DARPA 提出了用于国防的低成本复合材料的 TFF 计划

国防高级研究计划局（DARPA，美国弗吉尼亚州阿灵顿）隶属于美国国防部 (DoD)，在推进复合材料技术发展方面有着悠久的历史。这包括诸如用于推进的经济型复合材料、非高压釜材料等项目——这导致了 5320-1 系列预浸料在国防工业中的广泛使用——以及最近的用于粘合复合主结构的 TRUST 项目。

TFF 程序概述。 来源 | “复合材料和设计工具的进步”，DARPA 国防科学办公室 (DSO) 项目经理 Jan Vandenbrande 在 SAMPE 2019（5 月 20-23 日，美国北卡罗来纳州夏洛特）

DARPA 的可定制原料和成型 (TFF) 计划于 2015 年启动，旨在实现重量不到 20 磅的复合材料部件的快速、低成本和敏捷制造。对于采用自动纤维铺放和胶带铺设等工艺的大型硬皮零件，复合材料零件与金属零件的交易非常好。然而，在典型的战术军用飞机上，构成整个机身结构的部件中约有 80% 的重量不到 20 磅。这些零件中的绝大多数是由金属制成的，因为复合材料只能在超过 20 磅的国防零件的贸易研究中获胜。

为了解决这个问题，TFF 正在开发一种可定制的通用成型原料 (TuFF)——一种使用传统 PAN 基碳纤维切割成特定长度的材料（该计划最终希望使用沥青碳纤维）和高度对齐的不连续纤维，可以在长度、表面改性、基体和与其他材料的混合，同时通过冲压等快速工艺实现类似钣金的可成形性。 TuFF 子项目由特拉华大学（美国德州纽瓦克 UD）领导。

定制通用成型原料 (TuFF) 的目标性能） 材料。来源 | “复合材料和设计工具的进步”，作者 Jan Vandenbrande，SAMPE 2019。

成型与成型工艺对比

TuFF 的制造平行项目是由波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）领导的成型子项目，称为 RApid 高性能成型 (RAPM)。 RAPM 的合作伙伴不仅涉及航空航天领域的知名公司，包括材料供应商 Solvay（美国佐治亚州阿尔法利塔）—Solvay Composite Materials（比利时布鲁塞尔和美国亚利桑那州坦佩）—以及热塑性复合材料结构专家 ATC Manufacturing（ Post Falls, Id., US)，但也有更多与汽车和工业市场相关的公司，如 SGL Carbon（德国威斯巴登）和像素化温度控制专家 Surface Generation（Oakham，Rutland，UK），该公司已经为压模笔记本电脑、注塑塑料以及一系列复合材料零件和工艺。

RAPM 在一系列演示器上对比多种成型方法部分。来源 |“复合材料和设计工具的进步”，作者 Jan Vandenbrande，SAMPE 2019。

在 SAMPE 2019 上展示的结果

TuFF 和 RAPM 都在 SAMPE 2019 上展示了结果——总共 14 个展示——包括新材料的材料特性测试和一组具有挑战性的演示器部件的成型演示。后者实现了对材料和的并排比较 工艺，包括热塑性复合材料冲压成型和热固性树脂传递成型 (RTM)，包括从类似汽车的高压 RTM (HP-RTM) 发展到类似于奥迪和福伊特复合材料使用的 Ultra RTM 工艺的低压变体.还开发了使用弹簧加载框架来固定 2D 增强材料的工艺，以防止在 3D 形状的预成型/成型过程中出现皱纹和其他缺陷。所有流程的循环时间基准在工具上不到 30 分钟。一些由热塑性复合材料冲压制成的零件实现了低至 5 分钟的循环时间。

SAMPE 2019 TFF 演讲精选

• TUFF 复合坯料的成型性 —Shridhar Yarlagadda，特拉华大学复合材料中心 (UD-CCM)
• 将 CFRP 闭环回收成高度排列的高性能短纤维复合材料 —Dirk Heider，UD-CCM
• 通过 X 射线计算机断层扫描评估光纤对准 — Jennifer Sietins，美国陆军研究实验室
• 用于小零件的快速高性能成型 (RAPM) — Gail Hahn，波音公司
• 通过树脂传递成型制造具有深冲截面的复杂零件 — Tom Tsotsis，波音公司
• 航空航天生产部件的弹簧框架压力机制造 — Timothy Luchini，波音公司
• 结构热塑性复合材料部件的快速高性能成型 — Gail Hahn，波音公司
• 小型复合材料零件成型制造单元成本的敏捷分析 ——丹尼尔·查尔斯，波音公司

表面生成自动化成型单元

RAPM 还评估了 Surface Generation 的专利 PtFS 系统在一系列近净形和净形航空航天热固性和热塑性复合材料加工应用中的应用。该细胞处理预浸料、有机片材和干纤维，后者用于树脂灌注。

波音公司的 Steven Shewchuk 在“柔性复合材料制造工作单元的可扩展动态控制架构的开发”中详细介绍了临时调查结果。

Surface Generation 为 RAPM 团队提供了一个完全集成的定制 PtFS 夹紧、模具和成型单元，能够生产高达 0.9 米 x 0.9 米的复合部件。该单元可以重新配置以在几分钟内生产不同的部件，并且已经通过多种配置进行了测试，包括真空、树脂灌注、压力釜热固性和热塑性复合材料固结。它具有广泛而重要的零件加工数据历史，以及混合等温和循环加工的能力。