IACMI: Pionier der Innovation in der fortschrittlichen Composite-Fertigung

IACMI-Mitglieder bei CAMX 2019. Quelle: IACMI

Seit seinem Start 2015 hat das Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI – The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, USA) ein Netzwerk aus Industrie, akademischen Institutionen sowie Bundes-, Landes- und lokalen Regierungen aufgebaut, die gemeinsam daran arbeiten, die Energie- und Wirtschaftssicherheit der USA durch Composite-Technologieentwicklung zu verbessern. Dieses Konsortium umfasst über 160 Mitglieder in 31 Bundesstaaten, mehr als 130 Unternehmen und 17 akademische Institute. Als fünftes Manufacturing USA Innovation Institute gestartet und vom Advanced Manufacturing Office des US-Energieministeriums unterstützt, hat IACMI in den letzten fünf Jahren seine Fähigkeiten in fünf Technologiebereichen bewiesen:

• Composite-Materialien und -Prozesse,
• Verdichtete Gasspeicherung (CGS),
• Fahrzeuge,
• Windturbinen, und
• Design, Modellierung und Simulation.

Bei Institutsgründung wurden diese Bereiche als jene identifiziert, in denen kostengünstigere, material- und energieeffizientere Composite-Fertigung signifikante Auswirkungen haben könnte. Seitdem ist die Composite-Community innerhalb von IACMI gewachsen, um expandierende Märkte wie Infrastruktur, Verteidigung und Transport zu unterstützen und US-Sicherheitsbedürfnisse zu stärken.

2016 leitete IACMI die Entwicklung einer Roadmap zur Steuerung der Weiterentwicklung und Kommerzialisierung kostengünstiger, energieeffizienter Composites in den fünf Technologiebereichen. Mit Einbindung von Industrie-Stakeholdern entwickelt, identifizierte die Roadmap vielversprechende F&E-Bedarfe zur Reduzierung von Technologieimplementierungsrisiken und Entwicklung einer robusten Lieferkette für die Advanced-Composites-Industrie. Konkret skizzierte die Roadmap mehr als 200 Technologiepfade zur Erreichung von IACMIs technischen Zielen: 25 % Reduktion der CFK-Kosten, 50 % Reduktion der CFK-embodied energy und 80 % Recyclingfähigkeit oder Wiederverwendung in nützliche Produkte.

Ein kollaboratives Innovationsnetzwerk

In den letzten fünf Jahren lieferte die Roadmap den Katalysator für IACMI und seine Mitglieder, kollaborative Technologie-Demonstrationsprojekte zu starten. Mehr als 70 Millionen Dollar wurden in über 50 industriegeführte F&E-Projekte investiert, mit Beteiligung von 90 Mitgliedsunternehmen. Diese geförderten Projekte richten sich nach den höchsten Prioritäten der Roadmap, um sowohl Mitgliederbedürfnisse zu adressieren als auch greifbare Fortschritte in Richtung der technischen Ziele zu erzielen. Zum Start von 2020 blicken wir auf jüngste Projektbeispiele in unseren Technologiebereichen.

Composite-Materialien und -Prozesse: Schnell aushärtende Harze und Klebstoffe helfen Herstellern, Zykluszeiten für die Hochvolumenproduktion von Composite-Teilen zu reduzieren. Zudem benötigen Produkte aus recycelten discontinuous Carbonfasern nur einen Bruchteil der Energie für Neumaterial bei nur geringfügigen Reduktionen mechanischer Eigenschaften. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) und Partner demonstrierten einen neuartigen, kompressionsgeformten Automotive-Hood-Inner aus verdünnungsfreien Vinylester-Prepregs, der Fertigungskosten um 22 % senkte, embodied energy um 33 % reduzierte, Lagerstabilität verlängerte, Kühllagerung überflüssig machte, die Harz-Faser-Grenzflächenfestigkeit signifikant verbesserte und Recycling- und Wiederverwendungsmöglichkeiten für Prepreg-Abfall eröffnete. Der American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, VA) und Projektpartner Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, MI), CHZ Technologies (Austintown, OH), A. Schulman (Fairlawn, OH), Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Knoxville, TN) entwickeln zudem eine skalierbare Niedertemperatur-Pyrolyse-Methode zur Rückgewinnung wertvoller Materialien aus dedizierten oder gemischten Composite-Abfallströmen.

Modellierung und Simulation: Modellierungs- und Simulationswerkzeuge helfen Designern, strukturelles Verhalten vorherzusagen, Produktionsschritte zu reduzieren, Designs zu optimieren und Produkttests sowie Prototypenentwicklung für Composite-Produkte zu managen. IACMIs eigene Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) bietet Mitgliedern sicheren, webbasierten Zugriff auf kommerzielle Simulationswerkzeuge für Design-, Fertigungs- und Leistungsfragen von Composite-Materialien. DuPont (Troy, MI), Fibrtec (Atlanta, TX) und Purdue University (West Lafayette, IN) nutzten prädiktive Modellierungswerkzeuge, um zu demonstrieren, wie Fibrtecs flexible Carbonfaser/Polyamid-Composite-Tow-Preg-Materialien und DuPonts Rapid Fabric Formation (RFF) Verarbeitungstechnologie Kosten und Carbonfaser-Abfall um 30 % und embodied energy um 40 % reduzieren könnten.

Fahrzeuge: Faserverstärkte Composites helfen Autoherstellern, Masse zu reduzieren, aber ihre Implementierung wird durch hohe Kosten, lange Produktionszeiten, unzuverlässige Fügbarkeit, geringe Recyclingfähigkeit und eine unterentwickelte Lieferkette begrenzt. Hochautomatisierte Composite-Formtechnologien für Near-Net-Shape-Composite-Zwischenprodukte können Designflexibilität erhöhen und gleichzeitig Fertigungszykluszeiten und Abfall reduzieren. Toray Composites (Tacoma, WA) partnerschaftlich mit Prepreg-Lieferketten-Experten, um eine schnelle Carbonfaser-Prepreg-Formtechnologie zu entwickeln und zu optimieren, die Kosten gezielter Automotive-Komponenten um 15 % senkt. Gleichzeitig entwickelten Ford (Dearborn, MI) mit DowAksa (Marietta, GA), Dow Chemical (Midland, MI), ORNL, Michigan State University (Lansing, MI), University of Tennessee (Knoxville, TN) und Purdue University ein neuartiges Epoxidharzsystem sowie ein gehacktes Carbonfaser-Sheet-Molding-Compound (SMC) für Hochvolumenproduktion von über 100.000 Automotive-Teilen pro Jahr.

Verdichtete Gasspeicherung (CGS): Composite-Materialien können helfen, die wachsende Nachfrage nach CNG-Behältern – und schließlich Wasserstoffspeichertanks – als emissionsarme Alternative zu Benzin und Diesel zu decken. Thermoplast-basierte Composite-CGS-Tanks können End-of-Life-Recyclingfähigkeit verbessern, während Automatisierungsstrategien kostengünstige Hochvolumenproduktion für die Implementierung durch Autohersteller ermöglichen. DuPont mit Steelhead Composites LLC (Golden, CO), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, NY) und University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, OH) entwarfen einen neuen Fertigungsprozess und thermoplast-basiertes Harzsystem, das Komponentengewicht reduziert, Recyclingfähigkeit verbessert, Schadensbeständigkeit erhöht und Produktionskosten um bis zu 20 % senkt.

Windturbinen: Während leichtere und längere Windturbinenblätter zur Steigerung von Effizienz und Kapazität benötigt werden, sind heutige Composite-Technologien für diese Blätter zeitaufwändig in der Produktion, wirtschaftlich schwer zu recyceln und zunehmend schwierig vom Werk zum Feld zu transportieren. TPI Composites (Scottsdale, AZ), Arkema Inc. (King of Prussia, PA), Johns Manville (Denver, CO), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, MI), Strongwell (Bristol, VA), DowAksa USA, Chomarat North America (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, IL), SikaAxson (nun Sika Advanced Resins, Madison Heights, MI), Creative Foam (Fenton, MI) und Chem-Trend (Howell, MI) demonstrierten erfolgreich ein vollskaliges 9-Meter-Windturbinenblatt und führten einen neuen Vakuum-unterstützten Resin-Transfer-Molding-Prozess (VARTM) für Thermoplaste ein, der Produktionskosten senkt und Recyclingfähigkeit im Vergleich zu Duroplast-basierten Composites verbessert. Zusätzlich entwickelten Arkema und Partner einschließlich Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, NC), SAERTEX USA LLC (Huntersville, NC), General Electric Co. (Boston, MA), TPI Composites Inc., University of Tennessee, National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, CO) und Colorado School of Mines (Golden) eine neuartige nicht-klebende thermische Schweißmethode für Thermoplaste, die Fertigungsfehler im Vergleich zu Klebeverfahren reduziert und die Grundlage als potenzielle Lösung für die Vor-Ort-Montage längerer Windturbinenblätter legt.

Diese und andere IACMI-Kollaborationsprojekte treiben die Kommerzialisierung voran; mehr als 10 neue Produkte sind nun kommerziell verfügbar aufgrund von IACMI-Kollaborationsergebnissen, einschließlich Kostensenkungen durch schnelles Aushärten, verlängerte Produktlebensdauer und effiziente Fertigungstechnologien.

Weltklasse F&E-Einrichtungen, Ressourcen und Workforce Development

Zusätzlich zu kollaborativen Projekten ist einer von IACMIs Schlüsselunterscheidungsmerkmalen seine produktionsreifen Innovationsumgebungen, strategisch landesweit positioniert. Beispielsweise bietet IACMIs Scale-Up Research Facility (SURF) in Detroit, Michigan, über 4.600 m² Kollaborationsfläche, produktionsskalierte Composite-Fertigungsausrüstung sowie analytische und Materialvorbereitungsräume. SURF ist die einzige pilotproduktionsskalierte Composite-Fertigungsanlage der Nation, die für industrielle, staatliche und akademische Partner offen ist.

Das Composites Laboratory an der University of Dayton Research Institute (UDRI) in Ohio verfügt über vollskalige Fertigungsarbeitszellen und Small-Business-Inkubation. UDRI hat mit über 20 Ohio-basierten IACMI-Mitgliedern zusammengearbeitet, um schnelle Aushärtung Prepreg und SMC-Materialien, Vinylesterharze, additiv gefertigtes Werkzeug für große Composite-Aerostrukturen, Carbon-Nanoröhren-Produktionstechnologien und mehr voranzutreiben.

In Zusammenarbeit mit NRELs Design-, Analyse- und Strukturvalidierungsfähigkeiten bietet die Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) eine 930 m² große Anlage in Colorado. In CoMET können Industriepartner und Universitätsforscher Megawatt-skalen Windturbinenblatt-Materialien und -Komponenten designen, prototypen, testen und fertigen, einschließlich pultrudierter Carbonfaser-Spar-Caps, spezialisierter Glasfaser-Sizings und neuartiger thermoplastischer Harze.

Schließlich eröffnete in Partnerschaft mit der Purdue University das Indiana Manufacturing Institute kürzlich sein neues Composites Manufacturing and Simulation Center. Das Center dient als Testumgebung für seine Bundesstaatspartner, um Next-Generation Industry 4.0-Technologien zu nutzen und umfassende Simulationswerkzeuge für die Modellierung von Composite-Strukturen von der Fertigung bis zum End-of-Life-Produktzyklus zu entwickeln.

Neben F&E arbeitet IACMI an der Stärkung der Advanced-Composites-Manufacturing-Workforce. Seit Gründung hat IACMI:

• mehr als 2.000 Teilnehmer in praxisnahen Workshops geschult,
• mehr als 9.000 K-12-Schüler in STEM-Aktivitäten und -Möglichkeiten eingebunden und
• mehr als 100 Praktikanten betreut – 100 % von ihnen hatten innerhalb von sechs Monaten nach Studienabschluss ein Industrie-Jobangebot oder Graduate-Programm-Zusage.

Dieser Beitrag ist der erste einer Serie, die die Arbeit von IACMI und seinen Partnern hervorhebt. Wir bei IACMI sind der Zukunft der Advanced-Composites-Fertigung verpflichtet und katalysieren aktiv Industrieanstrengungen zur Entwicklung einer robusten Lieferkette, Reduzierung technischer Risiken für Hersteller und Förderung der nächsten Composite-Workforce-Generation. Unser Erfolg hängt jedoch von der Teilnahme der Composite-Fertigungs-Community und einem kontinuierlichen Strom von Projekten ab, die die Innovationspipeline speisen. Erfahren Sie mehr über eine Mitgliedschaft unter iacmi.org.

Über den Autor

Uday Vaidya ist Direktor der University of Tennessee's Fibers and Composites Manufacturing Facility (FCMF), IACMIs Chief Technology Officer und University of Tennessee-Oak Ridge National Laboratory Governor's Chair in Advanced Composites Manufacturing. Vaidya ist Experte für Fertigung und Produktentwicklung mit faserverstärkten Polymer-Composites. Er ist Editor-in-Chief von Elseviers Composites B: Engineering Journal. Er engagiert eine breite Palette von Bachelor- und Masterstudenten in erfahrungsbasiertem Lernen mit Composite-Technologien.