IACMI:Impulsionando a inovação na indústria de compósitos avançados

Membros da IACMI no CAMX 2019. Fonte | IACMI

Desde o seu lançamento em 2015, o Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI - The Composites Institute, Knoxville, Tenn., EUA) construiu uma rede de indústria, instituições acadêmicas e governos federal, estadual e local que estão trabalhando juntos para melhorar a segurança energética e econômica dos Estados Unidos por meio do desenvolvimento de tecnologia de compostos. Este consórcio inclui mais de 160 membros em 31 estados, mais de 130 empresas e 17 institutos acadêmicos. Lançado como o quinto Instituto de Inovação de Fabricação dos EUA e apoiado pelo Escritório de Manufatura Avançada do Departamento de Energia dos EUA, o IACMI provou sua capacidade nos últimos cinco anos para acelerar o desenvolvimento de compósitos avançados em cinco áreas de tecnologia:

• materiais e processos compostos,
• armazenamento de gás comprimido (CGS),
• veículos,
• turbinas eólicas e
• design, modelagem e simulação.

No lançamento do Instituto, essas áreas foram identificadas como aquelas nas quais a fabricação de compósitos com maior eficiência de custos, materiais e energia poderia ter um impacto significativo. Desde então, a comunidade de compósitos dentro do IACMI cresceu para oferecer suporte a mercados em expansão, como infraestrutura, defesa e transporte para aprimorar as necessidades de segurança dos EUA.

Em 2016, o IACMI liderou o desenvolvimento de um roteiro para orientar o avanço e a comercialização de compósitos de baixo custo e com baixo consumo de energia nas cinco áreas de tecnologia. Desenvolvido com o envolvimento das partes interessadas da indústria, o roteiro identificou P&D promissor necessário para reduzir o risco de implementação de tecnologia e desenvolver uma cadeia de abastecimento robusta para a indústria de compósitos avançados. Especificamente, o roteiro descreveu mais de 200 caminhos de tecnologia para atingir as metas técnicas declaradas do IACMI de redução de 25% no custo do polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP), redução de 50% na energia incorporada CFRP e 80% de reciclabilidade ou reutilização em produtos úteis.

Uma rede de inovação colaborativa

Nos últimos cinco anos, o roteiro forneceu o catalisador para o IACMI e seus membros lançarem esforços colaborativos de demonstração de tecnologia. Mais de $ 70 milhões foram investidos em mais de 50 projetos de P&D liderados pela indústria, com a participação de 90 empresas membros. Esses projetos financiados se alinham com as atividades de maior prioridade do roteiro para atender às necessidades dos membros do IACMI e fazer um progresso tangível em direção às suas metas técnicas. No início de 2020, refletimos sobre exemplos de projetos recentes em nossas áreas de tecnologia.

Materiais e processos de compósitos: Resinas e adesivos de cura rápida podem ajudar os fabricantes a reduzir os tempos de ciclo necessários para alcançar a produção de alto volume de peças compostas. Além disso, os produtos feitos de fibras de carbono descontínuas recuperadas exigem uma fração da energia necessária para produzir material virgem, com apenas pequenas reduções nas propriedades mecânicas. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) e parceiros demonstraram um novo capô automotivo moldado por compressão usando pré-impregnados de éster de vinil sem diluente que reduziu o custo de fabricação em 22%, reduziu a energia incorporada em 33%, prolongou a estabilidade da vida útil, eliminou a necessidade de o armazenamento refrigerado melhorou significativamente a resistência interfacial resina-fibra e possibilitou oportunidades de reciclagem e reutilização de sucata pré-impregnada. A American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Va.) E parceiros do projeto, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Knoxville, Tenn.), Também está desenvolvendo um método escalonável de pirólise de baixo calor para recuperar materiais valiosos de resíduos compostos de fluxo dedicado ou misto.

Modelagem e simulação: As ferramentas de modelagem e simulação ajudam os projetistas a prever o comportamento estrutural, reduzir as etapas de produção, otimizar o projeto e gerenciar os testes de produtos e o desenvolvimento de protótipos para produtos compostos. O próprio Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) da IACMI fornece aos membros acesso seguro e baseado na web a ferramentas de simulação comercial para resolver problemas de design, fabricação e desempenho de materiais compostos. DuPont (Troy, Mich.), Fibrtec (Atlanta, Texas) e Purdue University (West Lafayette, Ind.) Usaram ferramentas de modelagem preditiva para demonstrar como os materiais flexíveis de fibra de carbono / poliamida da Fibrtec e a formação rápida de tecido da DuPont (RFF ) a tecnologia de processamento poderia reduzir o custo e o desperdício de fibra de carbono em 30% e a energia incorporada em 40%.

Veículos: Os compósitos reforçados com fibra ajudam os fabricantes de automóveis a maximizar as oportunidades de redução da massa dos veículos, mas sua implementação é limitada por altos custos, longos tempos de produção, capacidade de junção não confiável, baixa reciclabilidade e uma cadeia de suprimentos subdesenvolvida. As tecnologias de moldagem de compósitos altamente automatizadas para intermediários de compósitos de formato quase final podem aumentar a flexibilidade do projeto e, ao mesmo tempo, reduzir o desperdício e o tempo do ciclo de fabricação. A Toray Composites (Tacoma, Wash.) Fez parceria com especialistas da cadeia de suprimentos de prepreg para desenvolver e otimizar uma tecnologia de moldagem de prepreg de fibra de carbono rápida que reduz o custo de componentes automotivos específicos em 15%. Enquanto isso, Ford (Dearborn, Mich.) Com DowAksa (Marietta, Ga.), Dow Chemical (Midland, Michigan), ORNL, Michigan State University (Lansing, Michigan), University of Tennessee (Knoxville, Tenn.) E Purdue A universidade desenvolveu um novo sistema de resina epóxi, bem como um composto de moldagem de folha de fibra de carbono picada (SMC) adequado para a produção em alto volume de mais de 100.000 peças automotivas por ano.

Armazenamento de gás comprimido (CGS) :Os materiais compostos podem ajudar a atender à crescente demanda por recipientes de gás natural comprimido - e, eventualmente, tanques de armazenamento de hidrogênio - como uma alternativa de baixas emissões à gasolina e ao diesel. Os tanques CGS de compostos termoplásticos podem melhorar as características de reciclabilidade no final da vida útil, enquanto as estratégias de automação podem permitir a produção de baixo custo e alto volume para implementação pelos fabricantes automotivos. A DuPont com Steelhead Composites LLC (Goldon, Colorado), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, NY) e o University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) projetaram um novo processo de fabricação e sistema de resina à base de termoplástico que reduz o componente peso, melhora a reciclabilidade, aumenta a resistência a danos e reduz os custos de produção em até 20%.

Turbinas eólicas :Enquanto lâminas de turbina eólica mais leves e mais longas são necessárias para aumentar a eficiência e a capacidade de geração de energia, as tecnologias atuais de compósitos para produzir essas lâminas são demoradas para produzir, economicamente desafiadoras para reciclar e cada vez mais difícil de transportar da fábrica para o campo. TPI Composites (Scottsdale, Ariz.), Arkema Inc. (King of Prussia, Pa.), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Michigan), Strongwell (Bristol, Va.), DowAksa EUA , Chomarat North America (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, Ill.), SikaAxson (agora Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Mich.) E Chem-Trend (Howell, Mich.) .) demonstrou com sucesso uma lâmina de turbina eólica de 9 metros em escala real e introduziu um novo processo de moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM) para compósitos termoplásticos que reduz os custos de produção e melhora a reciclabilidade em comparação com compósitos à base de termofixos. Além disso, a Arkema e parceiros incluindo Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, NC), SAERTEX USA LLC (Huntersville, NC), General Electric Co. (Boston, Massachusetts), TPI Composites Inc., University of Tennessee, National Renewable O Laboratório de Energia (NREL, Goldon, Colorado) e a Escola de Minas do Colorado (Golden) desenvolveram um novo método de soldagem térmica não adesiva para compósitos termoplásticos que reduz defeitos de fabricação em comparação com métodos de colagem adesiva e estabelece a base como uma solução potencial para - montagem no local de lâminas de turbina eólica mais longas.

Esses e outros projetos colaborativos do IACMI estão impulsionando a comercialização; mais de 10 novos produtos estão agora disponíveis comercialmente devido aos resultados da colaboração IACMI e incluem custos reduzidos por meio de cura rápida, longevidade estendida do produto e tecnologias de manufatura eficientes.

Instalações de P&D de classe mundial , recursos e desenvolvimento da força de trabalho

Além dos projetos colaborativos, um dos principais diferenciais do IACMI são seus ambientes prontos para a produção para inovação, estrategicamente localizados em todo o país. Por exemplo, o Scale-Up Research Facility (SURF) do IACMI, localizado em Detroit, Michigan, oferece mais de 50.000 pés quadrados de espaço de colaboração, equipamentos de manufatura de compósitos em escala de produção e espaços analíticos e de preparação de materiais. SURF é a única instalação piloto de manufatura de compósitos em escala de produção do país aberta a parceiros industriais, governamentais e acadêmicos.

O Laboratório de Composites do University of Dayton Research Institute (UDRI) em Ohio apresenta células de trabalho de manufatura em escala real e incubação de pequenas empresas. A UDRI fez parceria com mais de 20 membros do IACMI sediados em Ohio para promover a cura rápida de materiais pré-impregnados e compostos para moldagem de folhas, resinas de éster de vinil, ferramentas manufaturadas de aditivos para grandes aeroestruturas de compósitos, tecnologias de produção de nanotubos de carbono e muito mais.

Trabalhando em conjunto com os recursos de projeto, análise e validação estrutural do NREL, o Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) oferece uma instalação de 10.000 pés quadrados no Colorado. No CoMET, parceiros da indústria e pesquisadores universitários podem projetar, prototipar, testar e fabricar materiais e componentes de pás de turbinas eólicas em escala de megawatts, incluindo cápsulas de fibra de carbono pultrudada, dimensionamento especializado de fibra de vidro e novas resinas termoplásticas.

Finalmente, em parceria com a Purdue University, o Indiana Manufacturing Institute abriu recentemente seu novo Centro de Simulação e Fabricação de Compósitos. O centro serve como um teste para seus parceiros estaduais para aproveitar as vantagens das tecnologias da Indústria 4.0 de próxima geração e desenvolver ferramentas de simulação abrangentes para modelar estruturas de compósitos desde a fabricação até o ciclo do produto no fim da vida.

Além de conduzir P&D, o IACMI trabalha para fortalecer a força de trabalho de fabricação de compósitos avançados. Desde o seu início, o IACMI tem:

• treinou mais de 2.000 participantes em workshops práticos,
• envolveu mais de 9.000 alunos do ensino fundamental e médio em atividades e oportunidades STEM e
• hospedou mais de 100 estagiários - 100% dos quais se formaram com uma oferta de emprego da indústria ou aceitação de um programa de pós-graduação no prazo de seis meses após a graduação em seus programas acadêmicos.

Esta coluna é a primeira de uma série que destaca o trabalho do IACMI e seus parceiros. Nós da IACMI estamos comprometidos com o futuro da fabricação de compósitos avançados e catalisamos ativamente os esforços da indústria para desenvolver uma cadeia de suprimentos robusta, reduzir o risco técnico para os fabricantes e promover a força de trabalho dos compósitos de próxima geração. Mas nosso sucesso depende da participação da comunidade de manufatura de compósitos, bem como de um fluxo contínuo de projetos para alimentar o pipeline de inovação. Saiba mais sobre como se juntar a nós em iacmi.org.

Sobre o autor

Uday Vaidya atua como Diretor da Instalação de Fabricação de Fibras e Compósitos da Universidade do Tennessee (FCMF), Diretor de Tecnologia do IACMI e é Presidente do Governador do Laboratório Nacional da Universidade de Tennessee-Oak Ridge em Fabricação de Compostos Avançados. Vaidya é especialista na fabricação e desenvolvimento de produtos com compósitos de polímero reforçado com fibra. Vaidya atua como editor-chefe da revista Composites B:Engineering da Elsevier. Ele envolve uma ampla gama de alunos de graduação e pós-graduação em aprendizagem experiencial com tecnologias de compósitos.