IACMI：推动先进复合材料行业的创新

IACMI 成员参加 CAMX 2019。来源 | IACMI

自 2015 年成立以来，先进复合材料制造创新研究所（IACMI — 美国田纳西州诺克斯维尔的复合材料研究所）建立了一个由行业、学术机构以及联邦、州和地方政府组成的网络，这些机构正在共同努力改善通过复合材料技术的发展，美国的能源和经济安全。该联盟包括 31 个州的 160 多个成员、130 多家公司和 17 个学术机构。作为第五个美国制造创新研究所成立，并得到美国能源部先进制造办公室的支持，IACMI 在过去五年中证明了其在五个技术领域加速先进复合材料开发的能力：

• 复合材料和工艺，
• 压缩气体储存 (CGS)，
• 车辆，
• 风力涡轮机，以及
• 设计、建模和仿真。

在研究所成立时，这些领域被确定为那些更具成本、材料和能源效率的复合材料制造可能会产生重大影响的领域。从那时起，IACMI 内的复合材料社区不断发展，以支持基础设施、国防和运输等不断扩大的市场，以提高美国的安全需求。

2016 年，IACMI 领导制定了路线图，以指导五个技术领域内低成本、节能复合材料的进步和商业化。该路线图在行业利益相关者的参与下制定，确定了降低技术实施风险和为先进复合材料行业开发强大供应链所需的有前景的研发。具体而言，路线图概述了 200 多项技术途径，以实现 IACMI 既定的技术目标，即碳纤维增强聚合物 (CFRP) 成本降低 25%、CFRP 所含能量降低 50% 以及 80% 的可回收性或再利用为有用的产品。

协同创新网络

在过去五年中，路线图为 IACMI 及其成员启动协作技术示范工作提供了催化剂。已投资超过 7000 万美元用于 50 多个行业主导的研发项目，有 90 家成员公司参与。这些资助项目与路线图的最高优先级活动保持一致，既可以满足 IACMI 成员的需求，又可以在实现其技术目标方面取得切实进展。随着 2020 年的开始，我们回顾了我们技术领域中最近的项目示例。

复合材料和工艺： 快速固化树脂和粘合剂可以帮助制造商缩短实现复合部件大批量生产所需的周期时间。此外，由回收的不连续碳纤维制成的产品需要生产原始材料所需的一小部分能量，而机械性能仅略有降低。亚什兰高性能材料公司（俄亥俄州哥伦布市）和合作伙伴展示了一种使用无稀释剂乙烯基酯预浸料的新型压缩成型汽车引擎盖内层，可将制造成本降低 22%，将隐含能量降低 33%，延长保质期稳定性，消除对冷藏，显着提高了树脂-纤维的界面强度，并为预浸料废料提供了回收和再利用的机会。美国复合材料制造商协会（ACMA，弗吉尼亚州阿灵顿）和项目合作伙伴，Continental Structural Plastics（CSP，Auburn Hills，密歇根州），CHZ Technologies（俄亥俄州奥斯汀敦） ，A. Schulman（俄亥俄州费尔劳恩） Oak Ridge National实验室（田纳西州诺克斯维尔的 ORNL）也在开发一种可扩展的低热热解方法，以从专用或混合流复合废物中回收有价值的材料。

建模和仿真： 建模和仿真工具可帮助设计人员预测结构行为、减少生产步骤、优化设计以及管理复合产品的产品测试和原型开发。 IACMI 自己的复合材料虚拟工厂 HUB (cvfHUB) 为会员提供基于 Web 的安全访问商业模拟工具，用于解决复合材料的设计、制造和性能问题。杜邦（密歇根州特洛伊）、Fibrtec（德克萨斯州亚特兰大）和普渡大学（西拉法叶，印第安纳州）使用预测建模工具来演示 Fibrtec 的柔性碳纤维/聚酰胺复合丝束预浸材料和杜邦的快速织物成型 (RFF) ) 加工技术可降低成本和碳纤维废料 30%，含能降低 40%。

车辆： 纤维增强复合材料有助于汽车制造商最大限度地减少车辆质量，但其实施受到成本高、生产时间长、可连接性不可靠、可回收性低和供应链不发达的限制。用于近净成型复合材料中间体的高度自动化复合成型技术可以提高设计灵活性，同时减少制造周期时间和浪费。 Toray Composites（华盛顿州塔科马）与预浸料供应链专家合作开发和优化了一种快速碳纤维预浸料成型技术，可将目标汽车部件的成本降低 15%。与此同时，福特（密歇根州迪尔伯恩）与 DowAksa（乔治亚州玛丽埃塔）、陶氏化学（密歇根州米德兰）、ORNL、密歇根州立大学（密歇根州兰辛）、田纳西大学（田纳西州诺克斯维尔）和普渡大学大学开发了一种新型环氧树脂体系以及一种适合每年大批量生产超过 100,000 个汽车零部件的短切碳纤维片状模塑料 (SMC)。

压缩气体储存 (CGS) ：复合材料可以帮助满足对压缩天然气容器不断增长的需求——最终是氢气储罐——作为汽油和柴油的低排放替代品。基于热塑性塑料的复合 CGS 储罐可以改善报废回收特性，而自动化策略可以允许汽车制造商实施低成本、大批量生产。杜邦与 Steelhead Composites LLC（科罗拉多州戈尔登）、复合材料原型中心（CPC，Plainview，NY）和代顿大学研究所（UDRI，代顿，俄亥俄州）设计了一种新的制造工艺和热塑性树脂系统，可减少组件重量、提高可回收性、增加抗损性并将生产成本降低高达 20%。

风力涡轮机 ：虽然需要更轻、更长的风力涡轮机叶片来提高发电效率和容量，但如今用于生产这些叶片的复合技术生产起来非常耗时，回收利用在经济上具有挑战性，并且越来越难以从工厂运输到现场。 TPI Composites（亚利桑那州斯科茨代尔）、Arkema Inc.（普鲁士国王，宾夕法尼亚州）、Johns Manville（科罗拉多州丹佛）、Huntsman Polyurethanes（密歇根州奥本山）、Strongwell（弗吉尼亚州布里斯托尔）、DowAksa USA , Chomarat North America (Williamston, SC), Composites One (Arlington Heights, Ill.), SikaAxson (现在 Sika Advanced Resins, Madison Heights, Mich.), Creative Foam (Fenton, Mich.) and Chem-Trend (Howell, Mich.) .) 成功展示了全尺寸 9 米的风力涡轮机叶片，并为热塑性复合材料引入了一种新的真空辅助树脂传递成型 (VARTM) 工艺，与热固性复合材料相比，该工艺降低了生产成本并提高了可回收性。此外，阿科玛和合作伙伴包括 Electric Glass Fiber America LLC（北卡罗来纳州谢尔比）、SAERTEX USA LLC（北卡罗来纳州亨特斯维尔）、通用电气公司（马萨诸塞州波士顿）、TPI Composites Inc.、田纳西大学、国家可再生能源公司能源实验室（NREL，科罗拉多州戈尔登）和科罗拉多矿业学院（戈尔登）开发了一种用于热塑性复合材料的新型非粘合剂热焊接方法，与粘合剂粘合方法相比，该方法减少了制造缺陷，并为作为潜在解决方案奠定了基础-现场组装更长的风力涡轮机叶片。

这些和其他 IACMI 合作项目正在推动商业化；由于 IACMI 的合作成果，现在有 10 多种新产品上市，包括通过快速固化、延长产品寿命和高效制造技术降低成本。

世界一流的研发设施 , 资源和劳动力发展

除了合作项目外，IACMI 的主要区别之一是其创新的生产就绪环境，战略性地位于全国各地。例如，IACMI 位于密歇根州底特律的放大研究设施 (SURF) 提供超过 50,000 平方英尺的协作空间、生产规模的复合材料制造设备以及分析和材料制备空间。 SURF 是美国唯一一家向工业、政府和学术合作伙伴开放的试生产规模复合材料制造设施。

俄亥俄州代顿大学研究所 (UDRI) 的复合材料实验室拥有全面的制造工作单元和小型企业孵化器。 UDRI 已与 20 多家俄亥俄州 IACMI 成员合作，共同推进快速固化预浸料和片状模塑料材料、乙烯基酯树脂、用于大型复合材料航空结构的增材制造工具、碳纳米管生产技术等。

与 NREL 的设计、分析和结构验证能力相结合，复合材料制造和教育技术设施 (CoMET) 在科罗拉多州提供了一个 10,000 平方英尺的设施。在 CoMET，行业合作伙伴和大学研究人员可以设计、制作原型、测试和制造兆瓦级风力涡轮机叶片材料和部件，包括拉挤碳纤维梁帽、专用玻璃纤维尺寸和新型热塑性树脂。

最后，印第安纳制造研究所与普渡大学合作，最近开设了新的复合材料制造和模拟中心。该中心是其国家合作伙伴利用下一代工业 4.0 技术和开发综合仿真工具的试验台，用于对从制造到生命周期结束的产品周期的复合材料结构进行建模。

除了进行研发之外，IACMI 还致力于加强先进复合材料制造的劳动力。自成立以来，IACMI 已：

• 在实践研讨会中培训了 2,000 多名参与者，
• 让 9,000 多名 K-12 学生参与了 STEM 活动和机会，并且
• 接待了 100 多名实习生，其中 100% 的人在学术课程毕业后的六个月内获得了行业工作机会或研究生课程录取。

本专栏是重点介绍 IACMI 及其合作伙伴工作的系列中的第一篇。我们 IACMI 致力于先进复合材料制造的未来，并积极推动行业努力发展强大的供应链，降低制造商的技术风险并培养下一代复合材料劳动力。但我们的成功取决于复合材料制造社区的参与，以及源源不断的创新项目。在 iacmi.org 上了解更多关于加入我们的信息。

关于作者

Uday Vaidya 担任田纳西大学纤维和复合材料制造设施 (FCMF) 主任、IACMI 首席技术官，并且是田纳西大学橡树岭国家实验室高级复合材料制造主席。 Vaidya 是纤维增强聚合物复合材料制造和产品开发方面的专家。 Vaidya 担任 Elsevier 的复合材料 B：工程期刊的主编。他让广大本科生和研究生参与复合材料技术的体验式学习。