複合材料4.0是工業4.0宇宙中的一個小星系。工業4.0是推動產品的設計、生產、交付、操作、維護和退役的數字化轉型，複合材料4.0的目標則是使用自動化、傳感器、5G通信、軟件以及其他不斷發展的數字技術，使複合材料產品製造流程更高效、更智能、更具適應性。如今，複合材料製造商正致力於這種數字化轉型，不僅開展工藝優化和在線檢測研究，還積極尋求更先進的解決方案以實現智能化、自主化的生產，這不僅是敏捷的，而且能夠響應甚至預測不斷變化的市場和客戶需求。

複合材料4.0典型案例

1.自適應成型工藝鏈——iComposite 4.0

2016年初，由德國亞琛大學輕量化集成生產中心（AZL）牽頭的iComposite 4.0項目正式推出，旨在打造低成本批量生產纖維增強複合材料零部件的理想解決方案。

iComposite4.0採用的工藝方法是在噴射干燥的長玻璃纖維（25~30毫米）後通過自動纖維鋪放（AFP）進行單向（UD）碳纖維網格加固，進而從具有成本效益的粗紗和絲束中完成預成型。項目使用了來自AZL的機器視覺系統，該系統的光學激光傳感器和攝像頭模塊可以描述噴射預成型後的表面拓撲並分析各個方向的纖維百分比，通過與CAD模型進行比對判斷是否可以進行加固或需在某處補充額外的纖維。

添加額外的纖維層可能會導致零件厚度和幾何形狀超過公差，因此，該項目將預成型過程與適應性RTM工藝相結合，在必要時可以通過增加特定部位的壓力來調整零件厚度。相關工藝過程和每種零件變化對應的補償算法都被存儲在數據庫中，並通過有限元分析對其進行了驗證。因此，對於生產線上測得的零件變化，會有對應算法指導其執行適當的補償措施。爲了使生產線能夠原位自適應，項目將在下一步增加機器學習算法。

2.零缺陷智能化在線檢測——ZAero

ZAero項目是複合材料4.0的另一個關鍵項目，於2016年啓動。該項目的目標是實現早期的缺陷識別、工藝控制和返工決策，使生產速度提高15%，生產成本降低15%~20%，並減少50%的浪費。在預浸料或幹纖維自動鋪放過程中，可以通過自動在線檢測來減少缺陷。傳感器收集的工藝參數和缺陷數據與有限元分析相結合後，可以對零件性能進行分析預測，最後將結果輸入決策支持工具中以妥善解決檢測到的缺陷。另一方面，通過監控樹脂灌注或預浸料固化過程可以預測固化狀態，縮短固化週期。

在2019年9月的最終審查中，由項目負責人Profactor 開發的預浸料AFP傳感器不僅實現了自動化在線檢測，而且還可以用於現場校正零件。該傳感器可以檢測標準缺陷，例如間隙、重疊、異物、起球疵、扭絲，以及每條絲束的早剪和晚剪等。檢測到絲束缺失時可以將新的絲束精準放置在對應位置來自動糾正，但是去除起球疵或扭曲的絲束時必須停止設備。Profactor使用了達索系統CATIA構建的數據庫，可以根據缺陷的大小、形狀和類型來計算缺陷對零件性能的影響。通常，處理一層中的所有缺陷僅需幾秒鐘，然後由操作員決定哪些缺陷可以保留，哪些必須返工。

對於灌注過程的監控，空客公司通過子公司InFactory 開發了三類傳感器，用於測量溫度、固化狀態和樹脂流動前段。目前，這些傳感器已經與CATIA集成在一起，結果顯示傳感器的數據可以被可靠地獲取並添加到每個零件的數字線索中。

除了建立缺陷數據庫，ZAero還進行了機器學習實驗。通過將手動設計生成的計算機模型與深度神經網絡相結合，可以對不同缺陷的檢測和分類達到95％的正確率。

3. AI加持的自動化生產線——PROTEC NSR

德國航空航天中心輕量化生產技術中心（ZLP）開發了結合人工智能（AI）的CFRP結構自動化生產工作單元。目前，PROTECNSR生產線的設計正朝着所有模塊相互互連的方向發展，目標是實現可自我配置、校正和優化，滿足尺寸的可擴展性和複雜性。這種由人工智能驅動的自動化是未來智能複合材料製造4.0工廠的基礎之一。

靈活、智能的系統數字結構包括CAD模型、工藝過程定義模塊、仿真模塊、製造執行模塊、傳感器、數據註釋軟件以及數據庫。在工藝過程中對數據進行實時收集，通過元數據註釋並自動反饋到數據庫中的數據構成了

工藝過程數字孿生的基礎。安裝了這些模塊後，只需按下開關生產線就可以自主運行。機器人從CAD模型、生產計劃和攝像頭中推斷出接下來要加工的工件。這些協作機器人可以根據生產計劃確定所有工序的開始/結束路徑以及完成時間，每條路徑都自動實時定義且不會發生碰撞。如果更改CAD模型或工藝過程定義，機器人將自動進行調整，而無需任何額外的教學工作。

4.閉環的樹脂浸取調控——Dynexa數字化轉型初嘗試

數字化與數字化轉型是有區別的。數字化轉型實際上改變了企業背後的流程，並開啓了新的機遇和商業模式。Dynexa是一家專業生產CFRP管軸的複合材料零件製造商。在德國政府設立了爲中小企業提供免費的工業4.0諮詢項目後，Dynexa 開始與達姆施塔特SME 4.0技術中心合作。

Dynexa的管軸製造採用的是溼法纏繞工藝，其關鍵步驟是樹脂的浸取。傳統的工藝是幹纖維纏繞在壓實輥上從樹脂浸漬槽中滾出，緊靠壓實輥的刮刀用於控制與幹纖維結合的樹脂量。爲保證零件直徑在允許的範圍內，操作員必須在纏繞過程中反覆停機測量零件直徑。

爲了對此過程進行數字化，Dynexa 開始與相機制造商尋求合作。達姆施塔特大學的研究小組計算出了某些物理因素對應的校正量，並創建了校正對應表和決策算法的數據庫，使得細絲纏繞機能夠獲取纖維管在各階段的尺寸目標。如果測量設備顯示樹脂浸取量不在正確的範圍內，則纏繞機會通過調整刮刀位置將其恢復到標準規格狀態，而不需停機測量。

現在，Dynexa的每臺纏繞機都裝有數字測量系統和以太網卡，工廠可以與每臺計算機進行對話並收集所有數據。纏繞機連接到服務器後，操作員可以在任意臺式機或便攜式計算機上進行編程。數字化轉型的嘗試使Dynexa能夠改善其工藝過程控制、產品質量和效率，從而更具成本效益，並刺激了進一步的轉型。

5. 隨需應變的定製化生產——Airborne按需製造門戶

荷蘭Airborne於2019年9月啓動了按需製造門戶網站，用於複合材料產品的自動化定製生產。客戶可以將設計需求輸入基於Web的平臺，系統將即時創建機器代碼，並確定生產時間和成本，完成產品定製後即可在自動化生產單元中進行生產。自動化生產單元中裝有傳感器和在線檢測系統，可以根據客戶定義的缺陷和公差數據庫生成警報。通過將複合材料和零件的製造知識嵌入到自動化系統中，客戶不必成爲專家即可完成訂購。該門戶網站是使用自動層壓單元（ALC）處理熱固性預浸料的，該方法還可以擴展到其他生產線，例如SABIC特種業務部門開發的大批量熱塑性複合材料（TPC）生產線。從長遠來看，擴展隨需應變的門戶可以收集分佈在多個公司和地區的複合材料零件生產能力。

德國亞琛AZL也在追求這一目標，其超高速固化成型機可以在不到5秒的時間內生產多層TPC層壓板。該公司的願景是提供支持在線平臺的可擴展生產線，生產線由多個工作站組成，每個工作站都有多臺AFP設備。在確認客戶輸入的需求後，AFP設備能夠彼此通信並組織生產，實現定製複合材料的完全智能生產。

機遇與挑戰

複合材料4.0的意義不僅僅是提高效率和降低成本，它是企業思考如何改變生產模式的機遇。面對各行業變得越來越分散的市場，提供新的在線生態系統可以使整個供應鏈更具競爭力。除了物料和資產跟蹤、協作機器人、高級工藝流程鏈等因素外，對本體的需求不可忽略，也就是數字通信和數據交換的術語和通用協議。

對於龐大的全球供應商網絡，只有具有相同的標準要求才能作爲數字化供應鏈運作。對於大多數爲飛機制造商（如空客和波音）服務的中小型供應商，如果缺乏關於通用標準的討論，他們便很可能無法負擔所有機器的兩組不同標準，包括文檔、評估數據、網絡安全等。德國航空航天中心（DLR）和歐洲航空安全局（EASA）等航空航天公司和組織正在努力探索如何使用數字孿生和交互式材料數據庫來減少每個航空航天公司現在正在單獨開發的數據量。