DARPA lanceert TFF-initiatief voor laagkost composietmaterialen voor defensietoepassingen

The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Va., VS), onderdeel van het Amerikaanse Department of Defense (DoD), heeft een lange geschiedenis in het bevorderen van de ontwikkeling van composietentechnologie. Dit omvat programma's zoals Affordable Composites for Propulsion, Out of Autoclave Materials - wat leidde tot het wijdverspreide gebruik van de 5320-1 familie van prepregs in de defensie-industrie - en recent het TRUST-programma voor gelijmde composiet primaire structuren.

Gelanceerd in 2015, is DARPA's Tailorable Feedstock and Forming (TFF) programma gericht op het mogelijk maken van de snelle, laagkost en agile fabricage van composietonderdelen van minder dan 20 pond. Composietonderdelen scoren goed tegen metalen voor grote, verstevigde-schil onderdelen met processen zoals geautomatiseerde vezelplaatsing en tape-leggen. Echter, op een typisch tactisch militair vliegtuig, wegen ongeveer 80% van de onderdelen die de hele vliegtuigstructuur vormen minder dan 20 pond. De overgrote meerderheid van deze onderdelen zijn van metalen gemaakt omdat composieten alleen winnen in trade studies voor defensie-onderdelen >20 pond.

Om dit aan te pakken, ontwikkelt TFF een aanpasbare universele voerstoffen voor vormen (TuFF) - een materiaal dat traditionele PAN-gebaseerde koolstofvezel gebruikt gesneden tot specifieke lengtes (uiteindelijk hoopt het programma pitch koolstofvezel te gebruiken) en hooguitgelijnde discontinue vezels die aangepast kunnen worden in lengte, oppervlaktemodificatie, matrix en hybridisatie met andere materialen terwijl ze bladmetaal-achtige vormbaarheid bereiken via snelle processen zoals stampen. Het TuFF-subprogramma wordt geleid door de Universiteit van Delaware (UD, Newark, De., VS).

Vergelijking van vorm- en vormingprocessen

TuFF's parallel voor productie is het vorm-subprogramma, geleid door The Boeing Co. (Chicago, Ill., VS) en aangeduid als RApid high-Performance Molding (RAPM). Partners in RAPM omvatten niet alleen bedrijven die bekend zijn in de luchtvaart, inclusief materialenleverancier Solvay (Alpharetta, Ga., VS en Tempe, Az., VS) - Solvay Composite Materials (Brussel, België en Tempe, Az., VS) - en thermoplastische composietstructuren-specialist ATC Manufacturing (Post Falls, Id., VS), maar ook bedrijven vaker geassocieerd met auto- en industriële markten zoals SGL Carbon (Wiesbaden, Duitsland) en gepixelde temperatuurcontrole-specialist Surface Generation (Oakham, Rutland, VK), die geautomatiseerde vormsystemen heeft geleverd voor compressievormde laptops, geïnjecteerde kunststoffen en een reeks composietonderdelen en processen.

Resultaten gepresenteerd op SAMPE 2019

Zowel TuFF als RAPM presenteerden resultaten op SAMPE 2019 - 14 presentaties in totaal - inclusief materiaaleigenschapstesten van nieuwe materialen en vormdemonstraties voor een set uitdagende demonstrator-onderdelen. Het laatste heeft naast-allezijds vergelijkingen van materialen en processen mogelijk gemaakt, inclusief thermoplastische composite-stampvorming en thermohardende resin transfer molding (RTM), inclusief ontwikkeling van automobiel-achtige high-pressure RTM (HP-RTM) naar een lagere-druk variant vergelijkbaar met het Ultra RTM-proces dat door Audi en Voith Composites gebruikt wordt. Processen zijn ook ontwikkeld met een veer-geladen frame voor het vasthouden van 2D-versterkingen om krullen en andere defecten tijdens pre-vormen/vormen van 3D-vormen te voorkomen. De cyclus-tijd-benchmark voor alle processen was minder dan 30 minuten op tool. Sommige onderdelen gemaakt met thermoplastische composite-stamping bereikten cyclus-tijden van slechts 5 minuten.

Selectie van SAMPE 2019 TFF-presentaties

• Formability of TUFF Composite Blanks — Shridhar Yarlagadda, University of Delaware Center for Composite Materials (UD-CCM)
• Closed Loop Recycling of CFRP Into Highly Aligned High Performance Short Fiber Composites — Dirk Heider, UD-CCM
• Fiber Alignment Evaluation Through X-Ray Computed Tomography — Jennifer Sietins, U.S. Army Research Laboratory
• Rapid High-Performance Molding (RAPM) for Small Parts — Gail Hahn, The Boeing Company
• Fabrication of a Complex Part with Deep-Draw Sections by Resin Transfer Molding — Tom Tsotsis, The Boeing Company
• Spring Frame Press Fabrication of Aerospace Production Components — Timothy Luchini, The Boeing Company
• Rapid High-Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts — Gail Hahn, The Boeing Company
• Agile Analysis of Manufacturing Cell Costs for Molding of Small Composite Parts — Daniel Charles, The Boeing Company

Surface Generation geautomatiseerde vormcel

RAPM evalueerde ook Surface Generation's gepatenteerde PtFS-systeem over een reeks near-net en net-shape luchtvaart thermohardende en thermoplastische composietverwerkings-toepassingen. De cel verwerkt prepreg, organosheet en droge vezel, de laatste gebruikt in harsinfusie.

Tussentijdse bevindingen werden gedetailleerd in 'Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells' door Steven Shewchuk, The Boeing Company.

Surface Generation leverde het RAPM-team een volledig geïntegreerde op maat gemaakte PtFS-spanning, tooling- en vormcel capabel van het produceren van composietcomponenten tot 0,9 meter bij 0,9 meter. De cel kan in minuten herconfigureerd worden om verschillende onderdelen te produceren en is getest met meerdere configuraties inclusief vacuüm, harsinfusie, press-clave thermohardend en thermoplastische composiet-consolidatie. Het heeft een brede en significante geschiedenis van onderdeelverwerkingsdata evenals de mogelijkheid om isotherme en cyclische verwerking te mengen.