IACMI: Pioneros en innovación en fabricación avanzada de compuestos

Miembros de IACMI en CAMX 2019. Fuente | IACMI

Desde su lanzamiento en 2015, el Instituto para la Innovación en Fabricación de Compuestos Avanzados (IACMI — The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) ha construido una red de industria, instituciones académicas y gobiernos federales, estatales y locales que trabajan juntos para mejorar la seguridad energética y económica de 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 Manufacturing USA y apoyado 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 tecnológicas:

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

En el lanzamiento del Instituto, estas áreas fueron identificadas como aquellas en las que una fabricación de compuestos más eficiente en coste, material y energía podría tener un impacto significativo. Desde entonces, la comunidad de compuestos dentro de IACMI ha crecido para apoyar mercados en expansión como infraestructura, defensa y transporte para mejorar las necesidades de seguridad de EE. UU.

En 2016, IACMI lideró el desarrollo de una hoja de ruta para guiar el avance y la comercialización de compuestos de bajo coste y eficientes energéticamente dentro de las cinco áreas tecnológicas. Desarrollada con la participación de partes interesadas de la industria, la hoja de ruta identificó I+D prometedora necesaria para reducir el riesgo de implementación tecnológica y desarrollar una cadena de suministro robusta 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: reducción del 25 % en el coste de polímero reforzado con fibra de carbono (PRFC), reducción del 50 % en la energía incorporada en PRFC y 80 % de reciclabilidad o reutilización en productos útiles.

Una red de innovación colaborativa

Durante los últimos cinco años, la hoja de ruta ha proporcionado el catalizador para que IACMI y sus miembros lancen esfuerzos colaborativos de demostración tecnológica. Se han invertido más de 70 millones de dólares 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 IACMI y hacer progresos tangibles hacia sus objetivos técnicos. Al comenzar 2020, reflexionamos sobre ejemplos recientes de proyectos en nuestras áreas tecnológicas.

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 la producción de alto volumen de piezas compuestas. Además, los productos fabricados a partir de fibras de carbono discontinuas recuperadas demandan una fracción de la energía necesaria para producir material virgen con solo reducciones menores en propiedades mecánicas. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) y socios demostraron un capó interior de automoción moldeado por compresión novedoso usando preimpregnados de éster vinílico sin diluyentes que redujeron el coste de fabricación en un 22 %, redujeron la energía incorporada en un 33 %, prolongaron la estabilidad de vida en estantería, eliminaron la necesidad de almacenamiento refrigerado, mejoraron significativamente la resistencia interfacial resina-fibra y permitieron oportunidades de reciclaje y reutilización de residuos de preimpregnado. La Asociación Americana de Fabricantes de Compuestos (ACMA, Arlington, Va.) y socios del proyecto, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Míchigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, Knoxville, Tennessee), también están desarrollando un método de pirólisis de bajo calor escalable para recuperar materiales valiosos de residuos compuestos dedicados o de corriente mixta.

Modelado y simulación: Las herramientas de modelado y simulación ayudan a los diseñadores a predecir el comportamiento estructural, reducir pasos de producción, optimizar el diseño y gestionar pruebas de productos y desarrollo de prototipos para productos compuestos. El propio Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) de IACMI proporciona a los miembros acceso seguro basado en web a herramientas de simulación comerciales para resolver problemas de diseño, fabricación y rendimiento de materiales compuestos. DuPont (Troy, Míchigan), Fibrtec (Atlanta, Texas) y la Universidad Purdue (West Lafayette, Indiana) utilizaron herramientas de modelado predictivo para demostrar cómo los materiales de tow-preg flexible de fibra de carbono/poliamida de Fibrtec y la tecnología de Formación Rápida de Tejido (RFF) de DuPont podrían reducir el coste 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 masa del vehículo, pero su implementación se ve limitada por altos costes, largos tiempos de producción, unibilidad poco fiable, baja reciclabilidad y una cadena de suministro subdesarrollada. Las tecnologías de moldeo de compuestos altamente automatizadas para intermedios compuestos de forma casi neta pueden mejorar la flexibilidad de diseño al mismo 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 preimpregnados para desarrollar y optimizar una tecnología de moldeo rápido de preimpregnado de fibra de carbono que reduce el coste de componentes automotrices objetivo en un 15 %. Mientras tanto, Ford (Dearborn, Míchigan) con DowAksa (Marietta, Georgia), Dow Chemical (Midland, Míchigan), ORNL, Universidad Estatal de Míchigan (Lansing, Míchigan), Universidad de Tennessee (Knoxville, Tennessee) y Universidad Purdue desarrollaron un nuevo sistema de resina epoxi así como un compuesto de moldeo en lámina (SMC) de fibra de carbono picada adecuado para producción de alto volumen de más de 100.000 piezas automotrices al 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 alternativa de bajas emisiones a la gasolina y el diésel. Los tanques CGS basados en compuestos termoplásticos pueden mejorar las características de reciclabilidad al final de su vida útil, mientras que las estrategias de automatización pueden permitir la producción de bajo coste y alto volumen para su implementación por fabricantes de automóviles. DuPont con Steelhead Composites LLC (Golden, Colorado), Centro de Prototipado de Compuestos (CPC, Plainview, Nueva York) y el Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton (UDRI, Dayton, Ohio) diseñaron un nuevo proceso de fabricación y sistema de resina termoplástica que reduce el peso del componente, mejora la reciclabilidad, aumenta la resistencia al daño y reduce los costes de producción hasta en un 20 %.

Turbinas eólicas: Aunque se necesitan palas de turbinas eólicas más ligeras y largas para aumentar la eficiencia y capacidad de generación de energía, las tecnologías compuestas actuales para producir estas palas son lentas de producir, económicamente difíciles de reciclar y cada vez más difíciles de transportar de fábrica a campo. TPI Composites (Scottsdale, Arizona), Arkema Inc. (King of Prussia, Pensilvania), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Míchigan), Strongwell (Bristol, Virginia), DowAksa USA, Chomarat North America (Williamston, Carolina del Sur), Composites One (Arlington Heights, Illinois), SikaAxson (ahora Sika Advanced Resins, Madison Heights, Míchigan), Creative Foam (Fenton, Míchigan) y Chem-Trend (Howell, Míchigan) demostraron con éxito una pala de turbina eólica de 9 metros a escala completa e introdujeron un nuevo proceso de moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) para compuestos termoplásticos que reduce los costes de producción y mejora la reciclabilidad en comparación con compuestos basados en termoestables. Además, Arkema y socios, incluyendo Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, Carolina del Norte), SAERTEX USA LLC (Huntersville, Carolina del Norte), General Electric Co. (Boston, Massachusetts), TPI Composites Inc., Universidad de Tennessee, Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, Golden, Colorado) y la Escuela de Minas de Colorado (Golden) desarrollaron un nuevo método de soldadura térmica sin adhesivo para compuestos termoplásticos que reduce los defectos de fabricación en comparación con métodos de unión adhesiva y sienta las bases como una posible solución para el montaje in situ de palas de turbinas eólicas más largas.

Estos y otros proyectos colaborativos de IACMI están impulsando la comercialización; más de 10 nuevos productos están ahora disponibles comercialmente gracias a los resultados de la colaboración de IACMI, e incluyen costes reducidos mediante curado rápido, longevidad extendida del producto y tecnologías de fabricación eficientes.

Instalaciones, recursos y desarrollo de fuerza laboral de I+D de clase mundial

Además de proyectos colaborativos, uno de los diferenciadores clave de IACMI son sus entornos listos para producción para la innovación, estratégicamente ubicados en todo el país. Por ejemplo, la Instalación de Investigación de Escalado (SURF) de IACMI, ubicada en Detroit, Míchigan, ofrece más de 50.000 pies cuadrados de espacio de colaboración, equipos de fabricación de compuestos a escala de producción y espacios de preparación analítica y 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 Compuestos del Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton (UDRI) en Ohio cuenta con celdas de trabajo de fabricación a escala completa e incubación de pequeñas empresas. UDRI ha colaborado con más de 20 miembros de IACMI con sede en Ohio para avanzar en preimpregnados de curado rápido y materiales de moldeo en lámina, resinas de éster vinílico, utillaje fabricado aditivamente para grandes aeroestructuras compuestas, 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 de Fabricación y Educación de Compuestos (CoMET) proporciona una instalación de 10.000 pies cuadrados en Colorado. En CoMET, socios industriales e investigadores universitarios pueden diseñar, prototipar, probar y fabricar materiales y componentes de palas de turbinas eólicas de escala megavatio, incluyendo tapas de larguero de fibra de carbono pultrudadas, acabados de fibra de vidrio especializados y nuevas resinas termoplásticas.

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

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

• capacitado a más de 2.000 participantes en talleres prácticos,
• involucrado a más de 9.000 estudiantes de K-12 en actividades y oportunidades STEM y
• acogido a más de 100 pasantes — el 100 % de los cuales se han graduado con una oferta de empleo en la industria o aceptación en programa de posgrado dentro de los seis meses posteriores a su 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 robusta, reducir el riesgo técnico para los fabricantes y fomentar la próxima fuerza laboral de compuestos. Pero nuestro éxito depende de la participación de la comunidad de fabricación de compuestos, así como de un flujo continuo de proyectos para alimentar el canal de innovación. Más información sobre cómo unirnos en iacmi.org.

Sobre el autor

Uday Vaidya sirve como Director de la Instalación de Fibras y Fabricación de Compuestos de la Universidad de Tennessee (FCMF), Director de Tecnología de IACMI, y es la Cátedra del Gobernador de la Universidad de Tennessee-Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Fabricación Avanzada de Compuestos. Vaidya es experto en fabricación y desarrollo de productos con compuestos de polímero reforzado con fibra. Vaidya sirve como Editor en Jefe de la revista Composites B: Engineering de Elsevier. Involucra a una amplia gama de estudiantes de pregrado y posgrado en aprendizaje experiencial con tecnologías de compuestos.