IACMI：引领先进复合制造创新的先锋

IACMI成员在CAMX 2019合影。来源 | IACMI

自2015年启动以来，先进复合制造创新研究院（IACMI——复合材料研究院，美国田纳西州诺克斯维尔）构建了产业界、学术机构、联邦/州/地方政府协同网络，通过复合技术发展提升美国能源与经济安全。联盟汇聚31州160余成员、130余企业、17所学术机构。作为第五个“美国制造”创新研究院，获美国能源部先进制造办公室支持，IACMI五年间在五大技术领域加速先进复合材料发展：

• 复合材料与工艺，
• 压缩气体储存（CGS），
• 车辆，
• 风力涡轮机，
• 设计、建模与仿真。

启动时确定这些领域为复合制造实现成本、材料、能源效率显著提升的关键。此后，IACMI内部复合社区扩展至基础设施、国防、运输等新兴市场，强化美国安全需求。

2016年，IACMI主导制定路线图，指导低成本、节能复合材料在五大技术领域的推进与商业化。在行业利益相关者参与下，路线图确定降低技术实施风险、建立稳健供应链所需的研发方向。具体列出200余条技术路径，旨在实现IACMI技术目标：CFRP成本降25%、本征能耗降50%、80%可回收或再利用。

协同创新网络

五年来，路线图催化IACMI及成员启动协同技术演示。投入超7,000万美元支持50余项行业主导研发项目，90家成员企业参与。这些项目对齐路线图最高优先级，既满足成员需求，又向技术目标推进。2020伊始，我们回顾各技术领域近期项目案例。

复合材料与工艺： 快速固化树脂和胶粘剂助力制造商缩短复合部件大批量生产周期。回收不连续碳纤维制品仅需原生材料生产能耗的一小部分，力学性能微降。Ashland Performance Materials（俄亥俄哥伦布）及合作伙伴演示无稀释剂乙烯基酯预浸料压缩模塑汽车发动机舱内饰板，制造成本降22%、本征能耗降33%、延长货架期稳性、免冷藏存储、显著提升树脂-纤维界面强度、实现预浸料废料回收再利用。美国复合材料制造协会（ACMA，弗吉尼亚阿灵顿）及合作伙伴Continental Structural Plastics（CSP，密歇根奥本山）、CHZ Technologies（俄亥俄奥斯汀镇）、A. Schulman（俄亥俄费尔劳恩）、橡树岭国家实验室（ORNL，田纳西诺克斯维尔）开发可扩展低热热解法，从专用或混合复合废料回收高价值材料。

建模与仿真： 工具帮助设计师预测结构行为、减少生产步骤、优化设计、管理复合产品测试和原型开发。IACMI自有复合虚拟工厂HUB（cvfHUB）为成员提供安全网页访问商业仿真工具，解决复合材料设计、制造和性能问题。DuPont（密歇根特洛伊）、Fibrtec（德克萨斯亚特兰大）、普渡大学（印第安纳西拉法叶）用预测建模工具演示Fibrtec柔性碳纤维/聚酰胺复合带预浸料与DuPont快速织物成型（RFF）技术如何降本30%、降本征能耗40%。

车辆： 纤维增强复合材料助力车企最大化减重，但受高成本、长周期、连接不可靠、低回收率、供应链不成熟制约。高度自动化复合模塑技术生产近净形中间体，增强设计灵活性，缩短周期减少废料。Toray Composites（华盛顿塔科马）联合预浸料供应链专家开发优化快速碳纤维预浸料模塑技术，目标汽车部件成本降15%。Ford（密歇根迪尔伯恩）联合DowAksa（佐治亚马里埃塔）、Dow Chemical（密歇根米德兰）、ORNL、密歇根州立大学（兰辛）、田纳西大学（诺克斯维尔）、普渡大学开发新型环氧树脂体系及切碎碳纤维片状模塑料（SMC），适配年产10万件以上汽车零部件大批量生产。

压缩气体储存（CGS）： 复合材料助力满足压缩天然气罐——未来氢储罐——作为汽柴油低排放替代的需求。热塑性复合CGS罐改善报废回收特性，自动化策略实现低成本大批量生产供车企部署。DuPont联合Steelhead Composites LLC（科罗拉多戈尔登）、复合原型中心（CPC，纽约普莱恩维尤）、戴顿大学研究所（UDRI，俄亥俄戴顿）设计新制造工艺和热塑性树脂体系，减重、提升可回收性、增强耐损性、降低生产成本达20%。

风力涡轮机： 更轻更长叶片提升发电效率和容量，但现有复合技术生产耗时、回收经济性差、工厂到现场运输愈发困难。TPI Composites（亚利桑那斯科茨代尔）、Arkema Inc.（宾夕法尼亚普鲁士国王）、Johns Manville（科罗拉多丹佛）、Huntsman Polyurethanes（密歇根奥本山）、Strongwell（弗吉尼亚布里斯托尔）、DowAksa USA、Chomarat北美（南卡罗来纳威廉斯顿）、Composites One（伊利诺伊阿灵顿海茨）、SikaAxson（现Sika Advanced Resins，密歇根麦迪逊海茨）、Creative Foam（密歇根芬顿）、Chem-Trend（密歇根豪威尔）成功演示全尺寸9米风机叶片，引入热塑性复合材料真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺，较热固性基复合材料降本增回收。此外，Arkema联合Electric Glass Fiber America LLC（北卡罗来纳谢尔比）、SAERTEX USA LLC（北卡罗来纳亨特斯维尔）、通用电气（波士顿）、TPI Composites Inc.、田纳西大学、国家可再生能源实验室（NREL，科罗拉多戈尔登）、科罗拉多矿业学院（戈尔登）开发热塑性复合材料无胶热焊新工艺，较粘接法减少制造缺陷，为超长风机叶片现场组装奠定基础。

这些及其他IACMI协同项目推动商业化；因IACMI合作成果，现有超10款新产品商业化上市，含快速固化降本、延长产品寿命、高效制造技术。

世界级研发设施、资源与人才培养

除协同项目，IACMI关键差异化优势在于全国战略布局的生产就绪创新环境。例如，位于密歇根底特律的IACMI规模化研究设施（SURF）提供5万平方英尺协作空间、生产级复合制造设备、分析和材料制备空间。SURF是美国唯一向工业、政府、学术合作伙伴开放的中试生产级复合制造设施。

俄亥俄戴顿大学研究所（UDRI）复合实验室拥全尺寸制造工作单元和中小企业孵化。UDRI与20余家俄亥俄IACMI成员合作，推进快速固化预浸料和SMC材料、乙烯基酯树脂、大型航空结构增材制造工装、碳纳米管生产技术等。

结合NREL设计、分析和结构验证能力，复合制造与教育技术设施（CoMET）在科罗拉多提供1万平方英尺设施。业界合作伙伴和大学研究人员可在此设计、原型、测试和制造兆瓦级风机叶片材料和部件，含拉挤碳纤维翼梁帽、特种玻纤浆料和新型热塑性树脂。

最后，联合普渡大学，印第安纳制造研究院新近开设复合制造与仿真中心。中心作为测试床，助州合作伙伴利用新一代工业4.0技术，开发从制造到产品寿命周期末端的复合结构综合仿真工具。

除研发，IACMI致力强化先进复合制造劳动力。自成立以来：

• 培训2,000余名参与者参与实操研讨会，
• 吸引9,000余名K-12学生参与STEM活动和机会，
• 接待100余名实习生——100%在毕业六个月内获得行业工作录用或研究生项目录取。

本专栏为系列首篇，聚焦IACMI及其合作伙伴工作。我们致力于先进复合制造未来，积极催化行业努力构建稳健供应链、降低制造商技术风险、培育新一代复合劳动力。但成功取决于复合制造社区参与及持续项目注入创新管道。详情访问iacmi.org。

作者简介

Uday Vaidya担任田纳西大学纤维与复合制造设施（FCMF）主任、IACMI首席技术官、田纳西大学-橡树岭国家实验室总督讲席教授（先进复合制造）。Vaidya精通纤维增强聚合物复合材料制造与产品开发。任Elsevier《Composites B: Engineering》主编。指导广泛本科生和研究生开展复合技术体验式学习。