IACMI:Impulsando la innovación en la industria de compuestos avanzados

Miembros de IACMI en CAMX 2019. Fuente | IACMI

Desde su lanzamiento en 2015, el Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI - The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) Ha construido una red de industrias, instituciones académicas y gobiernos federales, estatales y locales que están trabajando juntos para mejorar la seguridad energética y económica de los Estados Unidos a través del desarrollo de tecnología de compuestos. Este consorcio incluye más de 160 miembros en 31 estados, más de 130 empresas y 17 institutos académicos. Lanzado como el quinto Instituto de Innovación de Fabricación de EE. UU. Y respaldado por la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU., IACMI ha demostrado sus capacidades durante los últimos cinco años para acelerar el desarrollo de compuestos avanzados en cinco áreas de tecnología:

• materiales y procesos compuestos,
• almacenamiento de gas comprimido (CGS),
• vehículos,
• turbinas eólicas, y
• diseño, modelado y simulación.

En el lanzamiento del Instituto, estas áreas se identificaron como aquellas en las que la fabricación de compuestos más eficientes en costos, materiales y energía podría tener un impacto significativo. Desde entonces, la comunidad de materiales compuestos dentro de IACMI ha crecido para respaldar la expansión de mercados como la infraestructura, la defensa y el transporte para mejorar las necesidades de seguridad de EE. UU.

En 2016, IACMI lideró el desarrollo de una hoja de ruta para orientar el avance y la comercialización de compuestos de bajo costo y eficiencia energética dentro de las cinco áreas tecnológicas. Desarrollada con el compromiso de las partes interesadas de la industria, la hoja de ruta identificó la I + D prometedora necesaria para reducir el riesgo de implementación de tecnología y desarrollar una cadena de suministro sólida para la industria de compuestos avanzados. Específicamente, la hoja de ruta describió más de 200 vías tecnológicas para lograr los objetivos técnicos declarados de IACMI de reducción del 25% en el costo del polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP), reducción del 50% en la energía incorporada de CFRP y 80% de reciclabilidad o reutilización en productos útiles.

Una red de innovación colaborativa

Durante los últimos cinco años, la hoja de ruta ha servido de catalizador para que IACMI y sus miembros lancen esfuerzos de demostración de tecnología colaborativa. Se han invertido más de $ 70 millones en más de 50 proyectos de I + D liderados por la industria, con la participación de 90 empresas miembro. Estos proyectos financiados se alinean con las actividades de mayor prioridad de la hoja de ruta para abordar las necesidades de los miembros de la IACMI y lograr un progreso tangible hacia sus objetivos técnicos. A medida que comienza 2020, reflexionamos sobre ejemplos de proyectos recientes en nuestras áreas de tecnología.

Materiales y procesos compuestos: Las resinas y adhesivos de curado rápido pueden ayudar a los fabricantes a reducir los tiempos de ciclo necesarios para lograr una producción de alto volumen de piezas compuestas. Además, los productos fabricados a partir de fibras de carbono discontinuas recuperadas exigen una fracción de la energía necesaria para producir material virgen con solo pequeñas reducciones en las propiedades mecánicas. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) y sus socios demostraron un interior de capó automotriz moldeado por compresión novedoso que utiliza preimpregnados de éster de vinilo sin diluyentes que reducen el costo de fabricación en un 22%, reducen la energía incorporada en un 33%, prolongan la estabilidad de la vida útil y eliminan la necesidad de almacenamiento refrigerado, mejoró significativamente la resistencia interfacial resina-fibra, y permitió oportunidades de reciclaje y reutilización para la chatarra preimpregnada. La Asociación Estadounidense de Fabricantes de Materiales Compuestos (ACMA, Arlington, Virginia) y los socios del proyecto, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National Laboratorio (ORNL, Knoxville, Tennessee), también están desarrollando un método de pirólisis escalable de bajo calor para recuperar materiales valiosos de desechos compuestos de corrientes mezcladas o dedicadas.

Modelado y simulación: Las herramientas de modelado y simulación ayudan a los diseñadores a predecir el comportamiento estructural, reducir los pasos de producción, optimizar el diseño y gestionar las pruebas de productos y el desarrollo de prototipos para productos compuestos. El propio Composite Virtual Factory HUB de IACMI (cvfHUB) proporciona a los miembros acceso seguro basado en la web a herramientas de simulación comerciales para resolver problemas de diseño, fabricación y rendimiento de materiales compuestos. DuPont (Troy, Michigan), Fibrtec (Atlanta, Texas) y Purdue University (West Lafayette, Indiana) utilizaron herramientas de modelado predictivo para demostrar cómo los materiales compuestos flexibles de fibra de carbono / poliamida Tow-preg de Fibrtec y la formación rápida de tejidos de DuPont (RFF) ) la tecnología de procesamiento podría reducir el costo y el desperdicio de fibra de carbono en un 30% y la energía incorporada en un 40%.

Vehículos: Los compuestos reforzados con fibra ayudan a los fabricantes de automóviles a maximizar las oportunidades de reducción de la masa de vehículos, pero su implementación se ve limitada por los altos costos, los largos tiempos de producción, la unión poco confiable, la baja reciclabilidad y una cadena de suministro subdesarrollada. Las tecnologías de moldeo de compuestos altamente automatizadas para compuestos intermedios de forma casi neta pueden mejorar la flexibilidad del diseño al tiempo que reducen los tiempos de ciclo de fabricación y el desperdicio. Toray Composites (Tacoma, Washington) se asoció con expertos en la cadena de suministro de prepreg para desarrollar y optimizar una tecnología de moldeo rápido de prepreg de fibra de carbono que reduce el costo de los componentes automotrices específicos en un 15%. Mientras tanto, Ford (Dearborn, Michigan) con DowAksa (Marietta, Georgia), Dow Chemical (Midland, Michigan), ORNL, Michigan State University (Lansing, Michigan), University of Tennessee (Knoxville, Tennessee) y Purdue La Universidad desarrolló un novedoso sistema de resina epoxi, así como un compuesto de moldeado de láminas de fibra de carbono picado (SMC) adecuado para una producción de alto volumen que supere las 100.000 piezas de automóviles por año.

Almacenamiento de gas comprimido (CGS) :Los materiales compuestos pueden ayudar a satisfacer la creciente demanda de recipientes de gas natural comprimido, y eventualmente, tanques de almacenamiento de hidrógeno, como una alternativa de bajas emisiones a la gasolina y el diesel. Los tanques CGS compuestos a base de termoplásticos pueden mejorar las características de reciclabilidad al final de su vida útil, mientras que las estrategias de automatización pueden permitir una producción de alto volumen y bajo costo para su implementación por parte de los fabricantes de automóviles. DuPont con Steelhead Composites LLC (Goldon, Colorado), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, NY) y el University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) diseñaron un nuevo proceso de fabricación y un sistema de resina termoplástica que reduce el componente. de peso, mejora la reciclabilidad, aumenta la resistencia al daño y reduce los costos de producción hasta en un 20%.

Turbinas eólicas :Si bien se necesitan palas de turbina eólica más livianas y más largas para aumentar la eficiencia y la capacidad de generación de energía, las tecnologías compuestas de hoy para producir estas palas requieren mucho tiempo de producción, son económicamente difíciles de reciclar y cada vez más difíciles de transportar de la fábrica al campo. TPI Composites (Scottsdale, Ariz.), Arkema Inc. (King of Prussia, Pensilvania), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Michigan), Strongwell (Bristol, Va.), DowAksa EE. UU. , Chomarat Norteamérica (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, Illinois), SikaAxson (ahora Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Michigan) y Chem-Trend (Howell, Michigan .) demostró con éxito una pala de turbina eólica de 9 metros a gran escala e introdujo un nuevo proceso de moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) para compuestos termoplásticos que reduce los costos de producción y mejora la reciclabilidad en comparación con los compuestos termoendurecibles. Además, Arkema y sus socios, incluidos Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, NC), SAERTEX USA LLC (Huntersville, NC), General Electric Co. (Boston, Mass.), TPI Composites Inc., University of Tennessee, the National Renewable Energy Laboratory (NREL, Goldon, Colorado) y la Escuela de Minas de Colorado (Golden) desarrollaron un nuevo método de soldadura térmica no adhesiva para compuestos termoplásticos que reduce los defectos de fabricación en comparación con los métodos de unión adhesiva y sienta las bases como una posible solución para on montaje en sitio de palas de aerogenerador más largas.

Estos y otros proyectos de colaboración de IACMI están impulsando la comercialización; más de 10 productos nuevos están ahora disponibles comercialmente debido a los resultados de la colaboración de IACMI e incluyen costos reducidos a través de un curado rápido, una mayor longevidad del producto y tecnologías de fabricación eficientes.

Instalaciones de I + D de primer nivel , recursos y desarrollo de la fuerza laboral

Además de los proyectos colaborativos, uno de los diferenciadores clave de IACMI son sus entornos listos para la producción para la innovación, ubicados estratégicamente en todo el país. Por ejemplo, el Scale-Up Research Facility (SURF) de IACMI, ubicado en Detroit, Michigan, ofrece más de 50,000 pies cuadrados de espacio de colaboración, equipos de fabricación de compuestos a escala de producción y espacios analíticos y de preparación de materiales. SURF es la única instalación piloto de fabricación de compuestos a escala de producción del país abierta a socios industriales, gubernamentales y académicos.

El Laboratorio de materiales compuestos del Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton (UDRI) en Ohio cuenta con celdas de trabajo de fabricación a gran escala e incubación de pequeñas empresas. UDRI se ha asociado con más de 20 miembros de IACMI con sede en Ohio para promover materiales compuestos preimpregnados y de moldeo en láminas de curado rápido, resinas de éster de vinilo, herramientas fabricadas con aditivos para grandes aeroestructuras de compuestos, tecnologías de producción de nanotubos de carbono y más.

Trabajando en conjunto con las capacidades de diseño, análisis y validación estructural de NREL, la Instalación de Tecnología Educativa y de Fabricación de Composites (CoMET) ofrece una instalación de 10,000 pies cuadrados en Colorado. En CoMET, los socios de la industria y los investigadores universitarios pueden diseñar, hacer prototipos, probar y fabricar materiales y componentes de palas de turbinas eólicas a escala de megavatios, incluidas tapas de vástago de fibra de carbono pultruida, tamaños de fibra de vidrio especializados y resinas termoplásticas novedosas.

Por último, en asociación con la Universidad Purdue, el Instituto de Fabricación de Indiana inauguró recientemente su nuevo Centro de Simulación y Fabricación de Composites. El centro sirve como banco de pruebas para que sus socios estatales aprovechen las tecnologías de la Industria 4.0 de próxima generación y desarrollen herramientas de simulación integrales para modelar estructuras de materiales compuestos desde la fabricación hasta el ciclo del producto al final de su vida útil.

Además de realizar I + D, IACMI trabaja para fortalecer la fuerza laboral de fabricación de compuestos avanzados. Desde sus inicios, IACMI ha:

• capacitó a más de 2,000 participantes en talleres prácticos,
• involucró a más de 9,000 estudiantes K-12 en actividades y oportunidades STEM y
• acogió a más de 100 pasantes, el 100% de los cuales se graduó con una oferta de trabajo en la industria o la aceptación de un programa de posgrado dentro de los seis meses posteriores a la graduación de sus programas académicos.

Esta columna es la primera de una serie que destaca el trabajo de IACMI y sus socios. En IACMI estamos comprometidos con el futuro de la fabricación de compuestos avanzados y estamos catalizando activamente los esfuerzos de la industria para desarrollar una cadena de suministro sólida, reducir el riesgo técnico para los fabricantes y fomentar la fuerza laboral de compuestos de próxima generación. Pero nuestro éxito depende de la participación de la comunidad de fabricación de compuestos, así como de un flujo continuo de proyectos para alimentar la línea de innovación. Obtenga más información sobre cómo unirse a nosotros en iacmi.org.

Acerca del autor

Uday Vaidya se desempeña como Director de la Instalación de Fabricación de Fibras y Composites (FCMF) de la Universidad de Tennessee, Director de Tecnología de IACMI, y es la Cátedra del Gobernador del Laboratorio Nacional de la Universidad de Tennessee-Oak Ridge en Fabricación Avanzada de Composites. Vaidya es experta en la fabricación y desarrollo de productos con compuestos poliméricos reforzados con fibra. Vaidya se desempeña como editora en jefe de la revista Composites B:Engineering de Elsevier. Involucra a una amplia gama de estudiantes de pregrado y posgrado en el aprendizaje experiencial con tecnologías compuestas.