【據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月28日報道】美國國防部高級研究計劃局(DARPA)在推進復(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)研究的項目中包括用于推進系統(tǒng)的“經(jīng)濟可承受性復(fù)合材料”(Affordable Composites for Propulsion)，“非熱壓罐工藝成型材料”(Out of Autoclave Materials)等，這些項目的研究使得5320-1系列預(yù)浸料在國防工業(yè)中取得了廣泛應(yīng)用。此外，DARPA近期還承擔(dān)了TRUST項目，研究復(fù)合材料一級結(jié)構(gòu)的粘結(jié)。
DARPA的“原料剪裁與成形”(TFF)計劃于2015年推出，旨在實現(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，利用自動纖維鋪放和自動帶層疊等工藝制造大尺寸、強化蒙皮部件，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，在典型的戰(zhàn)術(shù)軍用飛機結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成整個機身結(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，因為復(fù)合材料只能在重量超過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。
為了解決這個問題，TFF項目中正在開發(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度的材料(最終該計劃希望使用瀝青基碳纖維)以及高度對齊的不連續(xù)纖維，這些纖維可以訂制長度、表面改性、基體，并可以與其他材料的相結(jié)合，通過沖壓等快速工藝實現(xiàn)類似金屬板材的成形性。TuFF子項目由特拉華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)實施。
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)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)市場相關(guān)的公司，如西格里碳素公司(SGL Carbon，德國)和像素化的溫度控制專家表面生成公司(Surface Generation，英國)，該公司已經(jīng)提供了自動化成型系統(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峰會上進行了展現(xiàn)
TuFF和RAPM在2018年SAMPE展會上共展示了14項研究成果-包括對新材料的材料性能測試以及針對一系列具有挑戰(zhàn)性的零部件的成形演示驗證。后者能夠?qū)Σ牧虾凸に囘M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RTM工藝。還開發(fā)了使用彈簧加壓框架固定2D增強件以防止在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)過測試均不到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模塑結(jié)構(gòu)單元
RAPM還評估了表面生成公司具有自主知識產(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。可模塊化處理預(yù)浸料、有機片和干纖維，其中后者用于樹脂灌注。
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展動態(tài)控制架構(gòu)的開發(fā)”中有詳細介紹。
表面生成公司為RAPM團隊提供了一個完全集成的定制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)過多種配置的測試，包括真空、樹脂灌注、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，同時也具有等溫混合和循環(huán)加工的能力。
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