DARPA startet TFF-Initiative für kostengünstige Composite-Materialien in Verteidigungsanwendungen

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Virginia, USA), Teil des US-Verteidigungsministeriums (DoD), blickt auf eine lange Geschichte in der Weiterentwicklung von Composite-Technologie zurück. Dazu gehören Programme wie Affordable Composites for Propulsion, Out of Autoclave Materials – was zur breiten Nutzung der 5320-1 Prepreg-Familie in der Verteidigungsindustrie führte – und jüngst das TRUST-Programm für geklebte Composite-Primärstrukturen.

TFF: Tailorable Feedstock and Forming

2015 gestartet, zielt DARPAs Tailorable Feedstock and Forming (TFF) Programm darauf ab, die schnelle, kostengünstige und agile Fertigung von Composite-Bauteilen unter 20 Pfund zu ermöglichen. Composite-Teile schneiden bei großen, versteiften Hautteilen mit Prozessen wie Automatisiertem Faserlegen (AFP) und Tape-Laying gut gegen Metalle ab. Bei einem typischen taktischen Militärflugzeug machen jedoch etwa 80 % der Teile, die die gesamte Zellenstruktur ausmachen, weniger als 20 Pfund aus. Die überwältigende Mehrheit dieser Teile wird aus Metallen gefertigt, weil Composites in Trade Studies nur für Verteidigungsbauteile >20 Pfund gewinnen.

Um dies zu adressieren, entwickelt TFF einen anpassbaren universellen Rohstoff für das Formen (TuFF) – ein Material mit traditioneller PAN-basierter Kohlenstofffaser, geschnitten auf spezifische Längen (das Programm hofft letztlich auf Pitch-Kohlenstofffaser) und hochausgerichteten diskontinuierlichen Fasern, die in Länge, Oberflächenmodifikation, Matrix und Hybridisierung mit anderen Materialien anpassbar sind, während sie blechähnliche Formbarkeit via schneller Prozesse wie Stempeln erreichen. Das TuFF-Teilprogramm wird von der University of Delaware (UD, Newark, Delaware, USA) geleitet.

Vergleich von Form- und Formgebungsprozessen

TuFFs Pendant in der Fertigung ist das Form-Teilprogramm, geleitet von The Boeing Co. (Chicago, Illinois, USA) und als RApid high-Performance Molding (RAPM) bezeichnet. Partner in RAPM umfassen nicht nur bekannte Luftfahrtunternehmen wie Materialzulieferer Solvay (Alpharetta, Georgia, USA) – Solvay Composite Materials (Brüssel, Belgien und Tempe, Arizona, USA) – und Thermoplast-Composite-Strukturspezialist ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, USA), sondern auch Unternehmen, die eher mit Automobil- und Industriemärkten assoziiert sind wie SGL Carbon (Wiesbaden, Deutschland) und der pixelgenauen Temperaturkontrollspezialist Surface Generation (Oakham, Rutland, UK), der automatisierte Formsysteme für pressgeformte Laptops, spritzgegossene Kunststoffe und diverse Composite-Teile und -Prozesse geliefert hat.

Ergebnisse auf SAMPE 2019 vorgestellt

Sowohl TuFF als auch RAPM präsentierten Ergebnisse auf der SAMPE 2019 – insgesamt 14 Präsentationen – einschließlich Materialeigenschaftstests neuer Materialien und Formdemonstrationen für einen Satz anspruchsvoller Demonstratorteile. Letztere ermöglichten Seitenvergleiche von Materialien und Prozessen, einschließlich thermoplastischem Composite-Stempeln und Duroplast-Resin-Transfer-Molding (RTM), einschließlich Entwicklung von automobil-typischem High-Pressure-RTM (HP-RTM) zu einer Niederdruckvariante ähnlich dem Ultra-RTM-Prozess von Audi und Voith Composites. Prozesse wurden auch mit einem federbelasteten Rahmen für 2D-Bewehrungen entwickelt, um Falten und andere Defekte während Vorformen/Formen von 3D-Formen zu verhindern. Der Zykluszeit-Benchmark für alle Prozesse lag unter 30 Minuten im Werkzeug. Einige Teile aus thermoplastischem Composite-Stempeln erreichten Zykluszeiten von nur 5 Minuten.

Auswahl der SAMPE 2019 TFF-Präsentationen

• 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

Surface Generation automatisierte Formzelle

RAPM evaluierte auch Surface Generations patentiertes PtFS-System über eine Reihe von Near-Net-Shape- und Net-Shape-Luftfahrt-Duroplast- und Thermoplast-Composite-Verarbeitungsanwendungen. Die Zelle verarbeitet Prepreg, Organoblech und Trockenfaser, letztere für Harzinfusion.

Zwischenergebnisse wurden in „Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells“ von Steven Shewchuk, The Boeing Company, detailliert.

Surface Generation lieferte dem RAPM-Team eine vollständig integrierte, maßgeschneiderte PtFS-Spann-, Werkzeug- und Formzelle, die Composite-Komponenten bis 0,9 m x 0,9 m fertigen kann. Die Zelle kann in Minuten auf verschiedene Teile umgerüstet werden und wurde mit multiplen Konfigurationen getestet, einschließlich Vakuum, Harzinfusion, Press-Clave-Duroplast und Thermoplast-Composite-Konsolidierung. Sie verfügt über eine umfangreiche und signifikante Historie von Bauteilverarbeitungsdaten sowie die Fähigkeit, isotherme und zyklische Verarbeitung zu mischen.