IACMI:Innovationsförderung in der fortschrittlichen Verbundwerkstoffindustrie

IACMI-Mitglieder auf der CAMX 2019. Quelle | IACMI

Seit seiner Gründung im Jahr 2015 hat das Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI – The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, USA) ein Netzwerk aus Industrie, akademischen Einrichtungen und Bundes-, Landes- und Kommunalverwaltungen aufgebaut, die zusammenarbeiten, um Verbesserungen zu erzielen die Energie- und Wirtschaftssicherheit der Vereinigten Staaten durch die Entwicklung der Verbundwerkstofftechnologie. Dieses Konsortium umfasst mehr als 160 Mitglieder in 31 Staaten, mehr als 130 Unternehmen und 17 akademische Institute. Als fünftes Manufacturing USA Innovation Institute gegründet und vom Advanced Manufacturing Office des US-Energieministeriums unterstützt, hat IACMI in den letzten fünf Jahren seine Fähigkeiten bewiesen, die Entwicklung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe in fünf Technologiebereichen zu beschleunigen:

• Verbundwerkstoffe und -verfahren
• Druckgasspeicher (CGS),
• Fahrzeuge,
• Windturbinen und
• Design, Modellierung und Simulation.

Bei der Gründung des Instituts wurden diese Bereiche als diejenigen identifiziert, in denen eine kosten-, material- und energieeffizientere Composite-Herstellung signifikante Auswirkungen haben könnte. Seitdem ist die Verbundwerkstoff-Community innerhalb der IACMI gewachsen, um expandierende Märkte wie Infrastruktur, Verteidigung und Transport zu unterstützen, um die Sicherheitsbedürfnisse der USA zu verbessern.

Im Jahr 2016 leitete IACMI die Entwicklung einer Roadmap, um die Weiterentwicklung und Kommerzialisierung kostengünstiger, energieeffizienter Verbundwerkstoffe in den fünf Technologiebereichen zu lenken. Die Roadmap wurde unter Einbeziehung von Interessenvertretern der Branche entwickelt und identifizierte vielversprechende F&E, die erforderlich sind, um das Risiko der Technologieimplementierung zu reduzieren und eine robuste Lieferkette für die fortschrittliche Verbundwerkstoffindustrie zu entwickeln. Insbesondere skizzierte die Roadmap mehr als 200 Technologiepfade zur Erreichung der erklärten technischen Ziele von IACMI, nämlich eine Reduzierung der Kosten für kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) um 25 %, eine Reduzierung der CFK-Energie um 50 % und eine 80 %ige Recyclingfähigkeit oder Wiederverwendung zu nützlichen Produkten.

Ein kollaboratives Innovationsnetzwerk

In den letzten fünf Jahren war die Roadmap der Katalysator für die IACMI und ihre Mitglieder, um gemeinsame Anstrengungen zur Demonstration von Technologien zu starten. Mehr als 70 Millionen US-Dollar wurden in mehr als 50 von der Industrie geleitete F&E-Projekte mit Beteiligung von 90 Mitgliedsunternehmen investiert. Diese finanzierten Projekte stimmen mit den Aktivitäten der höchsten Priorität des Fahrplans überein, um sowohl die Bedürfnisse der IACMI-Mitglieder zu erfüllen als auch greifbare Fortschritte in Richtung ihrer technischen Ziele zu erzielen. Zu Beginn des Jahres 2020 reflektieren wir über aktuelle Projektbeispiele in unseren Technologiebereichen.

Verbundwerkstoffe und -verfahren: Schnell härtende Harze und Klebstoffe können Herstellern helfen, die Zykluszeiten zu verkürzen, die für die Großserienproduktion von Verbundteilen erforderlich sind. Darüber hinaus erfordern Produkte aus wiedergewonnenen diskontinuierlichen Kohlenstoffasern einen Bruchteil der Energie, die für die Herstellung von Neumaterial benötigt wird, bei nur geringen Beeinträchtigungen der mechanischen Eigenschaften. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) und Partner demonstrierten ein neuartiges formgepresstes Motorhaubeninneres unter Verwendung von verdünnungsfreien Vinylester-Prepregs, das die Herstellungskosten um 22 % reduzierte, die graue Energie um 33 % reduzierte, die Haltbarkeitsstabilität verlängerte und die Notwendigkeit von Kühllagerung, verbesserte die Grenzflächenfestigkeit zwischen Harz und Faser erheblich und ermöglichte Recycling- und Wiederverwendungsmöglichkeiten für Prepreg-Schrott. Die American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Virginia) und Projektpartner, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Knoxville, Tennessee) entwickeln außerdem ein skalierbares Pyrolyseverfahren mit geringer Hitze, um wertvolle Materialien aus dedizierten oder gemischten Verbundabfällen zurückzugewinnen.

Modellierung und Simulation: Modellierungs- und Simulationstools helfen Designern, das strukturelle Verhalten vorherzusagen, Produktionsschritte zu reduzieren, das Design zu optimieren und Produkttests und Prototypenentwicklung für Verbundprodukte zu verwalten. Der IACMI-eigene Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) bietet Mitgliedern einen sicheren, webbasierten Zugang zu kommerziellen Simulationstools zur Lösung von Konstruktions-, Fertigungs- und Leistungsproblemen von Verbundwerkstoffen. DuPont (Troy, Michigan), Fibrtec (Atlanta, Texas) und die Purdue University (West Lafayette, Ind.) verwendeten prädiktive Modellierungswerkzeuge, um zu demonstrieren, wie die flexiblen Kohlefaser/Polyamid-Verbund-Tow-Preg-Materialien von Fibrtec und die Rapid Fabric Formation (RFF .) von DuPont ) könnte die Verarbeitungstechnologie die Kosten und den Kohlefaserabfall um 30 % und die graue Energie um 40 % reduzieren.

Fahrzeuge: Faserverstärkte Verbundwerkstoffe helfen Automobilherstellern, die Möglichkeiten zur Reduzierung der Fahrzeugmasse zu maximieren, ihre Umsetzung wird jedoch durch hohe Kosten, lange Produktionszeiten, unzuverlässige Fügbarkeit, geringe Recyclingfähigkeit und eine unterentwickelte Lieferkette eingeschränkt. Hochautomatisierte Verbundformtechnologien für endkonturnahe Verbundzwischenprodukte können die Designflexibilität erhöhen und gleichzeitig die Produktionszykluszeiten und den Ausschuss reduzieren. Toray Composites (Tacoma, Washington) hat sich mit Prepreg-Lieferkettenexperten zusammengetan, um eine schnelle Prepreg-Formgebungstechnologie für Kohlefaser zu entwickeln und zu optimieren, die die Kosten für gezielte Automobilkomponenten um 15 % senkt. Inzwischen Ford (Dearborn, MI) mit DowAksa (Marietta, Georgia), Dow Chemical (Midland, MI), ORNL, Michigan State University (Lansing, MI), University of Tennessee (Knoxville, Tennessee) und Purdue Die Universität hat ein neuartiges Epoxidharzsystem sowie eine geschnittene Kohlefaser-Blattformmasse (SMC) entwickelt, die für die Massenproduktion von über 100.000 Automobilteilen pro Jahr geeignet ist.

Druckgasspeicher (CGS) :Verbundwerkstoffe können dazu beitragen, die wachsende Nachfrage nach Behältern für komprimiertes Erdgas – und schließlich nach Wasserstoffspeichertanks – als emissionsarme Alternative zu Benzin und Diesel zu decken. CGS-Tanks aus thermoplastischem Verbundwerkstoff können die Recyclingfähigkeitseigenschaften am Ende der Lebensdauer verbessern, während Automatisierungsstrategien eine kostengünstige Massenproduktion für die Implementierung durch Automobilhersteller ermöglichen können. DuPont hat zusammen mit Steelhead Composites LLC (Goldon, Colorado), dem Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, NY) und dem University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) einen neuen Herstellungsprozess und ein thermoplastisches Harzsystem entwickelt, das Komponenten reduziert Gewicht, verbessert die Recyclingfähigkeit, erhöht die Schadensresistenz und senkt die Produktionskosten um bis zu 20 %.

Windkraftanlagen :Während leichtere und längere Rotorblätter von Windkraftanlagen benötigt werden, um die Effizienz und Kapazität der Stromerzeugung zu steigern, sind die heutigen Verbundtechnologien zur Herstellung dieser Rotorblätter zeitaufwändig in der Herstellung, wirtschaftlich schwierig zu recyceln und immer schwieriger von der Fabrik zum Feld zu transportieren. TPI Composites (Scottsdale, Arizona), Arkema Inc. (König von Preußen, Pennsylvania), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Michigan), Strongwell (Bristol, Virginia), DowAksa USA , Chomarat North America (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, Illinois), SikaAxson (jetzt Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Michigan) und Chem-Trend (Howell, Michigan) .) demonstrierte erfolgreich ein 9-Meter-Windturbinenblatt im Originalmaßstab und führte ein neues vakuumunterstütztes Resin Transfer Moulding (VARTM)-Verfahren für thermoplastische Verbundwerkstoffe ein, das die Produktionskosten senkt und die Recyclingfähigkeit im Vergleich zu duroplastischen Verbundwerkstoffen verbessert. Darüber hinaus haben Arkema und Partner, darunter Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, NC), SAERTEX USA LLC (Huntersville, NC), General Electric Co. (Boston, MA), TPI Composites Inc., University of Tennessee, die National Renewable Energy Laboratory (NREL, Goldon, Colorado) und die Colorado School of Mines (Golden) haben ein neuartiges nichtklebendes thermisches Schweißverfahren für thermoplastische Verbundwerkstoffe entwickelt, das Herstellungsfehler im Vergleich zu Klebeverfahren reduziert und die Grundlage als potenzielle Lösung für on -Montage von längeren Windturbinenblättern vor Ort.

Diese und andere IACMI-Kooperationsprojekte treiben die Kommerzialisierung voran; Aufgrund der Ergebnisse der Zusammenarbeit mit IACMI sind jetzt mehr als 10 neue Produkte im Handel erhältlich und beinhalten reduzierte Kosten durch schnelle Aushärtung, verlängerte Produktlebensdauer und effiziente Herstellungstechnologien.

Erstklassige Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen , Ressourcen- und Personalentwicklung

Neben Kooperationsprojekten ist eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale von IACMI seine produktionsbereiten Umgebungen für Innovation, die strategisch im ganzen Land verteilt sind. Zum Beispiel bietet die Scale-Up Research Facility (SURF) des IACMI in Detroit, Michigan, mehr als 50.000 Quadratfuß Kollaborationsfläche, Produktionsanlagen für Verbundwerkstoffe sowie Analyse- und Materialvorbereitungsräume. SURF ist die einzige landesweit einzige Pilotanlage zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die industriellen, staatlichen und akademischen Partnern offen steht.

Das Composites Laboratory des University of Dayton Research Institute (UDRI) in Ohio verfügt über Produktionszellen im großen Maßstab und die Inkubation für kleine Unternehmen. UDRI hat sich mit mehr als 20 IACMI-Mitgliedern aus Ohio zusammengetan, um schnell härtende Prepreg- und Plattenformverbundmaterialien, Vinylesterharze, additiv gefertigte Werkzeuge für große Verbundwerkstoff-Flugzeugstrukturen, Technologien zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren und mehr voranzutreiben.

In Zusammenarbeit mit den Konstruktions-, Analyse- und Strukturvalidierungskapazitäten von NREL bietet die Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) eine 10.000 Quadratmeter große Anlage in Colorado. Bei CoMET können Industriepartner und Universitätsforscher Materialien und Komponenten für Windturbinenblätter im Megawatt-Maßstab entwerfen, Prototypen testen und herstellen, darunter pultrudierte Kohlefaser-Hornkappen, spezielle Glasfaserschlichten und neuartige thermoplastische Harze.

Schließlich hat das Indiana Manufacturing Institute in Zusammenarbeit mit der Purdue University kürzlich sein neues Composites Manufacturing and Simulation Center eröffnet. Das Zentrum dient seinen staatlichen Partnern als Testumgebung, um die Vorteile von Industrie 4.0-Technologien der nächsten Generation zu nutzen und umfassende Simulationswerkzeuge für die Modellierung von Verbundstrukturen von der Herstellung bis zum Produktlebenszyklus zu entwickeln.

Neben der Durchführung von Forschung und Entwicklung arbeitet IACMI daran, die Belegschaft für die Herstellung von fortschrittlichen Verbundwerkstoffen zu stärken. Seit seiner Gründung hat IACMI:

• hat mehr als 2.000 Teilnehmer in praktischen Workshops geschult,
• hat mehr als 9.000 K-12-Schüler an MINT-Aktivitäten und -Möglichkeiten beteiligt und
• hat mehr als 100 Praktikanten aufgenommen – 100 % von ihnen haben innerhalb von sechs Monaten nach Abschluss ihres akademischen Programms ein Stellenangebot in der Branche oder ein Studienprogramm angenommen.

Diese Kolumne ist die erste in einer Reihe, die die Arbeit der IACMI und ihrer Partner hervorhebt. Wir bei IACMI engagieren uns für die Zukunft der fortschrittlichen Herstellung von Verbundwerkstoffen und katalysieren aktiv die Bemühungen der Industrie, eine robuste Lieferkette zu entwickeln, das technische Risiko für Hersteller zu reduzieren und die Arbeitskräfte der nächsten Generation von Verbundwerkstoffen zu fördern. Unser Erfolg hängt jedoch von der Teilnahme der Gemeinschaft der Verbundwerkstoffhersteller sowie von einer kontinuierlichen Flut von Projekten ab, um die Innovationspipeline zu nähren. Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie uns bei iacmi.org beitreten können.

Über den Autor

Uday Vaidya ist Direktor der Fibers and Composites Manufacturing Facility (FCMF) der University of Tennessee, Chief Technology Officer von IACMI und Vorsitzender des Governors Chair der University of Tennessee-Oak Ridge National Laboratory in Advanced Composites Manufacturing. Vaidya ist Experte für die Herstellung und Produktentwicklung von faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen. Vaidya ist Chefredakteurin von Elseviers Composites B:Engineering Journal. Er engagiert ein breites Spektrum von Studenten und Doktoranden im erfahrungsorientierten Lernen mit Verbundwerkstofftechnologien.