IACMI: Pionieren in innovatieve geavanceerde composietproductie

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 industrie, academische instellingen, en federale, staat en lokale overheden die samenwerken om de energie- en economische veiligheid van de Verenigde Staten te verbeteren door composiettechnologieontwikkeling. 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 U.S. Department of Energy's Advanced Manufacturing Office, heeft IACMI de afgelopen vijf jaar zijn capaciteiten bewezen om de ontwikkeling van geavanceerde composieten in vijf technologiegebieden te versnellen:

• composietmaterialen en -processen,
• gecomprimeerde gasopslag (CGS),
• voertuigen,
• windturbines, en
• ontwerp, modellering en simulatie.

Bij de lancering van het Instituut werden deze gebieden geïdentificeerd als die waarin meer kosten-, materiaal- en energie-efficiënte composietproductie significante impact zou kunnen hebben. Sindsdien is de composietgemeenschap binnen IACMI uitgegroeid ter ondersteuning van uitbreidende markten zoals infrastructuur, defensie en transport om de beveiligingsbehoeften van de VS te verbeteren.

In 2016 leidde IACMI de ontwikkeling van een roadmap om de vooruitgang en commercialisering van laag-kosten, energie-efficiënte composieten binnen de vijf technologiegebieden te sturen. Ontwikkeld met betrokkenheid van industriestakeholders, identificeerde de roadmap veelbelovende R&D nodig om technologie-implementatierisico's te reduceren en een robuuste toeleveringsketen voor de geavanceerde composietenindustrie te ontwikkelen. Specificeerde de roadmap meer dan 200 technologiepaden voor het bereiken van IACMI's gestelde technische doelen van 25% reductie in koolstofvezel-versterkte polymere (CFRP) kosten, 50% reductie in CFRP ingesloten energie en 80% herbruikbaarheid of hergebruik in nuttige producten.

Een collaboratief innovatienetwerk

De afgelopen vijf jaar heeft de roadmap de katalysator geboden voor IACMI en zijn leden om collaboratieve technologie-demonstratie-inspanningen te lanceren. Meer dan $70 miljoen is geïnvesteerd in meer dan 50 door de industrie geleide R&D-projecten, met participatie van 90 lidbedrijven. Deze gefinancierde projecten lijnen uit met de hoogste prioriteitsactiviteiten van de roadmap om zowel IACMI-ledenbehoeftes aan te pakken als tastbare vooruitgang te boeken naar de technische doelen. Als 2020 begint, reflecteren we op recente projectvoorbeelden over onze technologiegebieden.

Composietmaterialen en -processen: Snel-verhardende harsen en lijmen kunnen fabrikanten helpen cyclustijden te reduceren die nodig zijn voor hoog-volume productie van composietonderdelen. Daarnaast vereisen producten gemaakt van herwonnen discontinue koolvezels een fractie van de energie die nodig is om virgin materiaal te produceren met slechts kleine reducties in mechanische eigenschappen. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) en partners demonstreerden een nieuwe compression-molded automotor hood inner met diluent-vrije vinylester prepregs die productiekosten met 22% reduceerden, ingesloten energie met 33%, planklevensduur verlengden, de behoefte aan gekoelde opslag elimineerden, de hars-vezel interface sterkte significant verbeterden, en recycling en hergebruiksmogelijkheden voor prepreg-afval mogelijk maakten. 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 Laboratory (ORNL, Knoxville, Tenn.), ontwikkelen ook een schaalbare lage-warmte pyrolyse methode om waardevolle materialen te herwinnen uit toegewezen of gemengde composietafvalstromen.

Modellering en simulatie: Modellering en simulatie tools helpen ontwerpers structuraal gedrag te voorspellen, productiestappen te reduceren, ontwerp te optimaliseren, en producttesten en prototype-ontwikkeling voor composietproducten te managen. IACMI's eigen Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) biedt leden beveiligde, web-gebaseerde toegang tot commerciële simulatie-tools voor het oplossen van ontwerp, productie en prestatieproblemen van composietmaterialen. DuPont (Troy, Mich.), Fibrtec (Atlanta, Texas), en Purdue University (West Lafayette, Ind.) gebruikten voorspellende modelleringstools om te demonstreren hoe Fibrtec's flexibele koolstofvezel/polyamide composiet tow-preg materialen en DuPont's Rapid Fabric Formation (RFF) verwerkingstechnologie kosten en koolstofvezelafval met 30% en ingesloten energie met 40% konden reduceren.

Voertuigen: Vezel-versterkte composieten helpen automakers voertuiggewichtsreductie-mogelijkheden te maximaliseren, maar hun implementatie wordt beperkt door hoge kosten, lange productietijden, onbetrouwbare hechtbaarheid, lage recycleerbaarheid en een onvoldoende ontwikkelde toeleveringsketen. Hoog geautomatiseerde composiet molding technologieën voor near-net-shape composiet tussengeschakelde producten kunnen ontwerpflexibiliteit verbeteren terwijl ze ook productiecyclustijden en afval reduceren. Toray Composites (Tacoma, Wash.) werkte samen met prepreg toeleveringsketen experts om een snelle koolstofvezel prepreg molding technologie te ontwikkelen en te optimaliseren die de kosten van getargete automotorcomponenten met 15% reduceert. Tegelijkertijd ontwikkelden Ford (Dearborn, Mich.) met DowAksa (Marietta, Ga.), Dow Chemical (Midland, Mich.), ORNL, Michigan State University (Lansing, Mich.), University of Tennessee (Knoxville, Tenn.) en Purdue University een nieuw epoxy harsysteem alsook een gehakte koolstofvezel sheet molding compound (SMC) geschikt voor hoog-volume productie van meer dan 100.000 automotoronderdelen per jaar.

Gecomprimeerde gasopslag (CGS): Composietmaterialen kunnen helpen de groeiende vraag naar gecomprimeerde aardgasvaten — en uiteindelijk waterstofopslagtanks — te bevredigen als laag-emissie alternatief voor benzine en diesel. Thermoplastisch-gebaseerde composiet CGS-tanks kunnen end-of-life recycleerbaarheidskenmerken verbeteren, terwijl automatiseringsstrategieën laag-kosten, hoog-volume productie voor implementatie door automakers mogelijk maken. DuPont met Steelhead Composites LLC (Golden, Colo.), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, N.Y.) en University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) ontwierpen een nieuw fabricageproces en thermoplastisch-gebaseerd harsysteem dat onderdeelgewicht reduceert, recycleerbaarheid verbetert, schadebestendigheid verhoogt en productiekosten met tot 20% verlaagt.

Windturbines: Terwijl lichtere en langere windturbinebladen nodig zijn om stroomopwekkings-efficiëntie en capaciteit te verhogen, 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 North America (Williamston, S.C.), Composites One (Arlington Heights, Ill.), SikaAxson (nu Sika Advanced Resins, Madison Heights, Mich.), Creative Foam (Fenton, Mich.) en Chem-Trend (Howell, Mich.) demonstreerden met succes een full-scale 9-meter windturbineblad en introduceerden een nieuw vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) proces voor thermoplastische composieten dat productiekosten reduceert en recycleerbaarheid verbetert vergeleken met thermohars-gebaseerde composieten. Daarnaast ontwikkelden Arkema en partners inclusief Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, N.C.), SAERTEX USA LLC (Huntersville, N.C.), General Electric Co. (Boston, Mass.), TPI Composites Inc., University of Tennessee, het National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colo.) en de Colorado School of Mines (Golden) een nieuwe non-hechtende thermische lasmethode voor thermoplastische composieten die productiedefecten reduceert vergeleken met hechtmethodes en de basis legt als potentiële oplossing voor on-site assemblage van langere windturbinebladen.

Deze en andere IACMI-collaboratieve projecten drijven commercialisering; meer dan 10 nieuwe producten zijn nu commercieel beschikbaar als gevolg van IACMI-collaboratie-uitkomsten, en omvatten kostenreductie door snelle curing, uitgebreide productlevensduur en efficiënte productietechnologieën.

Wereldklasse R&D-faciliteiten, middelen en workforce development

Naast collaboratieve projecten is een van IACMI's belangrijkste differentiators zijn productie-klaar omgevingen voor innovatie, strategisch gelegen door het land. Bijvoorbeeld, IACMI's Scale-Up Research Facility (SURF), gelegen in Detroit, Mich., biedt meer dan 50.000 vierkante voet samenwerkingsruimte, productieschaal composietproductieapparatuur en analytische en materiaalvoorbereidingsruimtes. SURF is de landens enigste pilot-productieschaal composietproductiefaciliteit open voor industriële, overheids- en academische partners.

Het Composietenlaboratorium bij University of Dayton Research Institute (UDRI) in Ohio heeft full-scale productiewerkcellen en kleine bedrijvenincubatie. UDRI heeft samengewerkt met meer dan 20 Ohio-gebaseerde IACMI-leden om snelle curing prepreg en sheet molding compound materialen, vinylesterharsen, additieve gefabriceerde tooling voor grote composiet aerostructuren, koolstofnanotube productietechnologieën en meer te verbeteren.

In samenwerking met NREL's ontwerp, analyse en structurele validatie mogelijkheden, biedt de Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) een 10.000-vierkante-voet faciliteit in Colorado. Op CoMET kunnen industriële partners en universitair onderzoekers megawatt-schaal windturbineblad materialen en componenten ontwerpen, prototypen, testen en produceren, inclusief gepulstreerde koolstofvezel spar caps, gespecialiseerde glasvezel sizings en nieuwe thermoplastische harsen.

Ten slotte, in partnerschap met Purdue University, opende het Indiana Manufacturing Institute onlangs zijn nieuwe Composites Manufacturing and Simulation Center. Het centrum fungeert als testbed voor zijn staatspartners om next-generation Industry 4.0-technologieën te benutten en uitgebreide simulatie-tools te ontwikkelen voor het modelleren van composietstructuren van productie tot end-of-life productcyclus.

Naast het uitvoeren van R&D, werkt IACMI aan het versterken van de geavanceerde composietproductie-werkvoormacht. Sinds de oprichting heeft IACMI:

meer dan 2.000 deelnemers getraind in hands-on workshops,

meer dan 9.000 K–12 studenten betrokken in STEM-activiteiten en -kansen en

meer dan 100 stagiairs gehost — 100% van wie afgestudeerd zijn met een industrie jobaanbod of graduate programma acceptatie binnen zes maanden na afstuderen van hun academische programma's.

Deze kolom is de eerste in een reeks die het werk van IACMI en zijn partners belicht. Wij bij IACMI zijn toegewijd aan de toekomst van geavanceerde composietproductie en catalyseren actief industrie-inspanningen om een robuuste toeleveringsketen te ontwikkelen, technisch risico voor fabrikanten te reduceren en de next-generation composiet-werkvoormacht te bevorderen. Maar ons succes hangt af van de participatie van de composietproductiegemeenschap, alsook een continue stroom projecten om de innovatiepijplijn te voeden. Leer meer over lid worden op iacmi.org.

Over de auteur

Uday Vaidya fungeert als Directeur van de University of Tennessee's Fibers and Composites Manufacturing Facility (FCMF), IACMI's Chief Technology Officer, en is de University of Tennessee-Oak Ridge National Laboratory Governor's Chair in Advanced Composites Manufacturing. Vaidya is een expert op het gebied van productie en productontwikkeling met vezel-versterkte polymere composieten. Vaidya fungeert als Editor-in-Chief voor Elsevier's Composites B: Engineering journal. Hij betrekt een breed scala aan undergraduate en graduate studenten in ervaringsgericht leren met composiettechnologieën.