IACMI: пионер инноваций в передовитом производстве композитов

Участники IACMI на CAMX 2019. Источник: IACMI

С запуска в 2015 году Институт передовых инноваций в производстве композитов (IACMI — The Composites Institute, Ноксвилл, Теннесси, США) построил сеть из промышленности, учебных заведений, федеральных, штатных и местных правительств, работающих вместе для улучшения энергетической и экономической безопасности США через развитие технологий композитов. Консорциум включает более 160 участников в 31 штате, более 130 компаний и 17 учебных заведений. Запущен как пятый Институт инноваций Manufacturing USA и поддерживаемый Управлением передовых производств Министерства энергетики США, IACMI за последние пять лет доказало свои способности ускорить развитие передовых композитов в пяти технологических областях:

• композитные материалы и процессы,
• сжатое газовое хранение (CGS),
• транспортные средства,
• ветряные турбины, и
• проектирование, моделирование и симуляция.

На запуске эти области были определены как те, где более затрато-, материало- и энергоэффективное композитное производство могло бы иметь значительное влияние. С тех пор сообщество композитов в IACMI выросло для поддержки расширяющихся рынков инфраструктуры, обороны и транспорта для усиления потребностей безопасности США.

В 2016 году IACMI возглавила разработку дорожной карты для продвижения и коммерциализации низкозатратных, энергоэффективных композитов в пяти технологических областях. Разработанная с вовлечением стейкхолдеров индустрии, дорожная карта выявила перспективные НИОКР для снижения рисков внедрения технологий и развития надежной цепочки поставок для индустрии передовых композитов. Конкретно, дорожная карта обозначила более 200 технологических путей для достижения технических целей IACMI: снижение стоимости CFRP на 25%, снижение вложенной энергии CFRP на 50% и 80% переработки или повторного использования в полезные продукты.

Сеть коллаборативных инноваций

За последние пять лет дорожная карта стала катализатором для IACMI и ее участников для запуска коллаборативных демонстрационных технологических усилий. Более $70 млн инвестировано в более 50 промышленных НИОКР проектов с участием 90 компаний-членов. Эти финансируемые проекты соответствуют приоритетам дорожной карты, адресуют потребности участников IACMI и делают реальный прогресс к техническим целям. Началом 2020 года мы рефлектируем на недавних примерах проектов по нашим технологическим областям.

Композитные материалы и процессы: Быстроотвердевающие смолы и клеи помогают производителям сократить циклы для высокообъемного производства композитных деталей. Продукты из восстановленного дисконтинуального углеродного волокна требуют долю энергии, нужной для девственного материала, с незначительным снижением механических свойств. Ashland Performance Materials (Колумбус, Огайо) и партнеры продемонстрировали новый компрессионно-литой внутренний капот авто с дилуент-free винилэфирными препрегами, снизившими затраты на 22%, вложенную энергию на 33%, увеличили срок хранения, устранили потребность в холодильном хранении, значительно улучшили межфазную прочность смола-волокно, открыли возможности переработки и повторного использования препрег-отходов. Американская ассоциация производителей композитов (ACMA, Арлингтон, Вирджиния) и партнеры, Continental Structural Plastics (CSP, Оберн-Хиллз, Мичиган), CHZ Technologies (Остинтаун, Огайо), A. Schulman (Фэрлоун, Огайо), Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Ноксвилл, Теннесси), также развивают масштабируемый низкотемпературный пиролиз для восстановления ценных материалов из выделенного или смешанного потока композитных отходов.

Моделирование и симуляция: Инструменты моделирования и симуляции помогают дизайнерам предсказывать структурное поведение, сокращать производственные шаги, оптимизировать дизайн, управлять тестированием и прототипированием композитных продуктов. Собственный Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) IACMI дает участникам безопасный веб-доступ к коммерческим инструментам симуляции для решения проблем дизайна, производства и производительности композитных материалов. DuPont (Трой, Мичиган), Fibrtec (Атланта, Техас), Purdue University (Вест-Лафайетт, Индиана) использовали предиктивные инструменты моделирования для демонстрации того, как гибкие композитные материалы углеродного волокна/полиамида Fibrtec и технология Rapid Fabric Formation (RFF) DuPont могут снизить стоимость и отходы углеродного волокна на 30% и вложенную энергию на 40%.

Транспортные средства: Волокнисто-направленные композиты помогают автопроизводителям максимизировать возможности снижения массы, но внедрение ограничено высокими затратами, длинными производственными сроками, ненадежным соединением, низкой перерабатываемостью и неразвитой цепочкой поставок. Высокоавтоматизированные технологии формовки композитов для полуфабрикатов близкой к чистовой форме могут повысить гибкость дизайна, сократить циклы и отходы. Toray Composites (Такома, Вашингтон) партнерила с экспертами цепочки поставок препрега для разработки и оптимизации быстрой технологии формовки углеродного препрега, снизившей стоимость целевых автокомпонентов на 15%. В то время Ford (Дирборн, Мичиган) с DowAksa (Мариетта, Джорджия), Dow Chemical (Мидленд, Мичиган), ORNL, Michigan State University (Лансинг, Мичиган), Университет Теннесси (Ноксвилл, Теннесси) и Purdue University разработали новую эпоксидную смольную систему и рубленый углеродный листово-формовочный компаунд (SMC), подходящий для высокообъемного производства свыше 100 000 автодеталей в год.

Сжатое газовое хранение (CGS): Композитные материалы могут удовлетворить растущий спрос на сосуды для сжатого природного газа — и в конечном счете, резервуары для водорода — как низкоэмиссионную альтернативу бензину и дизелю. Термопластик-based композитные CGS-баки могут улучшить характеристики переработки в конце жизни, а стратегии автоматизации позволят низкозатратное высокообъемное производство для внедрения автопроизводителями. DuPont с Steelhead Composites LLC (Голдон, Колорадо), Composite Prototyping Center (CPC, Плейнвью, Нью-Йорк) и Университетом Дайтонского исследовательского института (UDRI, Дайтон, Огайо) спроектировали новый процесс fabricación и термопластиковую смольную систему, снижающую вес компонента, улучшающую перерабатываемость, повышающую устойчивость к повреждениям и снижающую производственные затраты до 20%.

Ветряные турбины: Хотя более легкие и длинные лопасти ветряков нужны для повышения эффективности и мощности, современные композитные технологии их производства трудоемки, экономически сложны для переработки и все труднее транспортировать с завода на поле. TPI Composites (Скоттсдейл, Аризона), Arkema Inc. (Кинг-оф-Пруссия, Пенсильвания), Johns Manville (Денвер, Колорадо), Huntsman Polyurethanes (Оберн-Хиллз, Мичиган), Strongwell (Бристол, Вирджиния), DowAksa USA, Chomarat North America (Уильямстон, Южная Каролина), Composites One (Арлингтон-Хайтс, Иллинойс), SikaAxson (теперь Sika Advanced Resins, Мадисон-Хайтс, Мичиган), Creative Foam (Фентон, Мичиган) и Chem-Trend (Хауэлл, Мичиган) успешно продемонстрировали полноразмерную 9-метровую лопасть ветряка и внедрили новый процесс вакуумной инфузии смолы (VARTM) для термопластичных композитов, снижающий производственные затраты и улучшающий перерабатываемость по сравнению с термореактивными композитами. Кроме того, Arkema и партнеры, включая Electric Glass Fiber America LLC (Шелби, Северная Каролина), SAERTEX USA LLC (Хантерсвилл, Северная Каролина), General Electric Co. (Бостон, Массачусетс), TPI Composites Inc., Университет Теннесси, Национальную лабораторию возобновляемой энергетики (NREL, Голдон, Колорадо) и Колорадскую школу мин (Голдон) разработали новый неклеевой термический метод сварки для термопластичных композитов, снижающий производственные дефекты по сравнению с клеевыми методами и закладывающий основу как потенциальное решение для монтажа более длинных лопастей ветряков на месте.

Эти и другие коллаборативные проекты IACMI движут коммерциализацию; более 10 новых продуктов теперь коммерчески доступны благодаря результатам коллабораций IACMI, включая снижение затрат за счет быстрого отвердевания, продленную долговечность продукта и эффективные производственные технологии.

Мировые НИОКР объекты, ресурсы и развитие кадров

Помимо коллаборативных проектов, одним из ключевых дифференциаторов IACMI являются готовые к производству среды для инноваций, стратегически расположенные по всей стране. Например, Масштабируемый исследовательский объект (SURF) IACMI в Детройте, Мичиган, предлагает более 50 000 кв. футов пространства для коллаборации, производственного оборудования композитов промышленного масштаба и аналитических и подготовительных пространств материалов. SURF — единственный в стране пилотный производственный объект композитов, открытый для промышленных, правительственных и академических партнеров.

Композитная лаборатория Университета Дайтонского исследовательского института (UDRI) в Огайо имеет полноразмерные производственные рабочие ячейки и инкубатор малого бизнеса. UDRI партнерила с более чем 20 огайскими участниками IACMI для продвижения быстроотвердевающих препрег и SMC материалов, винилэфирных смол, аддитивного оснащения для крупных аэроконструкций, технологий производства углеродных нанотрубок и др.

Работая в связке с возможностями NREL по дизайну, анализу и структурной валидации, Объект производства и образовательных технологий композитов (CoMET) предоставляет 10 000 кв. футов в Колорадо. На CoMET промышленные партнеры и ученые могут проектировать, прототипировать, тестировать и производить материалы и компоненты лопастей ветряков мегаваттного масштаба, включая пультрудированные спар-кэпы из углеродного волокна, специализированные размеры стекловолокна и новые термопластиковые смолы.

Наконец, в партнерстве с Purdue University, Индианский производственный институт недавно открыл новый Центр производства и симуляции композитов. Центр служит тестовым полигоном для штатных партнеров для использования технологий Индустрии 4.0 следующего поколения и разработки комплексных инструментов симуляции для моделирования композитных структур от производства до конца жизненного цикла продукта.

Помимо проведения НИОКР, IACMI работает над укреплением рабочей силы передового композитного производства. С момента создания IACMI:

• обучено более 2000 участников на практических мастер-классах,
• завовлечено более 9000 учащихся K-12 в STEM-активностях и возможностях и
• принято более 100 стажеров — 100% из которых получили предложение работы в индустрии или зачисление в аспирантуру в течение шести месяцев после окончания учебных программ.

Эта колонка — первая в серии, подчеркивающей работу IACMI и его партнеров. Мы в IACMI преданы будущему передового композитного производства и активно катализируем усилия индустрии по развитию надежной цепочки поставок, снижению технических рисков для производителей и воспитанию следующего поколения кадров композитного производства. Но наш успех зависит от участия сообщества композитного производства и непрерывного потока проектов для питания конвейера инноваций. Узнайте больше о присоединении на iacmi.org.

Об авторе

Удай Вайдья служит директором Установки по производству волокон и композитов Университета Теннесси (FCMF), главным технологическим директором IACMI и профессором Университета Теннесси — Oak Ridge National Laboratory по передовым композитным материалам. Вайдья — эксперт по производству и разработке продуктов с волокнисто-направленными полимерными композитами. Является главным редактором журнала Elsevier Composites B: Engineering. Привлекает широкий спектр студентов бакалавриата и магистратуры к экспертиментальному обучению с композитными технологиями.