作业，这限制了这种自动化制造方法对提升生产率的效果，也不利于稳定品质的实现。 然而，对于纤维增强型塑料在汽车行业中的应用，稳定的品质和自动化制造等要求是必不可少的。

在中小企业中，生产纤维加强型部件主要依赖手工生产。无利可图的生产过程（例如在制造弯曲表面的过程中）以及小规模生产中难以保证的质量是基本的缺点。

亚琛工业大学纺织技术研究所正在研究可直接用于生产净成型纺织预制件的编织技术，这些预制件是纤维复合材料的加强结构。AutoBraid项目主要研究编织过程中的自动化和传感器集成，试图借助径向纺织技术，高效益地批量生产预制件。通过将自动化加工技术与在线质量监测集成，生产过程可以得到监测和控制。这能确保所得预制件拥有稳定的质量。

AutoBraid项目研究的目的是，使编织工艺能够经济大批量的生产纺织品预制件。该项目的研究结果旨在使中小型企业能够使用这种新开发的技术。

AutoBraid项目将上述目标分为以下五个子目标来实现：

1. 现有编织工艺的广泛自动化
2. 在编制制造过程中在线记录其质量特征
3. 通过集成和关闭控制电路来实现质量保证
4. AutoBraid生产系统的盈利能力评估
5. 确保研究结果向中小型企业的经济转移

亚琛工业大学（RWTH Aachen）位于北莱茵-威斯特法伦州，是德国最负盛名的理工科大学之一，也是世界顶尖理工科大学之一，被誉为“欧洲的麻省理工”。下面介绍亚琛工业大学下属三个重要的研究分支机构。

亚琛工业大学纺织技术研究所（ITA）

亚琛工业大学纺织技术研究所（ITA）拥有超过120名员工（以及超过 190名学生助理）参与了以下领域的开发：纺织机械和零部件、新型材料、纺织品生产新工艺、新纺织结构和新产品工艺（如纤维复合材料、医用纺织品）。

亚琛工业大学机床实验室（WZL）

几十年来，位于亚琛工业大学的机床实验室一直是这一领域生产技术和面向未来研究的成功和创新的代名词。机床实验室的制造测量和质量管理主席致力于研究相关领域生产工程操作流程的工业化。工业化指的是收集相关客观的数据并将这些数据在控制电路的操作环境中的返回和利用。工业化的第一个目标可以通过测量技术来实现，而创建合适的结构也需要考虑质量管理。这个目标是一个在定义时间内实现具有可预测结果创建的能力的过程。

在项目范围内，生产测量技术和质量管理主席主要负责机器视觉系统（MVS）的规划、开发和集成，这是一个用于自动化纺织品中三维纤维定向在线测量的生产过程。机器视觉系统必须足够坚固的抵抗外部影响，以便其可以在制造过程中使用。要开发的机器视觉系统包括主要组件：测试计算机、照明圆顶、照相机和激光传感器等等。除了测试计算机外，其他主要组件都必须安装在径向编织机上。工业机器人和测试计算机之间的接口也被研发和设计，用于控制自动化形式下生产过程的干预。

亚琛工业大学管理控制研究所（IfU）

管理控制研究所是亚琛工业大学的附属机构。管理控制研究所在跨学科团队中负责开发和研究解决经济和技术问题的解决方案。重点将放在工业领域的接近和合作。

管理控制研究所作为领导者和德国工业研究联合会成员协会共同负责研究项目的整体协调。在整个工艺水平开发过程中，他们的主要任务之一是协调各个过程步骤，特别是相关接口的标准化。为此，他们与项目合作伙伴和项目附属委员会一起设计、组织和实施了一个主持型研讨会。以这种方式支持快速且有针对性的集成，并且在早期阶段避免或发现各种未能解决的技术问题。

在AutoBraid项目中，自动化处理方法和在线质量保证的集成，使得在生产状态的编织过程的监控和控制能够确保质量，从而使整个生产过程获利。在基于视觉的传感器系统和用于测量线张力的传感器的帮助下，相关质量参数得到了在线监控。在AutoBraid项目中所采用的方法使得生产过程和质量水平得到大幅改善，这也首次使得大规模生产可能得以实现。对于已开发技术的进一步分析也确保了这些技术可以与中小型企业生产过程的环境和更高质量的标准相融合。从而，通过实现在中小型企业工厂的试点，最终确保实际的集成。