IACMI:innovatie stimuleren in de geavanceerde composietenindustrie

IACMI-leden op CAMX 2019. Bron | IACMI

Sinds de lancering in 2015 heeft het Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI — The Composites Institute, Knoxville, Tenn., VS) een netwerk opgebouwd van de industrie, academische instellingen en federale, staats- en lokale overheden die samenwerken om de de energie- en economische zekerheid van de Verenigde Staten door de ontwikkeling van composiettechnologie. Dit consortium omvat meer dan 160 leden in 31 staten, meer dan 130 bedrijven en 17 academische instituten. Gelanceerd als het vijfde Manufacturing USA Innovation Institute en ondersteund door het Advanced Manufacturing Office van het Amerikaanse Department of Energy, heeft IACMI de afgelopen vijf jaar bewezen dat het de ontwikkeling van geavanceerde composieten in vijf technologiegebieden kan versnellen:

• composietmaterialen en processen,
• opslag van gecomprimeerd gas (CGS),
• voertuigen,
• windturbines, en
• ontwerp, modellering en simulatie.

Bij de lancering van het Instituut werden deze gebieden geïdentificeerd als die waar meer kosten-, materiaal- en energie-efficiënte composietproductie een aanzienlijke impact zou kunnen hebben. Sindsdien is de composietengemeenschap binnen IACMI gegroeid om groeiende markten zoals infrastructuur, defensie en transport te ondersteunen om de Amerikaanse beveiligingsbehoeften te verbeteren.

In 2016 leidde IACMI de ontwikkeling van een routekaart om de vooruitgang en commercialisering van goedkope, energie-efficiënte composieten binnen de vijf technologiegebieden te begeleiden. De roadmap, die is ontwikkeld in samenwerking met belanghebbenden uit de industrie, identificeerde veelbelovende R&D die nodig was om het risico van technologie-implementatie te verminderen en een robuuste toeleveringsketen voor de geavanceerde composietenindustrie te ontwikkelen. In het bijzonder schetste de routekaart meer dan 200 technologische trajecten om de door IACMI gestelde technische doelen te bereiken van 25% reductie van de kosten van koolstofvezelversterkt polymeer (CFRP), 50% reductie van door CFRP belichaamde energie en 80% recycleerbaarheid of hergebruik in bruikbare producten.

Een samenwerkingsnetwerk voor innovatie

In de afgelopen vijf jaar heeft de roadmap de katalysator voor IACMI en zijn leden geleverd om gezamenlijke inspanningen op het gebied van technologiedemonstratie te lanceren. Er is meer dan $ 70 miljoen geïnvesteerd in meer dan 50 door de industrie geleide R&D-projecten, met deelname van 90 aangesloten bedrijven. Deze gefinancierde projecten sluiten aan bij de activiteiten met de hoogste prioriteit van de routekaart om zowel in te spelen op de behoeften van IACMI-leden als om tastbare vooruitgang te boeken in de richting van de technische doelen. Nu 2020 begint, reflecteren we op recente projectvoorbeelden in onze technologiegebieden.

Samengestelde materialen en processen: Snel uithardende harsen en lijmen kunnen fabrikanten helpen de cyclustijden te verkorten die nodig zijn om een ​​grote productie van composietonderdelen te realiseren. Bovendien vereisen producten gemaakt van teruggewonnen discontinue koolstofvezels een fractie van de energie die nodig is om nieuw materiaal te produceren met slechts een kleine vermindering van de mechanische eigenschappen. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) en partners demonstreerden een nieuwe, onder druk gegoten motorkap voor auto's met behulp van verdunningsmiddelvrije prepregs van vinylester die de productiekosten met 22% verlaagden, de opgenomen energie met 33% verminderden, de stabiliteit van de houdbaarheid verlengt, de noodzaak van gekoelde opslag, verbeterde de sterkte van het grensvlak tussen hars en vezels aanzienlijk en maakte recycling en hergebruik van prepreg-schroot mogelijk. De American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Va.) en projectpartners, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich.), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National Laboratorium (ORNL, Knoxville, Tenn.), ontwikkelen ook een schaalbare pyrolysemethode bij lage temperatuur om waardevolle materialen terug te winnen uit speciaal afval of composietafval met gemengde stroom.

Modellen en simulatie: Modellerings- en simulatietools helpen ontwerpers om structureel gedrag te voorspellen, productiestappen te verminderen, het ontwerp te optimaliseren en producttests en prototypeontwikkeling voor composietproducten te beheren. IACMI's eigen Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) biedt leden veilige, webgebaseerde toegang tot commerciële simulatietools voor het oplossen van ontwerp-, fabricage- en prestatieproblemen van composietmaterialen. DuPont (Troy, Michigan), Fibrtec (Atlanta, Texas) en Purdue University (West Lafayette, Ind.) gebruikten voorspellende modelleringstools om te demonstreren hoe Fibrtec's flexibele koolstofvezel/polyamide composiet trekpreg materialen en DuPont's Rapid Fabric Formation (RFF) ) verwerkingstechnologie zou de kosten en het afval van koolstofvezel met 30% kunnen verminderen en de belichaamde energie met 40%.

Voertuigen: Vezelversterkte composieten helpen autofabrikanten de mogelijkheden voor massavermindering van voertuigen te maximaliseren, maar de implementatie ervan wordt beperkt door hoge kosten, lange productietijden, onbetrouwbare aansluitbaarheid, lage recycleerbaarheid en een onderontwikkelde toeleveringsketen. Sterk geautomatiseerde composietgiettechnologieën voor composiettussenproducten met een bijna netvormige vorm kunnen de ontwerpflexibiliteit vergroten en tegelijkertijd de productiecyclustijden en afval verminderen. Toray Composites (Tacoma, Wash.) werkte samen met prepreg supply chain-experts om een ​​snelle koolstofvezel prepreg-vormtechnologie te ontwikkelen en te optimaliseren die de kosten van gerichte auto-onderdelen met 15% verlaagt. Ondertussen Ford (Dearborn, Michigan) met DowAksa (Marietta, Georgia), Dow Chemical (Midland, Michigan), ORNL, Michigan State University (Lansing, Michigan), University of Tennessee (Knoxville, Tennessee) en Purdue De universiteit ontwikkelde een nieuw epoxyharssysteem en een gehakte koolstofvezelplaatvormmassa (SMC) die geschikt is voor grootschalige productie van meer dan 100.000 auto-onderdelen per jaar.

Gecomprimeerde gasopslag (CGS) :Composietmaterialen kunnen helpen voldoen aan de groeiende vraag naar vaten voor gecomprimeerd aardgas - en uiteindelijk waterstofopslagtanks - als een emissiearm alternatief voor benzine en diesel. Op thermoplast gebaseerde composiet CGS-tanks kunnen de recycleerbaarheid aan het einde van hun levensduur verbeteren, terwijl automatiseringsstrategieën goedkope, grootschalige productie mogelijk maken voor implementatie door autofabrikanten. DuPont heeft samen met Steelhead Composites LLC (Goldon, Colo.), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, NY) en het University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) een nieuw fabricageproces en op thermoplasten gebaseerd harssysteem ontworpen dat de component gewicht, verbetert de recycleerbaarheid, verhoogt de weerstand tegen beschadigingen en verlaagt de productiekosten tot 20%.

Windturbines :Hoewel er lichtere en langere windturbinebladen nodig zijn om de efficiëntie en capaciteit van de energieopwekking te vergroten, zijn de huidige composiettechnologieën voor het produceren van deze bladen tijdrovend om te produceren, economisch uitdagend om te recyclen en steeds moeilijker te transporteren van fabriek naar veld. TPI Composites (Scottsdale, Ariz.), Arkema Inc. (King of Prussia, Pa.), Johns Manville (Denver, Colo.), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Mich.), Strongwell (Bristol, Va.), DowAksa USA , Chomarat Noord-Amerika (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, Illinois), SikaAxson (nu Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Michigan) en Chem-Trend (Howell, Michigan .) heeft met succes een windturbineblad van 9 meter op ware grootte gedemonstreerd en een nieuw vacuüm-assisted resin transfer molding (VARTM)-proces voor thermoplastische composieten geïntroduceerd dat de productiekosten verlaagt en de recycleerbaarheid verbetert in vergelijking met op thermoset gebaseerde composieten. Daarnaast hebben Arkema en partners, waaronder Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, NC), SAERTEX USA LLC (Huntersville, NC), General Electric Co. (Boston, Mass.), TPI Composites Inc., University of Tennessee, de National Renewable Energy Laboratory (NREL, Goldon, Colo.) en de Colorado School of Mines (Golden) ontwikkelden een nieuwe niet-klevende thermische lasmethode voor thermoplastische composieten die fabricagefouten vermindert in vergelijking met adhesieve bindingsmethoden en de basis legt als een mogelijke oplossing voor on - montage op locatie van langere windturbinebladen.

Deze en andere IACMI-samenwerkingsprojecten stimuleren commercialisering; meer dan 10 nieuwe producten zijn nu commercieel beschikbaar vanwege de resultaten van de IACMI-samenwerking, en omvatten lagere kosten door snelle uitharding, langere productlevensduur en efficiënte productietechnologieën.

R&D-faciliteiten van wereldklasse , middelen en personeelsontwikkeling

Naast samenwerkingsprojecten is een van de belangrijkste onderscheidende factoren van IACMI de productieklare omgevingen voor innovatie, strategisch gelegen in het hele land. De Scale-Up Research Facility (SURF) van IACMI, gevestigd in Detroit, Michigan, biedt bijvoorbeeld meer dan 50.000 vierkante meter aan samenwerkingsruimte, productieapparatuur voor composietproductie en analytische en materiaalvoorbereidingsruimten. SURF is 's lands enige proeffabriek voor composietproductie op productieschaal die openstaat voor industriële, overheids- en academische partners.

Het Composites Laboratory van het University of Dayton Research Institute (UDRI) in Ohio beschikt over grootschalige productie-werkcellen en incubatie van kleine bedrijven. UDRI werkt samen met meer dan 20 in Ohio gevestigde IACMI-leden om snel uithardende prepreg- en plaatvormmassamaterialen, vinylesterharsen, additief vervaardigde gereedschappen voor grote composiet-aerostructuren, koolstofnanobuisproductietechnologieën en meer te bevorderen.

In samenwerking met de ontwerp-, analyse- en structurele validatiemogelijkheden van NREL, biedt de Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) een faciliteit van 10.000 vierkante meter in Colorado. Bij CoMET kunnen industriepartners en universitaire onderzoekers ontwerpen, prototypen, testen en produceren van materialen en componenten voor windturbineschoep op megawattschaal, waaronder gepultrudeerde koolstofvezel spar caps, gespecialiseerde glasvezelmaten en nieuwe thermoplastische harsen.

Tot slot heeft het Indiana Manufacturing Institute, in samenwerking met Purdue University, onlangs zijn nieuwe Composites Manufacturing and Simulation Center geopend. Het centrum dient als een testbed voor zijn staatspartners om te profiteren van de volgende generatie Industrie 4.0-technologieën en om uitgebreide simulatietools te ontwikkelen voor het modelleren van composietstructuren van productie tot productcyclus aan het einde van hun levensduur.

Naast het uitvoeren van R&D, werkt IACMI aan het versterken van het personeel voor de productie van geavanceerde composieten. Sinds de oprichting heeft IACMI:

• meer dan 2000 deelnemers getraind in hands-on workshops,
• meer dan 9.000 K-12-studenten betrokken bij STEM-activiteiten en kansen en
• heeft meer dan 100 stagiaires gehost - van wie 100% is afgestudeerd met een baanaanbieding in de branche of acceptatie van een afstudeerprogramma binnen zes maanden na het behalen van hun academische programma.

Deze column is de eerste in een reeks die het werk van IACMI en haar partners belicht. Wij bij IACMI zetten ons in voor de toekomst van geavanceerde composietproductie en katalyseren actief de inspanningen van de industrie om een ​​robuuste toeleveringsketen te ontwikkelen, technische risico's voor fabrikanten te verminderen en de volgende generatie composietenpersoneel te stimuleren. Maar ons succes hangt af van de deelname van de composietproductiegemeenschap, evenals van een continue stroom van projecten om de pijplijn van innovatie te voeden. Lees meer over lid worden op iacmi.org.

Over de auteur

Uday Vaidya is directeur van de Fibers and Composites Manufacturing Facility (FCMF) van de University of Tennessee, IACMI's Chief Technology Officer, en is de voorzitter van de gouverneur van het University of Tennessee-Oak Ridge National Laboratory in Advanced Composites Manufacturing. Vaidya is een expert op het gebied van productie en productontwikkeling met vezelversterkte polymeercomposieten. Vaidya is de hoofdredacteur van Elsevier's Composites B:Engineering tijdschrift. Hij betrekt een breed scala van niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten bij het ervaringsleren met composiettechnologieën.