DARPA启动TFF计划 为国防应用提供低成本复合材料

美国国防高级研究计划局（DARPA，弗吉尼亚阿灵顿）隶属美国国防部（DoD），在推进复合材料技术发展方面历史悠久。这包括“可负担推进复合材料”、“非高压釜材料”等项目——后者促成5320-1系列预浸料在国防工业广泛应用——以及最近针对粘接复合主要结构的TRUST项目。

TFF计划概览。 来源 | “复合材料与设计工具进展” Jan Vandenbrande，国防科学办公室(DSO)项目经理，DARPA，SAMPE 2019（5月20-23日，北卡罗来纳夏洛特）

2015年启动的DARPA“可定制原料与成型”（TFF）计划旨在实现重量<20磅复合部件的快速、低成本、敏捷制造。复合部件在大型加筋蒙皮件上通过自动化铺丝和铺带工艺对金属极具竞争力。然而典型战术军机约80%机身结构部件重量<20磅。绝大多数此类部件用金属制造，因复合材料仅在>20磅国防部件权衡研究中获胜。

为解决此问题，TFF开发“可定制通用成型原料”（TuFF）——采用传统PAN基碳纤维切割特定长度（最终望用沥青基碳纤维）和高度取向不连续纤维，可在长度、表面改性、基体及与其他材料杂化方面定制，同时通过冲压等快速工艺实现类钣金成形性。TuFF子项目由特拉华大学（UD，特拉华纽瓦克）牵头。

可定制通用成型原料（TuFF）材料目标性能。来源 | “复合材料与设计工具进展” Jan Vandenbrande，SAMPE 2019。

成型工艺对比

TuFF制造对应子项目为成型项目，由波音公司（美国伊利诺伊芝加哥）牵头，称为“快速高性能模塑”（RAPM）。RAPM合作伙伴不仅涵盖航空航天知名企业，如材料供应商Solvay（比利时布鲁塞尔和美国亚利桑那坦佩）、热塑性复合结构专家ATC Manufacturing（美国爱达荷波斯特福尔斯），还包括汽车和工业市场常见企业，如SGL Carbon（德国威斯巴登）和像素化温控专家Surface Generation（英国拉特兰奥克姆），后者为压缩模塑笔记本电脑、注塑塑料及各类复合部件工艺提供自动化模塑系统。

RAPM在一系列演示件上对比多种成型方法。来源 | “复合材料与设计工具进展” Jan Vandenbrande，SAMPE 2019。

SAMPE 2019成果展示

TuFF和RAPM在SAMPE 2019共展示14项成果——包括新材料性能测试和一组高难度演示件成型演示。后者实现材料和工艺并行对比，含热塑性复合冲压成型和热固性树脂传递模塑（RTM），包括从汽车类高压RTM（HP-RTM）到类似奥迪和Voith Composites采用的Ultra RTM低压变体。还开发了弹簧加载框架固持2D增强材料防止3D形状预成型/模塑起皱缺陷。所有工艺基准循环时间<30分钟（在模时间）。部分热塑性复合冲压件循环低至5分钟。

SAMPE 2019 TFF精选报告

• TUFF复合坯料成形性 — Shridhar Yarlagadda，特拉华大学复合材料中心(UD-CCM)
• CFRP闭环回收制高取向高性能短纤维复合材料 — Dirk Heider，UD-CCM
• X射线计算机断层扫描评估纤维取向 — Jennifer Sietins，美国陆军研究实验室
• 小部件快速高性能模塑(RAPM) — Gail Hahn，波音公司
• 树脂传递模塑制造深拉深复杂部件 — Tom Tsotsis，波音公司
• 弹簧框架压机制造航空航天生产部件 — Timothy Luchini，波音公司
• 结构热塑性复合部件快速高性能模塑 — Gail Hahn，波音公司
• 小复合部件模塑制造单元成本敏捷分析 — Daniel Charles，波音公司

Surface Generation自动化模塑单元

RAPM还评估了Surface Generation专利PtFS系统在一系列近净成形/净成形航空航天热固性和热塑性复合加工应用中的表现。该单元处理预浸料、有机片材和干纤维，后者用于树脂灌注。

中期发现详见Steven Shewchuk（波音公司）的“面向柔性复合材料制造工作单元的可扩展动态控制架构开发”。

Surface Generation为RAPM团队提供全集成定制PtFS夹持、工装和模塑单元，可生产0.9×0.9米以内复合部件。单元可在数分钟内重配置生产不同部件，经多配置测试含真空、树脂灌注、压力釜热固性和热塑性复合固结。拥有广泛显著部件加工数据历史，可混合等温和循环加工。