IACMI: Memimpin Inovasi Manufaktur Komposit Canggih

Anggota IACMI di CAMX 2019. Sumber | IACMI

Seperti diluncurkannya pada tahun 2015, Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI — The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, AS) telah membangun jaringan industri, institusi akademis, dan pemerintah federal, bagian serta lokal yang bekerja sama untuk meningkatkan keamanan energi dan ekonomi Amerika Serikat melalui pengembangan teknologi komposit. Konsorsium ini mencakup lebih dari 160 anggota di 31 bagian, lebih dari 130 perusahaan dan 17 institusi akademis. Diluncurkan sebagai Institut Inovasi Manufaktur USA kelima dan didukung oleh Kantor Manufaktur Canggih Departemen Energi AS, IACMI telah membuktikan kemampuannya selama lima tahun terakhir untuk mempercepat pengembangan komposit canggih di lima area teknologi:

• bahan komposit dan proses,
• penyimpanan gas terkompresi (CGS),
• kendaraan,
• turbin angin, dan
• desain, pemodelan dan simulasi.

Pada peluncuran Institut, area-area ini diidentifikasi sebagai tempat di mana manufaktur komposit yang lebih hemat biaya, bahan dan energi dapat memiliki dampak signifikan. Sejak itu, komunitas komposit dalam IACMI telah berkembang untuk mendukung pasar yang berkembang seperti infrastruktur, pertahanan dan transportasi untuk meningkatkan kebutuhan keamanan AS.

Pada tahun 2016, IACMI memimpin pengembangan peta jalan untuk memandu kemajuan dan komersialisasi komposit hemat energi dan biaya rendah di lima area teknologi. Dikembangkan dengan partisipan dari pemangku kepentingan industri, peta jalan mengidentifikasi R&D yang menjanjikan yang diperlukan untuk mengurangi risiko implementasi teknologi dan mengembangkan rantai pasok yang kuat untuk industri komposit canggih. Secara spesifik, peta jalan menggambarkan lebih dari 200 jalur teknologi untuk mencapai tujuan teknis yang dinyatakan IACMI yaitu pengurangan biaya polimer terkuat serat karbon (CFRP) sebesar 25%, pengurangan energi terbenam CFRP sebesar 50% dan 80% daur ulang atau penggunaan kembali menjadi produk yang berguna.

Jaringan inovasi kolaboratif

Selama lima tahun terakhir, peta jalan telah memberikan katalis bagi IACMI dan anggotanya untuk meluncurkan upaya demonstrasi teknologi kolaboratif. Lebih dari $70 juta telah diinvestasikan dalam lebih dari 50 proyek R&D dipimpin industri, dengan partisipan dari 90 perusahaan anggota. Proyek-proyek yang dibiayai ini selaras dengan aktivitas prioritas tertinggi peta jalan untuk baik menjawab kebutuhan anggota IACMI serta membuat progres nyata menuju target teknisnya. Seperti 2020 dimulai, kami merenungkan contoh proyek terbaru di seluruh area teknologi kami.

Bahan komposit dan proses: Resin dan perekat cepat kering dapat membantu produsen mengurangi waktu siklus yang diperlukan untuk mencapai produksi volume tinggi bagian komposit. Selain itu, produk yang terbuat dari serat karbon tidak kontinu yang dipulihkan membutuhkan sebagian kecil energi yang diperlukan untuk memproduksi bahan baru dengan hanya pengurangan kecil dalam properti mekanis. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) dan mitra demonstrasi inner hood otomotif kompresi mold baru menggunakan prepreg vinyl ester tanpa pelarut yang mengurangi biaya manufaktur sebesar 22%, mengurangi energi terbenam sebesar 33%, memperpanjang stabilitas simpan, menghilangkan kebutuhan penyimpanan pendingin, secara signifikan meningkatkan kekuatan antarmuka resin-serat, dan memungkinkan kesempatan daur ulang dan penggunaan kembali limbah prepreg. American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Virginia) dan mitra proyek, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Knoxville, Tennessee), juga mengembangkan metode pirolisis panas rendah yang dapat diskalakan untuk memulihkan bahan berharga dari limbah komposit aliran khusus atau bercampur.

Pemodelan dan simulasi: Alat pemodelan dan simulasi membantu desainer memprediksi perilaku struktural, mengurangi langkah produksi, mengoptimalkan desain, dan mengelola pengujian produk serta pengembangan prototipe untuk produk komposit. Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) milik IACMI sendiri memberikan anggota akses berbasis web yang aman ke alat simulasi komersial untuk memecahkan masalah desain, manufaktur dan performa bahan komposit. DuPont (Troy, Michigan), Fibrtec (Atlanta, Texas), dan Purdue University (West Lafayette, Indiana) menggunakan alat pemodelan prediktif untuk mendemonstrasikan bagaimana bahan tow-preg komposit serat karbon/poliamida fleksibel Fibrtec dan teknologi pemrosesan Rapid Fabric Formation (RFF) DuPont dapat mengurangi biaya dan limbah serat karbon sebesar 30% dan energi terbenam sebesar 40%.

Kendaraan: Komposit terkuat serat membantu produsen mobil memaksimalkan peluang pengurangan massa kendaraan, namun implementasinya terbatas oleh biaya tinggi, waktu produksi panjang, kemampuan gabung yang tidak terandalkan, daur ulang rendah dan rantai pasok yang belum berkembang. Teknologi molding komposit terotomatisasi tinggi untuk intermediate komposit bentuk hampir akhir dapat meningkatkan fleksibilitas desain sambil juga mengurangi waktu siklus manufaktur dan limbah. Toray Composites (Tacoma, Washington) bermitra dengan ahli rantai pasok prepreg untuk mengembangkan dan mengoptimalkan teknologi molding prepreg serat karbon cepat yang mengurangi biaya komponen otomotif yang ditargetkan sebesar 15%. Sementara itu, Ford (Dearborn, Michigan) dengan DowAksa (Marietta, Georgia), Dow Chemical (Midland, Michigan), ORNL, Michigan State University (Lansing, Michigan), University of Tennessee (Knoxville, Tennessee) dan Purdue University mengembangkan sistem resin epoksi baru serta chopped carbon fiber sheet molding compound (SMC) yang cocok untuk produksi volume tinggi lebih dari 100.000 bagian otomotif per tahun.

Penyimpanan gas terkompresi (CGS): Bahan komposit dapat membantu memenuhi permintaan yang meningkat untuk tabung gas alam terkompresi dan akhirnya, tangki penyimpanan hidrogen sebagai alternatif rendah emisi untuk bahan bensin dan solar. Tangki CGS berbasis termoplastik dapat meningkatkan karakteristik daur ulang akhir masa pakai, sementara strategi otomatisasi dapat memungkinkan produksi volume tinggi dan biaya rendah untuk implementasi oleh produsen mobil. DuPont dengan Steelhead Composites LLC (Goldon, Colorado), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, New York) dan University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) merancang proses fabrikasi baru dan sistem resin berbasis termoplastik yang mengurangi bobot komponen, meningkatkan daur ulang, meningkatkan ketahanan kerusakan dan menurunkan biaya produksi hingga 20%.

Turbin angin: Sementara daun turbin angin yang lebih ringan dan lebih panjang diperlukan untuk meningkatkan efisiensi dan kapasitas pembangkit listrik, teknologi komposit saat ini untuk menghasilkan daun ini memakan waktu untuk diproduksi, sulit secara ekonomi untuk daur ulang dan semakin sulit untuk diangkut dari pabrik ke lapangan. TPI Composites (Scottsdale, Arizona), Arkema Inc. (King of Prussia, Pennsylvania), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Michigan), Strongwell (Bristol, Virginia), DowAksa USA, Chomarat North America (Williamston, Carolina Selatan), Composites One (Arlington Heights, Illinois), SikaAxson (sekarang Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Michigan) dan Chem-Trend (Howell, Michigan) berhasil mendemonstrasikan daun turbin angin skala penuh 9 meter dan memperkenalkan proses vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) baru untuk komposit termoplastik yang mengurangi biaya produksi dan meningkatkan daur ulang dibandingkan komposit berbasis termoset. Selain itu, Arkema dan mitra termasuk Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, Carolina Utara), SAERTEX USA LLC (Huntersville, Carolina Utara), General Electric Co. (Boston, Massachusetts), TPI Composites Inc., University of Tennessee, National Renewable Energy Laboratory (NREL, Goldon, Colorado) dan Colorado School of Mines (Golden) mengembangkan metode pengelasan termal non-adesif baru untuk komposit termoplastik yang mengurangi cacat manufaktur dibandingkan metode pengikatan adesif dan membentuk dasar sebagai solusi potensial untuk pengaturan on-site daun turbin angin yang lebih panjang.

Proyek kolaboratif IACMI dan lainnya ini mendorong komersialisasi; lebih dari 10 produk baru sekarang tersedia secara komersial karena hasil kolaborasi IACMI, dan termasuk pengurangan biaya melalui curing cepat, panjang umur produk yang diperpanjang dan teknologi manufaktur yang efisien.

Fasilitas R&D kelas dunia, sumber daya dan pengembangan tenaga kerja

Selain proyek kolaboratif, salah satu pengait utama IACMI adalah lingkungan siap produksi untuk inovasi, yang secara strategis terletak di seluruh negara. Sebagai contoh, Scale-Up Research Facility (SURF) IACMI, terletak di Detroit, Michigan, menawarkan lebih dari 50.000 kaki persegi ruang kolaborasi, peralatan manufaktur komposit skala produksi dan ruang analisis serta persiapan bahan. SURF adalah fasilitas manufaktur komposit skala pilot satu-satunya di negara yang terbuka untuk mitra industri, pemerintah dan akademis.

Komposis Laboratorium di University of Dayton Research Institute (UDRI) di Ohio menawarkan sel kerja manufaktur skala penuh dan inkubasi bisnis kecil. UDRI telah bermitra dengan lebih dari 20 anggota IACMI berbasis Ohio untuk meningkatkan prepreg dan sheet molding compound cepat curing, resin vinyl ester, tooling cetak aditif untuk struktur aerospace komposit besar, teknologi produksi nanotubus karbon dan lebih banyak lagi.

Bekerja bersamaan dengan kemampuan desain, analisis dan validasi struktural NREL, Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) menyediakan fasilitas 10.000 kaki persegi di Colorado. Di CoMET, mitra industri dan peneliti universitas dapat merancang, memprototyping, menguji dan memproduksi bahan dan komponen daun turbin angin skala megawatt, termasuk spar caps serat karbon tarik, sizing fiberglass khusus dan resin termoplastik baru.

Terakhir, dalam mitra dengan Purdue University, Indiana Manufacturing Institute baru-baru ini membuka Composites Manufacturing and Simulation Center yang baru. Pusat ini berfungsi sebagai testbed untuk mitra bagiannya untuk memanfaatkan teknologi Industry 4.0 generasi berikutnya dan mengembangkan alat simulasi komprehensif untuk memodelkan struktur komposit dari manufaktur hingga siklus produk akhir masa pakai.

Selain melakukan R&D, IACMI bekerja untuk memperkuat tenaga kerja manufaktur komposit canggih. Sejak berdirinya, IACMI telah:

• melatih lebih dari 2.000 peserta dalam workshop praktis,
• melibatkan lebih dari 9.000 siswa K–12 dalam kegiatan dan peluang STEM dan
• mengawasi lebih dari 100 magang — 100% dari mereka telah lulus dengan tawaran pekerjaan industri atau penerimaan program lulusan dalam enam bulan setelah lulus dari program akademis mereka.

Kolom ini adalah pertama dalam seri yang menyoroti pekerjaan IACMI dan mitra mereka. Kami di IACMI berkomitmen pada masa depan manufaktur komposit canggih dan secara aktif meloncatkan upaya industri untuk mengembangkan rantai pasok yang kuat, mengurangi risiko teknis bagi produsen dan mempromosikan tenaga kerja komposit generasi berikutnya. Namun kesuksesan kami bergantung pada partisipasi komunitas manufaktur komposit, serta aliran proyek yang berkelanjutan untuk melengkapi saluran inovasi. Pelajari lebih banyak tentang bergabung dengan kami di iacmi.org.

Tentang penulis

Uday Vaidya menjabat sebagai Direktur Fasilitas Manufaktur Serat dan Komposit (FCMF) Universitas Tennessee, Chief Technology Officer IACMI, dan merupakan Kursi Gubernur Universitas Tennessee-Oak Ridge National Laboratory di Manufaktur Komposit Canggih. Vaidya adalah ahli dalam manufaktur dan pengembangan produk dengan komposit polimer terkuat serat. Vaidya menjabat sebagai Editor-in-Chief untuk jurnal Composites B: Engineering Elsevier. Ia melibatkan berbagai mahasiswa sarjana dan pascasarjana dalam pembelajaran berpengalaman dengan teknologi komposit.