IACMI:첨단 복합 재료 산업의 혁신 주도

CAMX 2019의 IACMI 회원. 출처 | IACMI

첨단 복합재 제조 혁신 연구소(IACMI — The Composites Institute, Knoxville, Tenn., US)는 2015년에 출범한 이래로 산업, 학술 기관, 연방, 주 및 지방 정부의 네트워크를 구축하여 개선을 위해 협력하고 있습니다. 합성 기술 개발을 통한 미국의 에너지 및 경제 안보. 이 컨소시엄에는 31개 주에 있는 160개 이상의 회원, 130개 이상의 회사 및 17개의 학술 기관이 포함됩니다. 다섯 번째 제조 USA 혁신 연구소로 출범하고 미국 에너지부의 첨단 제조 사무소의 지원을 받는 IACMI는 지난 5년 동안 5가지 기술 영역에서 첨단 복합 재료 개발을 가속화하는 능력을 입증했습니다.

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복합 재료 및 공정

압축 가스 저장(CGS),

차량,

풍력 터빈 및

설계, 모델링 및 시뮬레이션.

연구소가 출범했을 때 이러한 영역은 비용, 재료 및 에너지 효율적인 복합 제조가 상당한 영향을 미칠 수 있는 영역으로 식별되었습니다. 그 이후로 IACMI 내의 복합 커뮤니티는 인프라, 국방 및 운송과 같은 확장 시장을 지원하여 미국의 안보 요구를 강화하도록 성장했습니다.

2016년에 IACMI는 5가지 기술 영역 내에서 저비용, 에너지 효율적인 복합 재료의 발전 및 상업화를 안내하는 로드맵 개발을 주도했습니다. 업계 이해 관계자의 참여로 개발된 로드맵은 기술 구현 위험을 줄이고 고급 복합 재료 산업을 위한 강력한 공급망을 개발하는 데 필요한 유망한 R&D를 식별했습니다. 특히, 로드맵에는 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 비용 25% 감소, CFRP 내재 에너지 50% 감소, 재활용 가능성 또는 유용한 제품으로 재사용 80%라는 IACMI의 기술 목표를 달성하기 위한 200개 이상의 기술 경로가 설명되어 있습니다.

협력적 혁신 네트워크

지난 5년 동안 로드맵은 IACMI와 그 회원들이 협업 기술 시연 노력을 시작하는 촉매제 역할을 했습니다. 90개 회원사가 참여하는 50개 이상의 업계 주도 R&D 프로젝트에 7천만 달러 이상을 투자했습니다. 자금이 지원되는 이 프로젝트는 IACMI 회원의 요구를 해결하고 기술 목표를 향한 가시적인 진전을 이루기 위해 로드맵의 가장 우선 순위가 높은 활동과 일치합니다. 2020년이 시작되면서 우리는 기술 분야 전반에 걸친 최근 프로젝트 사례를 반영합니다.

합성 재료 및 공정: 빠른 경화 수지와 접착제는 제조업체가 복합 부품의 대량 생산에 필요한 사이클 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 회수된 불연속 탄소 섬유로 만든 제품은 기계적 특성이 약간만 감소된 상태로 순수 재료를 생산하는 데 필요한 에너지의 일부만 필요로 합니다. Ashland Performance Materials(오하이오주 콜럼버스)와 파트너는 희석제가 없는 비닐 에스테르 프리프레그를 사용하여 새로운 압축 성형 자동차 후드 내부를 시연했습니다. 냉장 보관, 수지-섬유 계면 강도를 크게 개선하고 프리프레그 스크랩에 대한 재활용 및 재사용 기회를 가능하게 했습니다. American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Va.) 및 프로젝트 파트너, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich.), CHZ Technologies (Austintown, Ohio) , A. Schulman (Fairlawn, Ohio) Oak Ridge National 실험실(ORNL, Knoxville, Tenn.)은 전용 또는 혼합 스트림 복합 폐기물에서 귀중한 물질을 회수하기 위해 확장 가능한 저열 열분해 방법도 개발하고 있습니다.

모델링 ​​및 시뮬레이션: 모델링 및 시뮬레이션 도구는 설계자가 구조적 동작을 예측하고, 생산 단계를 줄이며, 설계를 최적화하고, 복합 제품에 대한 제품 테스트 및 프로토타입 개발을 관리하는 데 도움이 됩니다. IACMI의 자체 복합 가상 공장 HUB(cvfHUB)는 회원에게 복합 재료의 설계, 제조 및 성능 문제를 해결하기 위한 상용 시뮬레이션 도구에 대한 안전한 웹 기반 액세스를 제공합니다. DuPont(Troy, Mich.), Fibrtec(Atlanta, Texas) 및 Purdue University(West Lafayette, Ind.)는 예측 모델링 도구를 사용하여 Fibrtec의 유연한 탄소 섬유/폴리아미드 복합 토우 프레그 재료와 DuPont의 RFF(Rapid Fabric Formation)를 시연했습니다. ) 처리 기술은 비용과 탄소 섬유 폐기물을 30%, 내재 에너지를 40% 줄일 수 있습니다.

차량: 섬유 강화 복합 재료는 자동차 제조업체가 차량 질량 감소 기회를 극대화하는 데 도움이 되지만 높은 비용, 긴 생산 시간, 신뢰할 수 없는 결합 가능성, 낮은 재활용 가능성 및 개발되지 않은 공급망으로 인해 구현이 제한됩니다. 거의 순수한 형태의 복합 중간체를 위한 고도로 자동화된 복합 성형 기술은 설계 유연성을 향상시키는 동시에 제조 주기 시간과 낭비를 줄일 수 있습니다. Toray Composites(워싱턴주 타코마)는 프리프레그 공급망 전문가와 협력하여 목표 자동차 부품의 비용을 15%까지 줄이는 신속한 탄소 섬유 프리프레그 성형 기술을 개발 및 최적화했습니다. 한편 Ford(미시간 주 디어본)는 DowAksa(조지아 주 매리에타), Dow Chemical(Midland, Mich.), ORNL, Michigan State University(Lansing, Mich.), University of Tennessee(테네시 녹스빌) 및 Purdue를 보유하고 있습니다. University는 연간 100,000개가 넘는 자동차 부품의 대량 생산에 적합한 촙드 탄소 섬유 시트 몰딩 컴파운드(SMC)와 함께 새로운 에폭시 수지 시스템을 개발했습니다.

압축 가스 저장(CGS) :복합 재료는 가솔린 및 디젤에 대한 저배출 대안으로서 압축 천연 가스 용기 및 궁극적으로 수소 저장 탱크에 대한 증가하는 수요를 충족하는 데 도움이 될 수 있습니다. 열가소성 수지 기반 복합 CGS 탱크는 수명 종료 재활용 특성을 개선할 수 있는 반면 자동화 전략은 자동차 제조업체가 구현할 수 있는 저비용, 대량 생산을 허용할 수 있습니다. Steelhead Composites LLC(Goldon, CO.), Composite Prototyping Center(CPC, Plainview, NY) 및 University of Dayton Research Institute(UDRI, Dayton, Ohio)와 함께 DuPont은 구성 요소를 줄이는 새로운 제조 프로세스 및 열가소성 기반 수지 시스템을 설계했습니다. 무게, 재활용성 향상, 손상 저항 증가 및 생산 비용을 최대 20%까지 낮춥니다.

풍력 터빈 :발전 효율과 용량을 증가시키기 위해 더 가볍고 더 긴 풍력 터빈 블레이드가 필요하지만 이러한 블레이드를 생산하기 위한 오늘날의 복합 기술은 생산하는 데 시간이 많이 걸리고 경제적으로 재활용하기 어렵고 공장에서 현장으로 운송하기가 점점 더 어려워지고 있습니다. TPI Composites(Scottsdale, 아리조나), Arkema Inc.(King of Prussia, Pa.), Johns Manville(Denver, Co.), Huntsman Polyurethanes(Auburn Hills, Mich.), Strongwell(Bristol, VA), DowAksa USA , Chomarat North America(Williamston, SC), Composites One(Arlington Heights, IL), SikaAxson(현재 Sika Advanced Resins, Madison Heights, Mich.), Creative Foam(Fenton, Mich.) 및 Chem-Trend(Howell, Mich.) .) 본격적인 9미터 풍력 터빈 블레이드를 성공적으로 시연하고 열경화성 복합 소재에 비해 생산 비용을 절감하고 재활용성을 개선하는 열가소성 복합 소재에 대한 새로운 VARTM(진공 보조 수지 이송 성형) 공정을 도입했습니다. 또한 Arkema와 Electric Glass Fiber America LLC(노스캐롤라이나주 셸비), SAERTEX USA LLC(노스캐롤라이나주 헌터스빌), General Electric Co.(매사추세츠주 보스턴), TPI Composites Inc., 테네시 대학교, 국립 재생 에너지를 포함한 파트너 Energy Laboratory(NREL, Goldon, Co.)와 Colorado School of Mines(Golden)는 접착 결합 방법에 비해 제조 결함을 줄이고 잠재적인 솔루션으로 토대를 마련하는 열가소성 복합 재료를 위한 새로운 비접착 열 용접 방법을 개발했습니다. -더 긴 풍력 터빈 블레이드의 현장 조립.

이들 및 기타 IACMI 공동 프로젝트는 상업화를 주도하고 있습니다. IACMI 협업 결과로 인해 현재 10개 이상의 신제품이 상업적으로 이용 가능하며, 여기에는 신속한 경화, 제품 수명 연장 및 효율적인 제조 기술을 통한 비용 절감이 포함됩니다.

세계 수준의 R&D 시설 , 자원 및 인력 개발

협업 프로젝트 외에도 IACMI의 주요 차별화 요소 중 하나는 미국 전역에 전략적으로 위치한 혁신을 위한 생산 준비 환경입니다. 예를 들어, 미시간주 디트로이트에 위치한 IACMI의 SURF(Scale-Up Research Facility)는 50,000제곱피트 이상의 협업 공간, 생산 규모의 복합 재료 제조 장비, 분석 및 재료 준비 공간을 제공합니다. SURF는 산업체, 정부 및 학계 파트너에게 개방된 국내 유일의 파일럿 생산 규모 복합 제조 시설입니다.

오하이오에 있는 UDRI(University of Dayton Research Institute)의 복합 재료 연구실은 본격적인 제조 작업 세포와 소규모 비즈니스 인큐베이션을 제공합니다. UDRI는 20개 이상의 오하이오 소재 IACMI 회원과 협력하여 급속 경화 프리프레그 및 시트 몰딩 컴파운드 재료, 비닐 에스테르 수지, 대형 복합 재료 항공 구조용 적층 가공 공구, 탄소 나노튜브 생산 기술 등을 발전시켰습니다.

NREL의 설계, 분석 및 구조 검증 기능과 함께 CoMET(Composites Manufacturing and Education Technology Facility)는 콜로라도에 10,000제곱피트 시설을 제공합니다. CoMET에서 업계 파트너와 대학 연구원은 인발 탄소 섬유 스파 캡, 특수 유리 섬유 크기 및 새로운 열가소성 수지를 포함하여 메가와트 규모의 풍력 터빈 블레이드 재료 및 구성 요소를 설계, 프로토타입, 테스트 및 제조할 수 있습니다.

마지막으로, 인디애나 제조 연구소(Indiana Manufacturing Institute)는 퍼듀 대학교(Purdue University)와 협력하여 최근 새로운 복합 재료 제조 및 시뮬레이션 센터(Composite Manufacturing and Simulation Center)를 열었습니다. 이 센터는 주 파트너가 차세대 인더스트리 4.0 기술을 활용하고 제조에서 제품 수명 종료까지 복합 구조를 모델링하기 위한 포괄적인 시뮬레이션 도구를 개발할 수 있는 테스트베드 역할을 합니다.

R&D를 수행하는 것 외에도 IACMI는 고급 복합재 제조 인력을 강화하기 위해 노력합니다. IACMI는 창립 이래로:

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실습 워크숍에서 2,000명 이상의 참가자 교육

9,000명 이상의 K–12 학생들을 STEM 활동 및 기회에 참여시켰으며

100명 이상의 인턴을 유치했으며, 이들 중 100%가 학업 프로그램을 졸업한 후 6개월 이내에 업계 취업 제안이나 대학원 프로그램 승인을 받아 졸업했습니다.

이 칼럼은 IACMI와 그 파트너들의 작업을 강조하는 시리즈의 첫 번째 칼럼입니다. IACMI는 첨단 복합재 제조의 미래에 전념하고 있으며 강력한 공급망을 개발하고 제조업체의 기술적 위험을 줄이며 차세대 복합재 인력을 육성하기 위한 업계의 노력을 적극적으로 촉진하고 있습니다. 그러나 우리의 성공은 복합재 제조 커뮤니티의 참여와 혁신의 파이프라인을 제공하기 위한 지속적인 프로젝트 흐름에 달려 있습니다. iacmi.org에서 가입에 대해 자세히 알아보십시오.

저자 소개

Uday Vaidya는 테네시 대학의 FCMF(Fibers and Composites Manufacturing Facility) 소장이자 IACMI의 최고 기술 책임자이며 첨단 복합 재료 제조 분야의 테네시 대학-오크 릿지 국립 연구소 총재 의장입니다. Vaidya는 섬유 강화 폴리머 복합 재료를 사용한 제조 및 제품 개발 전문가입니다. Vaidya는 Elsevier's Composite B:Engineering 저널의 편집장을 맡고 있습니다. 그는 복합 기술을 사용한 체험 학습에 광범위한 학부 및 대학원생을 참여시킵니다.