美国国防部高级研究计划局(DARPA)在推进复合材料技术发展方面有着悠久的传统和历史,其承担研究的项目包括用于推进系统的“低成本复合材料”(Affordable Composites for Propulsion),“非热压罐工艺成型材料”(Out of Autoclave Materials)等,这些项目的研究使得5320-1系列预浸料在国防工业中取得了广泛应用。此外,DARPA近期还承担了TRUST项目,研究复合材料一级结构的粘结。

DARPA在低成本复合材料TFF计划中开发可定制通用原料-复合材料网

DARPA的“原料剪裁与成型”(TFF)计划于2015年推出,旨在实现重量小于20磅(9.07千克)的复合材料部件的快速、低成本和灵活制造。在大型复合材料部件的使用上,例如,利用自动铺丝和自动铺带等工艺制造大尺寸、强化蒙皮部件时,复合材料已经展现出了与金属材料相比更好的适用性。不过,在典型的战术军用飞机结构中,构成整个机身结构的大约80%的部件重量不到20磅(9.07千克)。而这其中绝大多数零件都是由金属制成的,因为复合材料只能在重量超过20磅(9.07千克)的主要防御部件中取得明显的比较优势。

为了解决这个问题,TFF项目中正在开发一种用于成型的可定制通用原料(TuFF)——一种使用传统聚丙烯腈(PAN)基碳纤维裁剪成特定长度的材料(最终该计划希望使用沥青基碳纤维)以及取向高度一致的不连续纤维,这些纤维的长度、表面改性、基体都可实现个性化定制,并可以与其他材料相结合,通过冲压等快速工艺实现类似金属板材的成型性。TuFF子项目由特拉华大学领导实施。

DARPA在低成本复合材料TFF计划中开发可定制通用原料-复合材料网

成型工艺比较

TuFF的并行制造是由波音公司领导的成型子项目,名为“RApid高性能成型”(RAPM)。RAPM的合作伙伴不仅包括航空航天领域的公司,还包括材料供应商索尔维复合材料公司(比利时)和热塑性复合材料结构专家ATC制造技术公司,以及更多汽车和工业市场相关公司,如西格里碳素公司(SGL Carbon,德国)和像素化的温度控制专家SG公司(Surface Generation,英国),该公司已经提供了自动化成型系统,可用于生产模压成型的笔记本电脑用部件以及注塑成型塑料和一系列复合材料零部件。

DARPA在低成本复合材料TFF计划中开发可定制通用原料-复合材料网

TuFF和RAPM共展示了14项研究成果,包括对新材料的性能测试以及针对一系列具有挑战性的零部件的成型演示验证。后者能够对材料和工艺进行直观的比较,不仅包括热塑性复合材料成型和热固性复合材料树脂传递模塑成型(RTM),还包括从汽车工业中常用的高压RTM(HP-RTM)衍生出的类似于奥迪和福伊特复合材料联合开发的低压超级RTM工艺。还开发了使用弹簧加压框架固定2D增强件以防止在3D预成型/模压过程中出现褶皱和其他缺陷的工艺。所有工艺的生产周期经过测试均不到30分钟。一些采用热塑性复合材料模压成型零件可实现低至5分钟的生产周期。

SG公司的自动模塑结构单元

RAPM还评估了SG公司具有自主知识产权的PtFS系统,该系统适用于各种近净成型和净成型航空航天热固性和热塑性复合材料加工应用。可模块化处理预浸料、有机板和干纤维,其中后者用于树脂灌注。

SG公司为RAPM团队提供了一个完全集成的定制PtFS夹板、工具和模塑工作单元,能够生产最大可达0.9米×0.9米的复合材料部件。工作单元可以在几分钟内进行重新配置,以便生产不同部件。该生产单元已经经过多种配置的测试,适用于真空树脂灌注、热固性和热塑性复合材料压力固化成型。该系统积累了大量的工作数据,同时也具有等温混合和循环加工的能力。