【據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月28日?qǐng)?bào)道】美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)在推進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展方面有著悠久的傳統(tǒng)和歷史，其承擔(dān)研究的項(xiàng)目中包括用于推進(jìn)系統(tǒng)的“經(jīng)濟(jì)可承受性復(fù)合材料”(Affordable Composites for Propulsion)，“非熱壓罐工藝成型材料”(Out of Autoclave Materials)等，這些項(xiàng)目的研究使得5320-1系列預(yù)浸料在國(guó)防工業(yè)中取得了廣泛應(yīng)用。此外，DARPA近期還承擔(dān)了TRUST項(xiàng)目，研究復(fù)合材料一級(jí)結(jié)構(gòu)的粘結(jié)。
DARPA的“原料剪裁與成形”(TFF)計(jì)劃于2015年推出，旨在實(shí)現(xiàn)重量小于20磅（9.07千克）的復(fù)合材料部件的快速、低成本和靈活制造。在大型復(fù)合材料部件的使用上，例如，利用自動(dòng)纖維鋪放和自動(dòng)帶層疊等工藝制造大尺寸、強(qiáng)化蒙皮部件，復(fù)合材料已經(jīng)展現(xiàn)出了與金屬材料相比更好的適用性。不過(guò)，在典型的戰(zhàn)術(shù)軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成整個(gè)機(jī)身結(jié)構(gòu)的大約80%的部件重量不到20磅（9.07千克）。而這其中絕大多數(shù)零件都是由金屬制成的，因?yàn)閺?fù)合材料只能在重量超過(guò)20磅（9.07千克）的主要防御部件中，相較于金屬材料取得明顯的優(yōu)勢(shì)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，TFF項(xiàng)目中正在開(kāi)發(fā)一種用于成形的可定制通用原料(TuFF)——一種使用傳統(tǒng)聚丙烯腈(PAN)基碳纖維裁剪成特定長(zhǎng)度的材料(最終該計(jì)劃希望使用瀝青基碳纖維)以及高度對(duì)齊的不連續(xù)纖維，這些纖維可以訂制長(zhǎng)度、表面改性、基體，并可以與其他材料的相結(jié)合，通過(guò)沖壓等快速工藝實(shí)現(xiàn)類似金屬板材的成形性。TuFF子項(xiàng)目由特拉華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施。
成形工藝比較
TuFF的并行制造是由波音公司領(lǐng)導(dǎo)的成形子項(xiàng)目，名為“RApid高性能成型”(RAPM)。RAPM的合作伙伴不僅包括航空航天領(lǐng)域的公司，還包括材料供應(yīng)商索爾維復(fù)合材料公司(比利時(shí))和熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)專家ATC制造技術(shù)公司，以及更多經(jīng)常與汽車和工業(yè)市場(chǎng)相關(guān)的公司，如西格里碳素公司(SGL Carbon，德國(guó))和像素化的溫度控制專家表面生成公司(Surface Generation，英國(guó))，該公司已經(jīng)提供了自動(dòng)化成型系統(tǒng)，可用于壓制成型的筆記本電腦用部件以及注塑成型塑料和一系列復(fù)合材料零部件。
結(jié)果在SAMPE 2019峰會(huì)上進(jìn)行了展現(xiàn)
TuFF和RAPM在2018年SAMPE展會(huì)上共展示了14項(xiàng)研究成果-包括對(duì)新材料的材料性能測(cè)試以及針對(duì)一系列具有挑戰(zhàn)性的零部件的成形演示驗(yàn)證。后者能夠?qū)Σ牧虾凸に囘M(jìn)行直觀的比較，不僅包括熱塑性復(fù)合材料成形和熱固性復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)，還包括從汽車工業(yè)中常用的高壓RTM(HP-RTM)開(kāi)發(fā)類似于奧迪和福伊特復(fù)合材料中經(jīng)常使用的低壓超級(jí)RTM工藝。還開(kāi)發(fā)了使用彈簧加壓框架固定2D增強(qiáng)件以防止在3D形狀預(yù)成形/模制期間出現(xiàn)褶皺和其他缺陷的工藝。所有工藝的生產(chǎn)循環(huán)周期基準(zhǔn)經(jīng)過(guò)測(cè)試均不到30分鐘。一些采用熱塑性復(fù)合材料沖壓制成的零件可實(shí)現(xiàn)低至5分鐘的生產(chǎn)循環(huán)周期。
表面生成公司的自動(dòng)模塑結(jié)構(gòu)單元
RAPM還評(píng)估了表面生成公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PtFS系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于各種近凈形和凈形航空航天熱固性和熱塑性復(fù)合材料加工應(yīng)用?？赡K化處理預(yù)浸料、有機(jī)片和干纖維，其中后者用于樹(shù)脂灌注。
中期研究結(jié)果在波音公司的Steven Shewchuk撰寫的“柔性復(fù)合材料制造工作單元的可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)控制架構(gòu)的開(kāi)發(fā)”中有詳細(xì)介紹。
表面生成公司為RAPM團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)完全集成的定制PtFS夾板、工具和模塑工作單元，能夠生產(chǎn)最大可達(dá)0.9米×0.9米的復(fù)合材料部件。工作單元可以在幾分鐘內(nèi)重新配置以生產(chǎn)不同的部件，并已經(jīng)過(guò)多種配置的測(cè)試，包括真空、樹(shù)脂灌注、熱固性和熱塑性復(fù)合材料壓力固化成形。該系統(tǒng)具有廣泛而重要的零件加工數(shù)據(jù)積累，同時(shí)也具有等溫混合和循環(huán)加工的能力。
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