IACMI: Pioneirismo na Inovação em Manufatura Avançada de Compósitos

Membros da IACMI no CAMX 2019. Fonte | IACMI

Desde seu lançamento em 2015, o Instituto para Inovação em Manufatura Avançada de Compósitos (IACMI — The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, EUA) construiu uma rede de indústria, instituições acadêmicas, e governos federal, estaduais e locais que trabalham juntos para melhorar a segurança energética e econômica dos Estados Unidos através do desenvolvimento de tecnologia de compósitos. 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 Manufacturing USA e apoiado pelo Escritório de Manufatura Avançada do Departamento de Energia dos EUA, a IACMI provou suas capacidades nos últimos cinco anos para acelerar o desenvolvimento de compósitos avançados em cinco áreas tecnológicas:

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

No lançamento do Instituto, estas áreas foram identificadas como aquelas em que a manufatura de compósitos mais eficiente em custo, material e energia poderia ter impacto significativo. Desde então, a comunidade de compósitos dentro da IACMI cresceu para suportar mercados em expansão como infraestrutura, defesa e transporte para melhorar as necessidades de segurança dos EUA.

Em 2016, a IACMI liderou o desenvolvimento de um roteiro para guiar o avanço e comercialização de compósitos de baixo custo e energeticamente eficientes dentro das cinco áreas tecnológicas. Desenvolvido com engajamento de stakeholders da indústria, o roteiro identificou P&D promissor necessário para reduzir risco de implementação tecnológica e desenvolver uma cadeia de suprimentos robusta para a indústria de compósitos avançados. Especificamente, o roteiro delineou mais de 200 caminhos tecnológicos para atingir as metas técnicas declaradas da IACMI de 25% de redução no custo de polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC), 50% de redução na energia incorporada do PRFC e 80% de reciclabilidade ou reuso em produtos úteis.

Uma rede colaborativa de inovação

Nos últimos cinco anos, o roteiro forneceu o catalisador para a IACMI e seus membros lançarem esforços colaborativos de demonstração tecnológica. Mais de $70 milhões foram investidos em mais de 50 projetos de P&D liderados pela indústria, com participação de 90 empresas membros. Estes projetos financiados alinham-se com as atividades de maior prioridade do roteiro para atender às necessidades dos membros da IACMI e fazer progresso tangível em direção às suas metas técnicas. Ao começar 2020, refletimos sobre exemplos recentes de projetos em nossas áreas tecnológicas.

Materiais e processos compósitos: Resinas e adesivos de cura rápida podem ajudar fabricantes a reduzir tempos de ciclo necessários para alcançar produção de alto volume de peças compósitos. Além disso, produtos feitos de fibras de carbono descontínuas recuperadas demandam uma fração da energia necessária para produzir material virgem com apenas reduções menores em propriedades mecânicas. A Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) e parceiros demonstraram um capô interno automotivo moldado por compressão inovador usando pré-impregnados de vinil éster sem diluente que reduziram custo de manufatura em 22%, reduziram energia incorporada em 33%, prolongaram estabilidade de vida de prateleira, eliminaram a necessidade de armazenamento refrigerado, melhoraram significativamente a resistência interfacial resina-fibra, e permitiram oportunidades de reciclagem e reuso de sucata de pré-impregnado. A American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Va.) e parceiros de projeto, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich.), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL, Knoxville, Tenn.), também estão desenvolvendo um método de pirólise de baixo calor escalável para recuperar materiais valiosos de fluxos de resíduos compósitos dedicados ou mistos.

Modelagem e simulação: Ferramentas de modelagem e simulação ajudam designers a prever comportamento estrutural, reduzir etapas de produção, otimizar design, e gerenciar testes de produto e desenvolvimento de protótipo para produtos compósitos. O próprio Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) da IACMI fornece aos membros acesso seguro baseado na web a ferramentas de simulação comerciais para resolver questões de design, manufatura e desempenho de materiais compósitos. A DuPont (Troy, Mich.), Fibrtec (Atlanta, Texas), e Universidade Purdue (West Lafayette, Ind.) usaram ferramentas de modelagem preditiva para demonstrar como os materiais tow-preg de compósito de fibra de carbono/poliamida flexíveis da Fibrtec e a tecnologia de Formação Rápida de Tecido (RFF) da DuPont poderiam reduzir custo e desperdício de fibra de carbono em 30% e energia incorporada em 40%.

Veículos: Compósitos reforçados com fibra ajudam fabricantes de automóveis a maximizar oportunidades de redução de massa do veículo, mas sua implementação é limitada por altos custos, longos tempos de produção, unibilidade não confiável, baixa reciclabilidade e cadeia de suprimentos subdesenvolvida. Tecnologias de moldagem compósita altamente automatizadas para intermediários compósitos near-net shape podem aumentar flexibilidade de design enquanto reduzem tempos de ciclo de manufatura e desperdício. A Toray Composites (Tacoma, Wash.) fez parceria com especialistas da cadeia de suprimentos de pré-impregnado para desenvolver e otimizar uma tecnologia de moldagem rápida de pré-impregnado de fibra de carbono que reduz o custo de componentes automotivos alvo em 15%. Enquanto isso, a Ford (Dearborn, Mich.) com DowAksa (Marietta, Ga.), Dow Chemical (Midland, Mich.), ORNL, Universidade Estadual de Michigan (Lansing, Mich.), Universidade do Tennessee (Knoxville, Tenn.) e Universidade Purdue desenvolveram um novo sistema de resina epóxi assim como um composto de moldagem em chapa (SMC) de fibra de carbono picada adequado para produção de alto volume em excesso de 100.000 peças automotivas por ano.

Armazenamento de gás comprimido (CGS): Materiais compósitos podem ajudar a atender à crescente demanda por vasos de gás natural comprimido — e eventualmente, tanques de armazenamento de hidrogênio — como alternativa de baixa emissão a gasolina e diesel. Tanques CGS de compósitos baseados em termoplásticos podem melhorar características de reciclabilidade no fim da vida, enquanto estratégias de automação podem permitir produção de baixo custo e alto volume para implementação por fabricantes automotivos. A DuPont com Steelhead Composites LLC (Goldon, Colo.), Centro de Prototipagem Compósita (CPC, Plainview, N.Y.) e Instituto de Pesquisa da Universidade de Dayton (UDRI, Dayton, Ohio) projetaram um novo processo de fabricação e sistema de resina baseada em termoplástico que reduzem peso do componente, melhoram reciclabilidade, aumentam resistência a danos e reduzem custos de produção em até 20%.

Turbinas eólicas: Embora pás de turbinas eólicas mais leves e longas sejam necessárias para aumentar eficiência e capacidade de geração de energia, as tecnologias compósitos atuais para produzir estas pás são demoradas, economicamente desafiadoras para reciclar e cada vez mais difíceis de transportar da fábrica para o campo. A TPI Composites (Scottsdale, Ariz.), Arkema Inc. (King of Prussia, Pa.), Johns Manville (Denver, Colo.), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Mich.), Strongwell (Bristol, Va.), DowAksa USA, Chomarat North America (Williamston, S.C.), Composites One (Arlington Heights, Ill.), SikaAxson (agora Sika Advanced Resins, Madison Heights, Mich.), Creative Foam (Fenton, Mich.) e Chem-Trend (Howell, Mich.) demonstraram com sucesso uma pá de turbina eólica de 9 metros em escala real e introduziram um novo processo de moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM) para compósitos termoplásticos que reduz custos de produção e melhora reciclabilidade comparado a compósitos baseados em termofixos. Além disso, a Arkema e parceiros incluindo Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, N.C.), SAERTEX USA LLC (Huntersville, N.C.), General Electric Co. (Boston, Mass.), TPI Composites Inc., Universidade do Tennessee, Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL, Goldon, Colo.) e Escola de Minas do Colorado (Golden) desenvolveram um novo método de soldagem térmica não adesiva para compósitos termoplásticos que reduz defeitos de manufatura comparado a métodos de colagem adesiva e estabelece a base como solução potencial para montagem no local de pás de turbinas eólicas mais longas.

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

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

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

O Laboratório de Compósitos no Instituto de Pesquisa da Universidade de Dayton (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 da IACMI baseados em Ohio para avançar pré-impregnado de cura rápida e materiais de composto de moldagem em chapa, resinas vinil éster, ferramentas de manufatura aditiva para grandes aeroestruturas compósitas, tecnologias de produção de nanotubos de carbono e mais.

Trabalhando em conjunto com as capacidades de design, análise e validação estrutural da NREL, a Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) fornece uma instalação de 10.000 pés quadrados no Colorado. Na CoMET, parceiros da indústria e pesquisadores universitários podem projetar, prototipar, testar e fabricar materiais e componentes de pás de turbinas eólicas de escala megawatt, incluindo caps de spar de fibra de carbono pultrudados, dimensionamentos de fibra de vidro especializados e novas resinas termoplásticas.

Finalmente, em parceria com a Universidade Purdue, o Indiana Manufacturing Institute inaugurou recentemente seu novo Centro de Manufatura e Simulação de Compósitos. O centro serve como bancada de teste para seus parceiros estaduais aproveitarem tecnologias de próxima geração da Indústria 4.0 e desenvolverem ferramentas abrangentes de simulação para modelar estruturas compósitos da manufatura ao ciclo de vida do produto final.

Além de conduzir P&D, a IACMI trabalha para fortalecer a força de trabalho de manufatura avançada de compósitos. Desde sua criação, a IACMI:

• treinou mais de 2.000 participantes em workshops práticos,
• engajou mais de 9.000 estudantes K-12 em atividades e oportunidades STEM e
• hospedou mais de 100 estagiários — 100% dos quais se formaram com oferta de emprego na indústria ou aceitação em programa de pós-graduação dentro de seis meses da formatura de seus programas acadêmicos.

Esta coluna é a primeira de uma série destacando o trabalho da IACMI e seus parceiros. Nós da IACMI estamos comprometidos com o futuro da manufatura avançada de compósitos e estamos ativamente catalisando esforços da indústria para desenvolver uma cadeia de suprimentos robusta, reduzir risco técnico para fabricantes e fomentar a força de trabalho de 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 serve como Diretor da Instalação de Manufatura de Fibras e Compósitos da Universidade do Tennessee (FCMF), Diretor de Tecnologia Chefe da IACMI, e é a Cadeira do Governador da Universidade do Tennessee-Laboratório Nacional Oak Ridge em Manufatura Avançada de Compósitos. Vaidya é especialista em manufatura e desenvolvimento de produto com compósitos de polímero reforçado com fibra. Vaidya serve como Editor-Chefe do periódico Composites B: Engineering da Elsevier. Ele engaja uma ampla gama de estudantes de graduação e pós-graduação em aprendizado experiencial com tecnologias de compósitos.