IACMI：高度な複合材料業界でイノベーションを推進

CAMX2019のIACMIメンバー。出典| IACMI

2015年の発足以来、Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation（IACMI — The Composites Institute、Knoxville、Tenn。、US）は、業界、学術機関、連邦政府、州政府、地方自治体のネットワークを構築し、改善に取り組んでいます。複合技術開発による米国のエネルギーと経済の安全。このコンソーシアムには、31の州に160を超えるメンバー、130を超える企業、17の学術機関が含まれています。 IACMIは、5番目のManufacturing USA Innovation Instituteとして発足し、米国エネルギー省のAdvanced Manufacturing Officeの支援を受けて、過去5年間で、5つの技術分野における高度な複合材料の開発を加速する能力を証明してきました。

• 複合材料とプロセス
• 圧縮ガス貯蔵（CGS）、
• 車両
• 風力タービン、および
• 設計、モデリング、シミュレーション。

インスティテュートの立ち上げ時に、これらの領域は、よりコスト、材料、およびエネルギー効率の高い複合材料製造が大きな影響を与える可能性がある領域として特定されました。それ以来、IACMI内の複合材料コミュニティは、米国のセキュリティニーズを強化するために、インフラストラクチャ、防衛、輸送などの拡大する市場をサポートするように成長しました。

2016年、IACMIは、5つの技術分野における低コストでエネルギー効率の高い複合材料の進歩と商業化を導くためのロードマップの開発を主導しました。業界の利害関係者の関与を得て作成されたロードマップは、テクノロジーの実装リスクを軽減し、高度な複合産業向けの堅牢なサプライチェーンを開発するために必要な有望な研究開発を特定しました。具体的には、ロードマップは、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）のコストを25％削減し、CFRPの内包エネルギーを50％削減し、リサイクル可能性または有用な製品に再利用するというIACMIの技術目標を達成するための200を超える技術経路の概要を示しています。

コラボレーティブイノベーションネットワーク

過去5年間で、ロードマップはIACMIとそのメンバーが共同技術デモンストレーションの取り組みを開始するきっかけとなりました。 7000万ドル以上が50以上の業界主導の研究開発プロジェクトに投資され、90のメンバー企業が参加しています。これらの資金提供を受けたプロジェクトは、IACMIメンバーのニーズに対応し、技術目標に向けて具体的な進歩を遂げるためのロードマップの最優先の活動と一致しています。 2020年が始まると、テクノロジー分野全体の最近のプロジェクトの例を反映します。

複合材料とプロセス： 速硬化性の樹脂と接着剤は、製造業者が複合部品の大量生産を達成するために必要なサイクルタイムを短縮するのに役立ちます。さらに、回収された不連続炭素繊維から作られた製品は、機械的特性をわずかに低下させるだけで、未使用の材料を製造するために必要なエネルギーの一部を必要とします。 Ashland Performance Materials（オハイオ州コロンバス）とパートナーは、希釈剤を含まないビニルエステルプリプレグを使用した新しい圧縮成形自動車フードインナーを実証しました。これにより、製造コストが22％削減され、具体化されたエネルギーが33％削減され、貯蔵寿命の安定性が向上し、冷蔵保管により、樹脂と繊維の界面強度が大幅に向上し、プリプレグスクラップのリサイクルと再利用の機会が可能になりました。 American Composites Manufacturers Association（ACMA、バージニア州アーリントン）およびプロジェクトパートナー、Continental Structural Plastics（CSP、ミシガン州オーバーンヒルズ）、CHZ Technologies（オハイオ州オースティンタウン）、A。Schulman（オハイオ州フェアローン）、オークリッジ国立研究所研究所（ORNL、テネシー州ノックスビル）も、専用または混合ストリームの複合廃棄物から貴重な材料を回収するためのスケーラブルな低熱熱分解法を開発しています。

モデリングとシミュレーション： モデリングおよびシミュレーションツールは、設計者が構造挙動を予測し、製造ステップを削減し、設計を最適化し、複合製品の製品テストとプロトタイプ開発を管理するのに役立ちます。 IACMI独自のCompositeVirtual Factory HUB（cvfHUB）は、複合材料の設計、製造、およびパフォーマンスの問題を解決するための商用シミュレーションツールへの安全なWebベースのアクセスをメンバーに提供します。 DuPont（ミシシッピ州トロイ）、Fibrtec（テキサス州アトランタ）、およびPurdue大学（インディアナ州ウェストラファイエット）は、予測モデリングツールを使用して、Fibrtecの柔軟な炭素繊維/ポリアミド複合トウプレグ材料とDuPontのRapid FabricFormation（RFF ）処理技術により、コストと炭素繊維の無駄を30％削減し、具体化されたエネルギーを40％削減できます。

車両： 繊維強化複合材料は、自動車メーカーが車両の質量削減の機会を最大化するのに役立ちますが、その実装は、高コスト、長い生産時間、信頼性の低い接合性、低いリサイクル性、および未発達のサプライチェーンによって制約されます。ニアネットシェイプ複合中間体用の高度に自動化された複合成形技術は、製造サイクル時間と無駄を削減しながら、設計の柔軟性を高めることができます。 Toray Composites（タコマ、ワシントン州）は、プリプレグサプライチェーンの専門家と提携して、対象となる自動車部品のコストを15％削減する高速炭素繊維プリプレグ成形技術を開発および最適化しました。一方、フォード（ミシガン州ディアボーン）とダウアクサ（マサチューセッツ州マリエッタ）、ダウケミカル（ミシガン州ミッドランド）、ORNL、ミシガン州立大学（ミシガン州ランシング）、テネシー大学（テネシー州ノックスビル）、パーデュ大学は、新しいエポキシ樹脂システムと、年間10万を超える自動車部品の大量生産に適したチョップドカーボンファイバーシート成形コンパウンド（SMC）を開発しました。

圧縮ガス貯蔵（CGS） ：複合材料は、ガソリンやディーゼルに代わる低排出ガスとして、圧縮天然ガス船、そして最終的には水素貯蔵タンクの需要の高まりに対応するのに役立ちます。熱可塑性プラスチックベースの複合CGSタンクは、耐用年数を経たリサイクル性の特性を向上させることができ、自動化戦略により、自動車メーカーによる実装のための低コストで大量生産が可能になります。 DuPontとSteelheadComposites LLC（コロラド州ゴールドン）、Composite Prototyping Center（CPC、ニューヨーク州プレインビュー）、およびデイトン大学研究所（UDRI、オハイオ州デイトン）は、コンポーネントを削減する新しい製造プロセスと熱可塑性樹脂システムを設計しました。重量が増え、リサイクル性が向上し、耐損傷性が向上し、製造コストが最大20％削減されます。

風力タービン ：発電効率と容量を向上させるには、より軽量でより長い風力タービンブレードが必要ですが、これらのブレードを製造するための今日の複合技術は、製造に時間がかかり、リサイクルが経済的に困難であり、工場から現場への輸送がますます困難になっています。 TPI Composites（アリゾナ州スコッツデール）、Arkema Inc.（ペンシルバニア州キングオブプロシア）、Johns Manville（コロラド州デンバー）、Huntsman Polyurethanes（ミシガン州オーバーンヒルズ）、Strongwell（バージニア州ブリストル）、DowAksa USA 、Chomarat North America（Williamston、SC）、Composites One（Arlington Heights、IL）、SikaAxson（現在はSika Advanced Resins、Madison Heights、MI）、Creative Foam（Fenton、MI）、Chem-Trend（Howell、Mich） 。）実物大の9メートルの風力タービンブレードの実証に成功し、熱硬化性複合材料と比較して製造コストを削減し、リサイクル性を向上させる熱可塑性複合材料用の新しい真空支援樹脂トランスファー成形（VARTM）プロセスを導入しました。さらに、アルケマと、Electric Glass Fiber America LLC（ノースカロライナ州シェルビー）、SAERTEX USA LLC（ノースカロライナ州ハンターズビル）、General Electric Co.（マサチューセッツ州ボストン）、TPI Composites Inc.、テネシー大学、国立再生可能企業などのパートナーエネルギー研究所（NREL、ノースカロライナ州ゴールドン）とコロラド鉱山学校（ゴールデン）は、接着剤接合法と比較して製造上の欠陥を減らし、 -より長い風力タービンブレードの現場組み立て。

これらおよびその他のIACMI共同プロジェクトは、商業化を推進しています。 IACMIコラボレーションの成果により、現在10を超える新製品が市販されており、迅速な硬化によるコストの削減、製品の寿命の延長、効率的な製造技術が含まれています。

世界クラスの研究開発施設 、リソースと労働力の開発

共同プロジェクトに加えて、IACMIの主な差別化要因の1つは、国中に戦略的に配置された、イノベーションのための生産準備が整った環境です。たとえば、ミシガン州デトロイトにあるIACMIのスケールアップ研究施設（SURF）は、50,000平方フィートを超えるコラボレーションスペース、生産規模の複合材料製造装置、分析および材料準備スペースを提供しています。 SURFは、産業、政府、および学術パートナーに開放されている、国内で唯一のパイロット生産規模の複合製造施設です。

オハイオ州のデイトン大学研究所（UDRI）の複合研究所は、本格的な製造作業セルと中小企業のインキュベーションを特徴としています。 UDRIは、20を超えるオハイオを拠点とするIACMIメンバーと提携して、急速硬化プリプレグおよびシート成形コンパウンド材料、ビニルエステル樹脂、大型複合材料航空構造用の添加剤製造工具、カーボンナノチューブ製造技術などを進歩させてきました。

複合材料製造および教育技術施設（CoMET）は、NRELの設計、分析、および構造検証機能と連携して、コロラド州に10,000平方フィートの施設を提供します。 CoMETでは、業界パートナーと大学の研究者が、メガワット規模の風力タービンブレードの材料とコンポーネントを設計、プロトタイプ作成、テスト、製造できます。これには、引抜成形された炭素繊維スパーキャップ、特殊なガラス繊維サイジング、新しい熱可塑性樹脂が含まれます。

最後に、パデュー大学と提携して、インディアナ製造研究所は最近、新しい複合材料製造およびシミュレーションセンターを開設しました。このセンターは、州のパートナーが次世代のインダストリー4.0テクノロジーを活用し、製造から製品サイクルの終了まで複合構造をモデル化するための包括的なシミュレーションツールを開発するためのテストベッドとして機能します。

IACMIは、研究開発に加えて、高度な複合材料製造の労働力を強化するために取り組んでいます。設立以来、IACMIには次のものがあります。

• 実践的なワークショップで2,000人以上の参加者をトレーニングしました
• STEMの活動と機会に9,000人以上の幼稚園から高校までの生徒を参加させ、
• 100人以上のインターンを受け入れました。その100％は、学術プログラムを卒業してから6か月以内に業界の求人または大学院プログラムの受け入れで卒業しました。

このコラムは、IACMIとそのパートナーの仕事に焦点を当てたシリーズの最初のものです。私たちIACMIは、高度な複合材料製造の未来に取り組んでおり、堅牢なサプライチェーンを開発し、製造業者の技術的リスクを軽減し、次世代の複合材料の労働力を育成するための業界の取り組みを積極的に促進しています。しかし、私たちの成功は、複合材料製造コミュニティの参加と、イノベーションのパイプラインを養うためのプロジェクトの継続的な流れにかかっています。 iacmi.orgで私たちに参加する方法の詳細をご覧ください。

作者について

Uday Vaidyaは、テネシー大学の繊維および複合材料製造施設（FCMF）のディレクター、IACMIの最高技術責任者を務め、テネシー大学オークリッジ国立研究所の先端複合材料製造部門の知事を務めています。 Vaidyaは、繊維強化ポリマー複合材料の製造と製品開発の専門家です。 Vaidyaは、Elsevier’s Composites B：Engineeringジャーナルの編集長を務めています。彼は、複合技術を使用した体験学習に、幅広い学部生と大学院生を従事させています。