IACMI : pionnier de l'innovation dans la fabrication avancée de composites

Membres IACMI à CAMX 2019. Source : IACMI

Depuis son lancement en 2015, l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI — The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, États-Unis) a construit un réseau d'industriels, d'institutions académiques, et de gouvernements fédéral, étatiques et locaux qui travaillent ensemble pour améliorer la sécurité énergétique et économique des États-Unis par le développement de technologies composites. Ce consortium comprend plus de 160 membres dans 31 États, plus de 130 entreprises et 17 instituts académiques. Lancé comme cinquième Manufacturing USA Innovation Institute et soutenu par le Bureau de la Fabrication Avancée du Département de l'Énergie américain, IACMI a prouvé ses capacités au cours des cinq dernières années pour accélérer le développement des composites avancés dans cinq domaines technologiques :

• matériaux et procédés composites,
• stockage de gaz comprimé (CGS),
• véhicules,
• éoliennes, et
• conception, modélisation et simulation.

Au lancement de l'Institut, ces domaines ont été identifiés comme ceux où une fabrication composite plus efficiente en coûts, matériaux et énergie pourrait avoir un impact significatif. Depuis, la communauté composites au sein d'IACMI a grandi pour soutenir des marchés en expansion comme l'infrastructure, la défense et le transport pour renforcer les besoins de sécurité américains.

En 2016, IACMI a mené le développement d'une feuille de route pour guider l'avancement et la commercialisation de composites à faible coût et économes en énergie dans les cinq domaines technologiques. Développée avec l'engagement des parties prenantes industrielles, la feuille de route a identifié les R&D prometteuses pour réduire les risques d'implémentation technologique et développer une chaîne d'approvisionnement robuste pour l'industrie des composites avancés. Plus spécifiquement, la feuille de route décrivait plus de 200 voies technologiques pour atteindre les objectifs techniques déclarés d'IACMI : réduction de 25 % du coût des polymères renforcés de fibre de carbone (PRFC), réduction de 50 % de l'énergie grise des PRFC et 80 % de recyclabilité ou réutilisation en produits utiles.

Un réseau d'innovation collaboratif

Au cours des cinq dernières années, la feuille de route a catalysé IACMI et ses membres pour lancer des efforts collaboratifs de démonstration technologique. Plus de 70 millions $ ont été investis dans plus de 50 projets R&D menés par l'industrie, avec la participation de 90 entreprises membres. Ces projets financés s'alignent sur les activités prioritaires de la feuille de route pour répondre aux besoins des membres IACMI et progresser concrètement vers ses cibles techniques. En ce début 2020, nous réfléchissons sur des exemples récents de projets dans nos domaines technologiques.

Matériaux et procédés composites : Les résines et adhésifs à polymérisation rapide aident les fabricants à réduire les temps de cycle pour la production à haut volume de pièces composites. De plus, les produits faits de fibres de carbone discontinues récupérées demandent une fraction de l'énergie nécessaire pour produire de la fibre vierge avec seulement des réductions mineures des propriétés mécaniques. Ashland Performance Materials (Columbus, Ohio) et partenaires ont démontré un capot intérieur automobile moulé par compression innovant utilisant des préimprégnés vinyle ester sans diluant qui a réduit le coût de fabrication de 22 %, l'énergie grise de 33 %, prolongé la stabilité en rayon, éliminé le besoin de stockage réfrigéré, amélioré significativement la résistance interfaciale résine-fibre, et permis le recyclage et la réutilisation des chutes de préimprégnés. L'American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Virginie) et partenaires, Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), CHZ Technologies (Austintown, Ohio), A. Schulman (Fairlawn, Ohio), Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Knoxville, Tennessee), développent aussi une méthode de pyrolyse basse température scalable pour récupérer des matériaux précieux de déchets composites dédiés ou mélangés.

Modélisation et simulation : Les outils de modélisation et simulation aident les concepteurs à prédire le comportement structurel, réduire les étapes de production, optimiser la conception, et gérer les tests produit et développement de prototypes pour produits composites. Le Composite Virtual Factory HUB (cvfHUB) d'IACMI offre aux membres un accès web sécurisé à des outils de simulation commerciaux pour résoudre les problèmes de conception, fabrication et performance des matériaux composites. DuPont (Troy, Michigan), Fibrtec (Atlanta, Texas), et Purdue University (West Lafayette, Indiana) ont utilisé des outils de modélisation prédictive pour démontrer comment les matériaux tow-preg composites carbone/polyamide flexibles de Fibrtec et la technologie Rapid Fabric Formation (RFF) de DuPont pourraient réduire coût et déchets de fibre de carbone de 30 % et énergie grise de 40 %.

Véhicules : Les composites renforcés fibres aident les constructeurs à maximiser les opportunités d'allègement véhicule, mais leur implémentation est contrainte par coûts élevés, longs temps de production, assemblages peu fiables, faible recyclabilité et chaîne d'approvisionnement sous-développée. Des technologies de moulage composite hautement automatisées pour intermédiaires composites near-net-shape peuvent améliorer la flexibilité de conception tout en réduisant temps de cycle et déchets. Toray Composites (Tacoma, Washington) a partner avec des experts de la chaîne d'approvisionnement préimprégnés pour développer et optimiser une technologie de moulage rapide de préimprégnés carbone qui réduit le coût de composants automobiles ciblés de 15 %. Pendant ce temps, Ford (Dearborn, Michigan) avec DowAksa (Marietta, Géorgie), Dow Chemical (Midland, Michigan), ORNL, Michigan State University (Lansing, Michigan), University of Tennessee (Knoxville, Tennessee) et Purdue University ont développé un nouveau système de résine époxy ainsi qu'un composé de moulage en feuille (SMC) à fibre de carbone hachée adapté à la production de grande série excédant 100 000 pièces auto par an.

Stockage gaz comprimé (CGS) : Les matériaux composites peuvent aider à répondre à la demande croissante de vaisseaux gaz naturel comprimé — et éventuellement réservoirs hydrogène — comme alternative faible émission à l'essence et diesel. Les réservoirs CGS à base de composites thermoplastiques peuvent améliorer les caractéristiques de recyclabilité en fin de vie, tandis que des stratégies d'automatisation peuvent permettre une production à bas coût, haut volume pour implémentation par constructeurs automobiles. DuPont avec Steelhead Composites LLC (Golden, Colorado), Composite Prototyping Center (CPC, Plainview, New York) et University of Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio) ont conçu un nouveau procédé de fabrication et système de résine thermoplastique qui réduit le poids des composants, améliore la recyclabilité, augmente la résistance aux dommages et réduit les coûts de production jusqu'à 20 %.

Éoliennes : Alors que des pales plus légères et longues sont nécessaires pour augmenter l'efficacité et la capacité de production, les technologies composites actuelles pour les produire sont chronophages, économiquement difficiles à recycler et de plus en plus difficiles à transporter de l'usine au champ. TPI Composites (Scottsdale, Arizona), Arkema Inc. (King of Prussia, Pennsylvanie), Johns Manville (Denver, Colorado), Huntsman Polyurethanes (Auburn Hills, Michigan), Strongwell (Bristol, Virginie), DowAksa USA, Chomarat North America (Williamston, Caroline du Sud), Composites One (Arlington Heights, Illinois), SikaAxson (désormais Sika Advanced Resins, Madison Heights, Michigan), Creative Foam (Fenton, Michigan) et Chem-Trend (Howell, Michigan) ont démontré avec succès une pale éolienne de 9 m à échelle réelle et introduit un nouveau procédé de moulage par transfert de résine assisté vide (VARTM) pour composites thermoplastiques qui réduit les coûts de production et améliore la recyclabilité vs composites thermodurcissables. De plus, Arkema et partenaires incluant Electric Glass Fiber America LLC (Shelby, Caroline du Nord), SAERTEX USA LLC (Huntersville, Caroline du Nord), General Electric Co. (Boston, Massachusetts), TPI Composites Inc., University of Tennessee, National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colorado) et Colorado School of Mines (Golden) ont développé une nouvelle méthode de soudage thermique sans adhésif pour composites thermoplastiques qui réduit les défauts de fabrication vs méthodes de collage adhésif et pose les bases comme solution potentielle pour l'assemblage sur site de pales éoliennes plus longues.

Ces projets collaboratifs IACMI et d'autres stimulent la commercialisation ; plus de 10 nouveaux produits sont maintenant commercialement disponibles grâce aux résultats des collaborations IACMI, incluant coûts réduits par polymérisation rapide, longévité produit étendue et technologies de fabrication efficientes.

Installations R&D de classe mondiale, ressources et développement main-d'œuvre

En plus des projets collaboratifs, un des différenciateurs clés d'IACMI est ses environnements prêts pour la production pour l'innovation, stratégiquement situés dans le pays. Par exemple, le Scale-Up Research Facility (SURF) d'IACMI, situé à Detroit, Michigan, offre plus de 50 000 pieds carrés d'espace collaboratif, équipement de fabrication composites à échelle de production et espaces de préparation analytique et matériaux. SURF est la seule installation pilote de fabrication composites à échelle de production du pays ouverte aux partenaires industriels, gouvernementaux et académiques.

Le Laboratoire Composites de University of Dayton Research Institute (UDRI) en Ohio dispose de cellules de fabrication à échelle réelle et d'incubation de petites entreprises. UDRI a partner avec plus de 20 membres IACMI basés en Ohio pour faire avancer préimprégnés à polymérisation rapide et matériaux SMC, résines vinyle ester, outillage fabrication additive pour grandes aérostructures composites, technologies de production nanotubes carbone et plus.

Travaillant en conjonction avec les capacités de conception, analyse et validation structurelle de NREL, le Composites Manufacturing and Education Technology Facility (CoMET) fournit une installation de 10 000 pieds carrés au Colorado. À CoMET, partenaires industriels et chercheurs universitaires peuvent concevoir, prototyper, tester et fabriquer matériaux et composants de pales éoliennes mégawatt, incluant longerons en carbone pultrudés, tailles fibres de verre spécialisées et nouvelles résines thermoplastiques.

Enfin, en partenariat avec Purdue University, l'Indiana Manufacturing Institute a récemment ouvert son nouveau Composites Manufacturing and Simulation Center. Le centre sert de banc d'essai pour ses partenaires d'État pour profiter des technologies Industry 4.0 de nouvelle génération et développer des outils de simulation complets pour modéliser structures composites de la fabrication au cycle de vie produit.

En plus de la R&D, IACMI œuvre pour renforcer la main-d'œuvre de fabrication avancée de composites. Depuis sa création, IACMI a :

• formé plus de 2 000 participants en ateliers pratiques,
• engagé plus de 9 000 élèves K-12 dans des activités et opportunités STEM et
• accueilli plus de 100 stagiaires — 100 % desquels ont obtenu une offre d'emploi industriel ou acceptation en programme d'études supérieures dans les six mois suivant leur diplôme.

Cette chronique est la première d'une série mettant en lumière le travail d'IACMI et ses partenaires. Nous à IACMI sommes engagés pour l'avenir de la fabrication avancée de composites et catalysons activement les efforts industriels pour développer une chaîne d'approvisionnement robuste, réduire le risque technique pour les fabricants et former la prochaine génération de main-d'œuvre composites. Mais notre succès dépend de la participation de la communauté de fabrication composites, ainsi que d'un flux continu de projets pour alimenter le pipeline d'innovation. En savoir plus sur notre adhésion sur iacmi.org.

À propos de l'auteur

Uday Vaidya est Directeur du Fibers and Composites Manufacturing Facility (FCMF) de l'Université du Tennessee, Directeur Technique d'IACMI, et Chaire du Gouverneur Université du Tennessee-Oak Ridge National Laboratory en Fabrication Avancée de Composites. Vaidya est expert en fabrication et développement produit avec composites à matrice polymère renforcés fibres. Vaidya est Rédacteur en Chef pour le journal Composites B: Engineering d'Elsevier. Il engage un large éventail d'étudiants de premier et cycles supérieurs dans l'apprentissage expérientiel avec technologies composites.