【工业4.0案例分析之五一】德国纺织纤维研究所印花3D仿真解决方案

在服装产业中，德国纺织纤维研究所管理研究中心（DITF-MR）的“仿真、印花、生产！”解决方案将虚拟仿真与生产直接联系起来。Human Solution公司、德国纺织纤维研究所管理研究中心（DITF-MR）和ErgoSoft股份公司合作开发的这个解决方案实现了从虚拟设计到服装印花再到批量生产的一条完整数字流程链。为此，领先的技术被融入到了仿真、织物设计、式样图描绘以及印花的工艺之中。

这个方案实现了从服装的第一次3D虚拟设计到织物上带色直接数字印刷的完整、数字化的流程链。这个方案可以做到：纺织工业通用设计程序中个性化的服装设计；带有规格、裁剪、材料特征及材料设计等重要信息的3D虚拟化以及动画；印刷流程框架下所有式样的自动化式样图绘制；通过路由协议以及颜色管理软件而进行的不同材料上所有式样部分的有色印刷流程；架构和流程一体化。

德国纺织纤维研究所管理研究中心简介

德国纺织纤维研究所管理研究中心（DITF-MR，下面简称“研究中心”）隶属德国邓肯多夫纺织纤维研究所(DITF)。研究中心致力于创新管理、知识管理、生产管理和物流等课题，并且将最佳实践应用到企业内和由纺织服装行业及其合作伙伴组成的增值网络当中。这些工作都根据项目框架展开，而且有150多位伙伴参与其中，它们分别来自工业企业、软件解决方案提供商、服务供应商和研究机构等。正因如此，研究中心得以与欧洲重要纺织品地区伙伴进行密切合作,最终构建起纺织行业的增值网络。

研究中心主要在网络内部与纺织服装企业进行长期稳定合作，一起开发和测试相关概念、方法和工具，以获取相关知识，既可以用在战略管理，操作管理中又可以用在新组织结构中。开发和测试范围从纤维生产到最终产品商业化，或更准确来说，最终产品在传统和新领域中的使用，如技术纺织品和相关服务的开发。

通过密切合作和应用新信息通信技术(ICT)，研究中心致力于增加纺织服装行业价值，帮助企业能够采用新商业模式,高度灵活有效地应对全球化带来的新挑战。为保证高水平地交流和应用跨领域的科学和实践知识,研究中心聘请来自互补领域的科学家,并且与行业和几所大学有合作关系。因此，研究中心在斯图加特大学的机械工程院和奥托贝森管理研究院(WHU - Otto Beisheim School)举办讲座和开展学术研究。此外，研究中心也与罗伊特林根大学(Hochschule Reutlingen)、埃斯林根应用科学大学(HS Esslingen)和斯图加特合作教育大学(BA Stuttgart)有紧密合作。在欧盟层面，研究中心带领建立和协调研究项目，并与欧洲纺织服装联盟进行密切合作。

在MeikeTilebein教授的指导下,研究中心开发和应用新概念、战略和工具，以实现策略管理、操作管理以及企业内和企业间的新组织结构。研究中心的研究深入到纺织行业增值链的各方各面,从纤维生产到最终产品销售。此外，研究中心还对产品在传统及非传统领域的应用进行评估。这些研究帮助开发出最佳实践解决方案和试验系统，可以应用到企业内部和纺织行业的增值链中。

研究中心主要提供以下服务：

• 开发和实施纺织服装行业企业内和企业间的新型组织结构；
• 通过使用系统科学、控制论、计算机科学以及信息技术新工具等科学方法(目前是主题地图、网络服务、可扩展标示语言-信息)，分析和设计业务流程；
• 提供质量管理、环境管理和风险管理咨询。

研究中心的研究焦点包括：

战略管理:纺织行业增值链的国际化需要新的战略概念和方法来构建适当关系。纺织行业的动态成员越来越频繁地参与到纺织行业以外的增值过程。要锻造这种跨领域合作，变化过程和组织十分必要。而纺织业的这些跨领域重要合作伙伴,分别来自医疗、汽车、航空航天、环境和建筑等行业。

操作管理:基于系统研究和控制论的知识和方法，开发出所有可能方案，解决纺织工业中出现的复杂问题。通过建模、仿真和优化，从垂直和水平方向分析问题。在开发适当概念和方法时，专注产品和流程虚拟化、组织间协作方法和产品/服务个性化。

最佳实践:研究中心的研究不仅关注科学发明，更加关注纺织公司及其业务伙伴的实际需要上面。

未来纺织——复合轻质纺织品的3D结构

复合轻质纺织品3D结构研究领域主要研究高强度纤维3D结构的研发及生产、仿真及检测技术。此外，该研究领域还将不同的复合纤维技术应用到纺织半成品的制造和设计中。在此过程中会运用到不同的结网方法，如间距网、开放式芦苇编织（ORW）技术，或其他编织技术。开发新型纺织技术成为德国纺织纤维研究所的核心工作之一。带式纺织技术等新型技术不仅被企业广泛应用，甚至得到了继续发展。包括卷线技术、3D打印技术在内的现有技术都在不断发展。

能源、资源、可持续性

复合轻质纺织品在建筑行业有广阔前景。但不仅是待研发、待检测的纺织样板需要经历严格的能源及资源使用率检测，生产过程本身也要受到这些方面的监督及优化。仿生学是新型3D轻质建筑结构研发的重要推力。该研究领域的核心主题是把经过精心设计及资源使用率优化的样板投入技术应用中去。为设计出最优的轻质建筑方案，德国纺织纤维研究所需要对纤维与矩阵接触面进行研究。除改变纤维本身的表面外，还应将协调浆液作为研究重点。

通过仿真优化生产实践

纺织流程仿真同样也是德国纺织纤维研究所的核心工作之一。这种流程仿真能在研发早期为纺织结构的生产和加工提供必要数据。德国纺织纤维研究所会对编织生产过程或树脂渗透纺织材料的方法进行仿真。紧接着即可通过仿真快速而且经济地对新型复合纤维结构进行计算和设计。

新型复合纤维材料的设计

复合纤维结构作为一种新型材料，区别于以往的常见材料，如金属以及纯人造材料。为此，此前研发的检测技术并不能直接转用到复合纤维结构的检测上，而需要重新制定一种新的材料标准。在德国纺织纤维研究所与多方合作，研发了新型检测工具，并制定了新的行业标准。

复合纤维技术的研究成果可用于多个其他领域的研究，在许多项目中德国纺织纤维研究所都进行了跨领域研究，例如：在智能纺织研究领域，德国纺织纤维研究所需要开发多功能纺织技术，这都涉及到轻质材料设计。轻质材料设计的研究成果在这里被反复运用。

这个研究主题主要在于汽车及建筑领域的应用。在汽车领域，研究核心在于为汽车、飞机、火车等交通工具研制更加轻便的结构。在机械参数不变的前提下，更轻便的结构设计可使驱动时耗费的能量大大减少。在建筑行业，研究重点则放在仿生结构，即通过纤维建造的轻质材料实现完美的形态。这样一来，建筑的资源使用效率大大提高，同时还实现了可持续性。

仿真及生产：为开发轻质纺织材料研制多轴织物

能源原料有限，环境压力增加，为此，在交通工具建造方面，由复合纤维材料制成的轻质材料建造元素需求在增长。在ARENA2036（下一代汽车研究项目）德国纺织纤维研究所为实现汽车行业的可持续性及更轻便的未来汽车生产，对大型企业及研究设施进行了调查研究。该有项目的合作方除斯图加特大学研究所外还有德国航空航天中心（DLR）、弗劳恩霍夫应用研究促进协会、德国纺织纤维研究所以及巴斯夫、戴姆勒、罗伯特博世、DYNAmore公司、ArturBär机械制造公司等工业企业。

开放式芦苇编织技术

在“通过功能融合实现轻质材料制造”（LeiFu）项目中，德国纺织纤维研究所通过机器生产商Lindauer DORNIER公司的开放式芦苇编织（ORW）技术，通过平面强化或局部多轴强化，研制出高牢固性、高承重力的高强度织物。为实现复合纤维材料的强度最大化，在建筑原型中，纤维应按同一方向排列，如此一来业同时提高了承重性。当织物中的纤维都按照正确的角度进行排列时，其承重性能还能通过三分之一或四分之一的纤维轴得到加强。这样一来不仅降低了织物的数量，还优化了断裂、弯曲、扭转、破碎等问题。

通过使用碳纤维，使得织物的稳定性得到极大提高。开放式芦苇编织网状技术对于仅需在某一处得到加强的建造原件来说十分有利。可通过碳集中对某一处的承重能力进行加强。这样一来，生产成本哈材料成本得到降低。

仿真应用

在数字化项目“为批量生产轻质建筑材料设计全面数字化模型”项目中，设计一个数字化原型是整个仿真计划链的基础。通过计算机辅助制造（CAM）可为可视化计划链进行平面及网状拓宽。为通过模拟实现预测优化，计算机会通过多尺度方案对计划技术及机械材料进行分析与评估，以确保从纤维到防震汽车原件的优化设计具有可实现性。

未来纺织——纺织4.0

第四次工业革命为纺织产业带来了广泛的潜力和前景，对于德国纺织纤维研究所而言，纺织4.0是第四次工业革命的开路先锋。

传感器和数字化

2015年的大型纺织博览会表明：传感器已全面进入机械设备领域。数据被广泛收集，例如，实现实时的完备的生产监控，使操作者在必要时可快速干预。该数据的可用性使机械制造商的云端新商业模型成为可能。然而，单纯的过程数据监控远没有充分利用工业4.0的全部潜力。德国纺织纤维研究所将研究不同的纺织技术，利用执行器连接传感器数据，并直接接入过程控制。如此，德国纺织纤维研究所开发出自适应的流程和生产系统，其可恰当应对小批量的盈利灵活生产的挑战。这样的分散控制过程是工业4.0时代生产的特点。

纺织品的互联网

德国纺织纤维研究所为纺织产品开发和实施新的商业模式。于此，借助物联网把纺织品和服务结合起来带来了新的机会，例如保健服装行业。未来，纺织的价值网络将不仅仅分布于全球，还会变化多端。由此对创新和价值管理提出了新挑战。德国纺织纤维研究所正在开发模型和研究具体的工业转变，如仿真、3D打印和数字化服装开发过程。

创新的价值和知识管理

工业4.0所带来的密集的网络、高可变性和不断的创新赋予了知识管理和保护极为重要的意义。无论是自主学习机、智能支持生产人员手提重物或有针对性的个人数字化知识和信息储备，在德国纺织纤维研究所的人机交互项目中，都简化了工作中的自动化和算法等复杂任务，并扩充了员工的知识和经验，实现终身学习。

在纺织材料、工艺开发和自动化所有领域中，德国纺织纤维研究所拥有公认的能力。在建模和数据、信息和知识管理以及其信息技术实施等领域，德国纺织纤维研究所管理研究中心也得到欧洲同行的认可，这使得德国纺织纤维研究所成为纺织企业在工业4.0数字化转型中强大且经验丰富的合作伙伴。德国纺织纤维研究所可以为合作伙伴提供有关纺织生产信息物理系统（CPS）以及纺织物联网等方面的宝贵经验。

利用智能能源管理的能源效率

有意识地利用能源是经济和生态可持续发展的首要任务之一。实施有针对性的措施的前提是透明度。透明度是能源有效利用的第一步。所有能源和消费者必须被记录并列入过程和产品。于此开始研究工具和软件，德国纺织纤维研究所与许多欧洲的合作伙伴共同开发和测试。基于所检测到的能量和每个能源载体的成本、生产数量、参数和过程消耗，可查明关键数据，利用欧洲纺织业的参考值进行比较。这种比较是很复杂的，因为它往往很难确定一个合适的参考值。除了垂直整合，例如是否在织造中使用上浆工艺，所使用的技术和生产的产品都需要考虑。只有但这些条件都得到满足时，效率比较才是有意义的。

提高能源效率

透明度和资源利用率是在工业4.0中灵活生产道路上的两个重要基石。欧盟委员会目前的“产品环境足迹”（PEF）计划旨在更容易获取产品环保性能方面的信息。未来，只有在生产流程和产品中有环保足迹的企业，才能成为新的、数字化生产网络可信任的伙伴。因此，必须实现企业产品所有流程中所用资源的完全分配。企业中整个流程链的系统实施，从原料仓库到成品仓库所有相关系统，是工业4.0的关注点。

传感手套作为手动起重设备

德国超过700万就业岗位需手工操作重物，而且作业时往往是处于不方便调整身体姿势的情况，半边身体承重往往易产生工作有关的疾病。德国纺织纤维研究所参与了德国联邦教研部的研究项目“SensHand”，其目的是为手工操作人员研究和开发一款具有系统集成、传感、导力功能的手套。用户将在拥有充分灵活性的同时，借助新型的夹紧技术获得力量和耐力的支持。

纺织行业的在岗学习

为了改善质量控制，德国纺织纤维研究所采用一种游戏似的内容教学方法。利用设备屏幕直接培训员工，以识别、标记或修复错误。另外，未来的纺织生产将利用辅助系统和增强现实（AR）技术来实施，各个工艺步骤会显示在AR眼镜中。在工业4.0的背景下，纺织行业的多样性要求将加剧。因此，德国纺织纤维研究所制定了广泛的学习和培训工具，以此使员工适应第四次工业革命。