DARPA запускает инициативу TFF для доставки низкозатратных композитных материалов для оборонных применений

Агентство передовых исследовательских проектов обороны (DARPA, Арлингтон, Вирджиния, США), часть Министерства обороны США (DoD), имеет долгую историю в продвижении разработки технологий композитов. Это включает программы вроде Affordable Composites for Propulsion, Out of Autoclave Materials — которые привели к широкому использованию семейства препрегов 5320-1 в оборонной отрасли — и последнюю программу TRUST для склеенных первичных структур из композитов.

Обзор программы TFF. ИСТОЧНИК | «Advances in Composite Materials and Design Tools» Ян Ванденбранде, менеджер программы, Офис оборонных наук (DSO), DARPA на SAMPE 2019 (20-23 мая, Шарлотт, Северная Каролина, США)

Запущенная в 2015 году, программа DARPA Tailorable Feedstock and Forming (TFF) направлена на обеспечение быстрого, низкозатратного и гибкого производства композитных деталей весом менее 20 фунтов. Композитные детали хорошо конкурируют с металлами для крупных обшивок со упорками с процессами вроде автоматической укладки волокна и укладки ленты. Однако на типичном тактическом военном самолете около 80% деталей, составляющих всю структуру аэрофрейма, весят менее 20 фунтов. Огромное большинство этих деталей сделано из металлов, потому что композиты могут выиграть в торговых исследованиях только для оборонных деталей >20 фунтов.

Для решения этой проблемы TFF разрабатывает настраиваемую универсальную заготовку для формовки (TuFF) — материал, использующий традиционное PAN-углеродное волокно, резаное на определенные длины (в конечном счете программа надеется использовать питчевое углеродное волокно) и высокоориентированные прерывистые волокна, которые могут быть настроены по длине, модификации поверхности, матрице и гибридизации с другими материалами, при этом достигая формовочной способности, подобной листовому металлу, через быстрые процессы вроде штамповки. Подпрограмма TuFF возглавляет Университет Делавэра (UD, Ньюарк, Делавэр, США).

Целевая производительность материала Tailored universal Feedstock for Forming (TuFF). ИСТОЧНИК | «Advances in Composite Materials and Design Tools» Ян Ванденбранде, SAMPE 2019.

Сравнение процессов формовки и литья

Параллель TuFF для производства — подпрограмма формовки, возглавляемая Boeing Co. (Чикаго, Иллинойс, США) и называемая RApid high-Performance Molding (RAPM). Партнеры RAPM охватывают не только хорошо известные в авиации компании, включая поставщика материалов Solvay (Алфаретта, Джорджия, США) — Solvay Composite Materials (Брюссель, Бельгия и Темпе, Аризона, США) — и специалиста по термопластичным композитным структурам ATC Manufacturing (Пост-Фолз, Айдахо, США), но также компании, более часто ассоциируемые с авто и промышленными рынками, вроде SGL Carbon (Висбаден, Германия) и специалиста по пиксельному температурному контролю Surface Generation (Окхем, Рутленд, Великобритания), который поставлял автоматизированные системы литья для компрессионно-литых ноутбуков, литых под давлением пластиков и ряда композитных деталей и процессов.

RAPM сравнивает множество методов формовки на серии демонстрационных деталей. ИСТОЧНИК | «Advances in Composite Materials and Design Tools» Ян Ванденбранде, SAMPE 2019.

Результаты, представленные на SAMPE 2019

И TuFF, и RAPM представили результаты на SAMPE 2019 — 14 презентаций всего — включая тестирование свойств новых материалов и демонстрации формовки для набора сложных демонстрационных деталей. Последнее позволило боковое сравнение материалов и процессов, включая штамповку термопластичных композитов и литье смолы под давлением (RTM) термореактивных пластов, включая разработку от автомобильного высокодавливого RTM (HP-RTM) до варианта с более низким давлением, похожего на процесс Ultra RTM, используемый Audi и Voith Composites. Процессы также были разработаны с пружинным рамом для удержания 2D армирования для предотвращения морщин и других дефектов при предформовке/ливке 3D форм. Бенчмарк цикла для всех процессов был менее 30 минут на инструменте. Некоторые детали, сделанные штамповкой термопластичных композитов, достигли циклов до 5 минут.

Выбор презентаций SAMPE 2019 TFF

• Формовочная способность композитных заготовок TUFF — Шридхар Ярлагадда, Центр композитных материалов Университета Делавэра (UD-CCM)
• Замкнутая переработка CFRP в высокоориентированные высокопроизводительные композиты с коротким волокном — Дирк Хайдер, UD-CCM
• Оценка ориентации волокна через рентгеновскую компьютерную томографию — Дженнифер Сайтинс, Лаборатория исследований армии США
• Быстрое высокопроизводительное литье (RAPM) для мелких деталей — Гейл Хан, Boeing Company
• Фабрикация сложной детали с глубокими вытягиваниями методом литья смолы под давлением — Том Цоцис, Boeing Company
• Фабрикация авиационных производственных компонентов пружинным рамовым прессом — Тимоти Луччини, Boeing Company
• Быстрое высокопроизводительное литье структурных термопластичных композитных деталей — Гейл Хан, Boeing Company
• Гибкий анализ затрат производственной ячейки для литья мелких композитных деталей — Даниэль Чарльз, Boeing Company

Автоматизированная литейная ячейка Surface Generation

RAPM также оценила запатентованную систему PtFS Surface Generation по ряду применений для обработки термореактивных и термопластичных композитов в ближней к нетто и нетто форме. Ячейка обрабатывает препрег, органолист и сухое волокно, последнее используемое в инфузии смолы.

Промежуточные выводы были детально описаны в «Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells» Стивена Шевчука, Boeing Company.

Surface Generation снабдила команду RAPM полностью интегрированной индивидуальной ячейкой зажима, оснащения и литья PtFS, способной производить композитные компоненты до 0,9 м на 0,9 м. Ячейка может быть переконфигурирована для производства разных деталей за минуты и была протестирована с множеством конфигураций, включая вакуум, инфузию смолы, пресс-клав термореактивных пластов и консолидацию термопластичных композитов. У нее широкий диапазон и значительная история данных обработки деталей, а также способность смешивать изотермическую и циклическую обработку.