IACMI:стимулирование инноваций в отрасли передовых композитов

Члены IACMI на CAMX 2019. Источник | МАКМИ

С момента своего запуска в 2015 году Институт инноваций в области производства передовых композитов (IACMI - The Composites Institute, Ноксвилл, штат Теннеси, США) построил сеть промышленных, академических институтов, а также федеральных, государственных и местных органов власти, которые вместе работают над улучшением энергетическая и экономическая безопасность США за счет развития композитных технологий. В этот консорциум входят более 160 членов из 31 штата, более 130 компаний и 17 академических институтов. IACMI, созданный как пятый производственный институт инноваций США при поддержке Управления перспективного производства Министерства энергетики США, за последние пять лет доказал свою способность ускорять разработку передовых композитов в пяти технологических областях:

• композитные материалы и процессы,
• хранилище сжатого газа (ХГС),
• автомобили,
• ветряные турбины и
• проектирование, моделирование и симуляция.

При запуске института эти области были определены как области, в которых более экономичное, материально-эффективное производство композитов могло бы оказать значительное влияние. С тех пор сообщество композитов в IACMI выросло, чтобы поддерживать расширяющиеся рынки, такие как инфраструктура, оборона и транспорт, для повышения потребностей США в области безопасности.

В 2016 году IACMI руководил разработкой дорожной карты, направленной на продвижение и коммерциализацию недорогих, энергоэффективных композитов в пяти технологических областях. В дорожной карте, разработанной при участии заинтересованных сторон отрасли, были определены перспективные НИОКР, необходимые для снижения рисков внедрения технологий и развития надежной цепочки поставок для отрасли передовых композитов. В частности, в дорожной карте намечено более 200 технологических путей для достижения заявленных IACMI технических целей по сокращению на 25% стоимости армированного углеродным волокном полимера (CFRP), 50% сокращения энергии, воплощенной в углепластике, и 80% возможности вторичной переработки или повторного использования в полезные продукты.

Совместная инновационная сеть

За последние пять лет дорожная карта послужила катализатором для IACMI и его членов для запуска совместных усилий по демонстрации технологий. Более 70 миллионов долларов было инвестировано в более чем 50 отраслевых научно-исследовательских проектов с участием 90 компаний-членов. Эти финансируемые проекты согласуются с наиболее приоритетными направлениями деятельности в дорожной карте, направленными как на удовлетворение потребностей членов IACMI, так и на достижение ощутимого прогресса в достижении поставленных технических целей. В начале 2020 года мы размышляем над недавними примерами проектов в наших технологических областях.

Композитные материалы и процессы: Быстротвердеющие смолы и клеи могут помочь производителям сократить время цикла, необходимое для крупносерийного производства композитных деталей. Кроме того, продукты, изготовленные из восстановленных прерывистых углеродных волокон, требуют доли энергии, необходимой для производства первичного материала с незначительным ухудшением механических свойств. Компания Ashland Performance Materials (Колумбус, Огайо) и партнеры продемонстрировали новую внутреннюю часть капота автомобиля, изготовленную методом прессования, с использованием препрегов на основе сложного винилового эфира без разбавителя, которая снизила производственные затраты на 22%, уменьшила потребляемую энергию на 33%, увеличила стабильность срока хранения, устранила необходимость в холодильные складские помещения, значительно улучшили межфазную прочность смолы и волокна и открыли возможности для переработки и повторного использования лома препрега. Американская ассоциация производителей композитов (ACMA, Арлингтон, Вирджиния) и партнеры по проекту, Continental Structural Plastics (CSP, Оберн-Хиллз, Мичиган), CHZ Technologies (Остинтаун, Огайо), A. Schulman (Фейрлаун, Огайо) Oak Ridge National Лаборатория (ORNL, Ноксвилл, Теннесси) также разрабатывает масштабируемый метод низкотемпературного пиролиза для извлечения ценных материалов из специализированных или смешанных потоков композитных отходов.

Моделирование и симуляция: Инструменты моделирования и симуляции помогают проектировщикам прогнозировать поведение конструкций, сокращать производственные этапы, оптимизировать дизайн, а также управлять испытаниями изделий и разработкой прототипов для композитных изделий. Собственный Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) IACMI предоставляет участникам безопасный веб-доступ к коммерческим инструментам моделирования для решения проблем проектирования, производства и производительности композитных материалов. DuPont (Трой, штат Мичиган), Fibrtec (Атланта, Техас) и Purdue University (Вест-Лафайет, штат Индиана) использовали инструменты прогнозного моделирования, чтобы продемонстрировать, как гибкие композитные материалы Fibrtec из углеродного волокна / полиамида для буксировки-прег и DuPont Rapid Fabric Formation (RFF) ) технология переработки может снизить стоимость и количество отходов углеродного волокна на 30%, а потребляемую энергию - на 40%.

Транспорт: Армированные волокном композиты помогают автопроизводителям максимально использовать возможности снижения массы транспортных средств, но их реализация сдерживается высокими затратами, длительными сроками производства, ненадежной соединяемостью, низкой пригодностью для вторичной переработки и неразвитой цепочкой поставок. Высокоавтоматизированные технологии формования композитов для промежуточных композитов почти чистой формы могут повысить гибкость проектирования, а также сократить время производственного цикла и количество отходов. Компания Toray Composites (Такома, Вашингтон) в сотрудничестве со специалистами по цепочке поставок препрега разработала и оптимизировала технологию быстрого формования препрега из углеродного волокна, которая снижает стоимость целевых автомобильных компонентов на 15%. Между тем, Ford (Дирборн, штат Мичиган) с DowAksa (Мариетта, штат Джорджия), Dow Chemical (Мидленд, штат Мичиган), ORNL, Университет штата Мичиган (Лансинг, штат Мичиган), Университет Теннесси (Ноксвилл, штат Теннеси) и Purdue Университет разработал новую систему эпоксидной смолы, а также формовочную массу для листов из рубленого углеродного волокна, подходящую для крупносерийного производства, превышающего 100 000 автомобильных запчастей в год.

Хранение сжатого газа (ХХГ) :Композитные материалы могут помочь удовлетворить растущий спрос на резервуары для сжатого природного газа - и, в конечном итоге, на резервуары для хранения водорода - в качестве альтернативы бензину и дизельному топливу с низким уровнем выбросов. Композитные резервуары CGS на основе термопласта могут улучшить характеристики вторичной переработки в конце срока службы, в то время как стратегии автоматизации позволяют производить низкозатратное крупносерийное производство для внедрения производителями автомобилей. DuPont совместно с Steelhead Composites LLC (Голдон, Колорадо), Центром прототипирования композитов (CPC, Плейнвью, Нью-Йорк) и Исследовательским институтом Дейтонского университета (UDRI, Дейтон, Огайо) разработали новый процесс производства и систему смолы на основе термопласта, которая уменьшает количество компонентов вес, улучшает возможность вторичной переработки, повышает устойчивость к повреждениям и снижает производственные затраты до 20%.

Ветряные турбины :В то время как более легкие и длинные лопасти ветряных турбин необходимы для повышения эффективности и производительности выработки электроэнергии, современные композитные технологии для производства этих лопастей требуют времени на производство, экономически затруднительно перерабатывать и все труднее транспортировать с завода на поле. TPI Composites (Скоттсдейл, Аризона), Arkema Inc. (Король Пруссии, Пенсильвания), Johns Manville (Денвер, Колорадо), Huntsman Polyurethanes (Оберн-Хиллз, Мичиган), Strongwell (Бристоль, Вирджиния), DowAksa, США , Chomarat North America (Уильямстон, штат Калифорния), Composites One (Арлингтон-Хайтс, штат Иллинойс), SikaAxson (ныне Sika Advanced Resins, Мэдисон-Хайтс, штат Мичиган), Creative Foam (Фентон, штат Мичиган) и Chem-Trend (Хауэлл, штат Мичиган) .) успешно продемонстрировала полномасштабную 9-метровую лопасть ветряной турбины и представила новый процесс вакуумного литья под давлением (VARTM) для термопластичных композитов, который снижает производственные затраты и улучшает возможность вторичной переработки по сравнению с композитами на основе термореактивных материалов. Кроме того, Arkema и партнеры, включая Electric Glass Fiber America LLC (Шелби, Северная Каролина), SAERTEX USA LLC (Хантерсвилль, Северная Каролина), General Electric Co. (Бостон, Массачусетс), TPI Composites Inc., Университет Теннесси, Национальное предприятие по возобновляемым источникам энергии Энергетическая лаборатория (NREL, Голдон, Колорадо) и Колорадская горная школа (Голден) разработали новый метод неклейкой термической сварки термопластичных композитов, который уменьшает производственные дефекты по сравнению с методами клеевого соединения и закладывает основу в качестве потенциального решения для -сборка на месте более длинных лопастей ветряных турбин.

Эти и другие совместные проекты IACMI стимулируют коммерциализацию; Более 10 новых продуктов теперь коммерчески доступны благодаря результатам сотрудничества IACMI и включают снижение затрат за счет быстрого отверждения, увеличения срока службы продукта и эффективных производственных технологий.

Научно-исследовательские центры мирового уровня , развитие ресурсов и персонала

Помимо совместных проектов, одним из ключевых отличий IACMI является готовая к производству среда для инноваций, стратегически расположенная по всей стране. Например, исследовательский центр IACMI Scale-Up Research Facility (SURF), расположенный в Детройте, штат Мичиган, предлагает более 50 000 квадратных футов площадей для совместной работы, промышленное оборудование для производства композитов, а также помещения для анализа и подготовки материалов. SURF - единственный в стране пилотный завод по производству композитных материалов, открытый для промышленных, государственных и академических партнеров.

Лаборатория композитов при Дейтонском научно-исследовательском институте (UDRI) в Огайо включает в себя полномасштабные производственные ячейки и инкубатор для малого бизнеса. UDRI заключила партнерские отношения с более чем 20 членами IACMI из Огайо, чтобы продвигать быстротвердеющий препрег и листовые формовочные материалы, винилэфирные смолы, инструменты аддитивного производства для крупных композитных аэроструктур, технологии производства углеродных нанотрубок и многое другое.

Работая в сочетании с возможностями NREL в области проектирования, анализа и структурной проверки, Центр производственных и образовательных технологий композитов (CoMET) предоставляет объект площадью 10 000 квадратных футов в Колорадо. В CoMET отраслевые партнеры и университетские исследователи могут проектировать, прототипировать, тестировать и производить материалы и компоненты для лопастей ветряных турбин мегаваттного масштаба, включая пултрузионные колпачки из углеродного волокна, специальные размеры из стекловолокна и новые термопластические смолы.

Наконец, в партнерстве с Университетом Пердью Производственный институт Индианы недавно открыл свой новый Центр производства и моделирования композитов. Центр служит испытательной площадкой для государственных партнеров, которые могут воспользоваться преимуществами технологий Индустрии 4.0 следующего поколения и разработать комплексные инструменты моделирования для моделирования композитных структур от производства до конца жизненного цикла продукта.

Помимо проведения исследований и разработок, IACMI работает над укреплением штата специалистов по производству передовых композитов. С момента основания IACMI:

• обучил более 2000 участников практическим семинарам,
• привлек более 9 000 школьников до 12 лет в мероприятия и возможности STEM и
• принял более 100 стажеров, 100% из которых получили высшее образование по отраслевому предложению о работе или поступили в аспирантуру в течение шести месяцев после окончания своих академических программ.

Эта колонка является первой из серии, в которой освещается работа IACMI и его партнеров. Мы в IACMI привержены будущему производства передовых композитов и активно стимулируем усилия отрасли по развитию надежной цепочки поставок, снижению технических рисков для производителей и стимулированию кадрового состава композитов следующего поколения. Но наш успех зависит от участия сообщества производителей композитов, а также от непрерывного потока проектов, которые подпитывают поток инноваций. Узнайте больше о том, как присоединиться к нам на iacmi.org.

Об авторе

Удай Вайдья является директором завода по производству волокон и композитов (FCMF) Университета Теннесси, главным техническим директором IACMI и заведующим кафедрой передовых технологий производства композитов Университета Теннесси-Ок-Ридж. Вайдья является экспертом в области производства и разработки продуктов из армированных волокном полимерных композитов. Вайдья является главным редактором журнала Elsevier Composites B:Engineering. Он привлекает широкий круг студентов и аспирантов к экспериментальному обучению с использованием композитных технологий.