DARPA Luncurkan Inisiatif TFF untuk Material Komposit Berbahan Biaya Rendah Aplikasi Pertahanan

The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Va., AS), bagian dari U.S. Department of Defense (DoD), memiliki sejarah panjang dalam memajukan pengembangan teknologi komposit. Ini termasuk program seperti Affordable Composites for Propulsion, Out of Autoclave Materials — yang mengarah pada penggunaan luas keluarga prepreg 5320-1 di industri pertahanan — dan paling baru-baru ini program TRUST untuk struktur primer komposit yang diperekat.

Overview of TFF program. SOURCE | "Advances in Composite Materials and Design Tools" by Jan Vandenbrande, program manager, Defense Sciences Office (DSO), DARPA at SAMPE 2019 (May 20-23, Charlotte, N.C., AS)

Diluncurkan pada 2015, program Tailorable Feedstock and Forming (TFF) DARPA bertujuan untuk memungkinkan manufaktur bagian komposit yang cepat, biaya rendah dan cepat tanggap yang beratnya kurang dari 20 pon. Bagian komposit sangat baik dibandingkan logam untuk bagian kulit stiffened yang besar dengan proses seperti automated fiber placement dan tape layup. Namun, pada pesawat taktis militer standar, sekitar 80% bagian yang membentuk seluruh struktur bangku pesawat beratnya kurang dari 20 pon. Mayoritas bagian ini terbuat dari logam karena komposit hanya bisa menang dalam studi pertukaran untuk bagian pertahanan >20 pon.

Untuk mengatasi ini, TFF mengembangkan universal feedstock yang dapat disesuaikan untuk forming (TuFF) — sebuah bahan menggunakan serat karbon tradisional berbasis PAN yang dipotong ke panjang tertentu (akhirnya program berharap menggunakan serat karbon pitch) dan serat terputus yang sangat terarah yang dapat disesuaikan panjang, modifikasi permukaan, matriks dan hibridisasi dengan bahan lain sambil mencapai formabilitas seperti lembaran logam melalui proses cepat seperti stamping. Subprogram TuFF dipimpin oleh University of Delaware (UD, Newark, De., AS).

Target performance for Tailored universal Feedstock for Forming (TuFF) material. SOURCE | "Advances in Composite Materials and Design Tools" by Jan Vandenbrande, SAMPE 2019.

Perbandingan proses forming dan molding

TuFF's parallel for manufacturing is the forming subprogram, led by The Boeing Co. (Chicago, Ill., AS) and referred to as RApid high-Performance Molding (RAPM). Partners in RAPM span not only companies well-known in aerospace, including materials supplier Solvay (Alpharetta, Ga., AS) — Solvay Composite Materials (Brussels, Belgia dan Tempe, Az., AS) — and thermoplastic composite structures specialist ATC Manufacturing (Post Falls, Id., AS), but also companies more often associated with automotive and industrial markets like SGL Carbon (Wiesbaden, Jerman) dan pixellated temperature control specialist Surface Generation (Oakham, Rutland, Inggris), which has delivered automated molding systems for compression-molded laptop computers, injection-molded plastics and a range of composites parts and processes.

RAPM compares multiple forming methods on a series of demonstrator parts. SOURCE | "Advances in Composite Materials and Design Tools" by Jan Vandenbrande, SAMPE 2019.

Hasil yang disajikan di SAMPE 2019

Keduanya TuFF dan RAPM menyajikan hasil di SAMPE 2019 — 14 presentasi secara keseluruhan — termasuk pengujian properti bahan dari bahan baru dan demonstrasi forming untuk serangkaian bagian demonstrator yang menantang. Yang terakhir telah memungkinkan perbandingan sampingan materi dan proses, termasuk stamp-forming komposit termoplastik dan resin transfer molding (RTM) termoestabil, termasuk pengembangan dari HP-RTM (high-pressure RTM) mirip otomotif ke varian tekanan rendah yang mirip dengan proses Ultra RTM yang digunakan oleh Audi dan Voith Composites. Proses juga telah dikembangkan menggunakan frame spring-loaded untuk memegang penguatan 2D untuk mencegah kerutan dan cacat lain selama preforming/molding bentuk 3D. Benchmark waktu siklus untuk semua proses adalah kurang dari 30 menit di cetakan. Beberapa bagian yang dibuat dengan stamping komposit termoplastik mencapai waktu siklus rendah hingga 5 menit.

Seleksi Presentasi TFF SAMPE 2019

• 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

Sel otomasi Surface Generation

RAPM juga mengevaluasi sistem PtFS terpatent Surface Generation di seluruh berbagai aplikasi pemrosesan komposit termoestabil dan termoplastik penerbangan near-net dan net-shape. Sel ini memproses prepreg, organosheet dan serat kering, yang terakhir digunakan dalam resin infusion.

Hasil sementara dijelaskan dalam 'Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells' oleh Steven Shewchuk, The Boeing Company.

Surface Generation menyediakan tim RAPM dengan sel clamping, tooling dan molding bespoke yang sepenuhnya terintegrasi PtFS mampu menghasilkan komponen komposit hingga 0,9 meter x 0,9 meter. Sel dapat dikonfigurasikan ulang untuk menghasilkan bagian berbeda dalam hitungan menit dan telah diuji dengan beberapa konfigurasi termasuk vacuum, resin infusion, press-clave termoestabil dan konsolidasi komposit termoplastik. Ini memiliki sejarah data pemrosesan bagian yang luas dan signifikan serta kemampuan untuk mencampur pemrosesan isothermal dan siklus.