高度對齊、短纖維可定制的通用成型原材料實現了航空航天性能，在零浪費的情況下實現了中試工廠，從纖維到零件類似金屬的可成型性。

DARPA TFF 計劃可定制的通用成型原料

TuFF 短纖維片材，適用于價格合理的復雜形狀復合材料零件 UD-CCM 開發了可定制的通用成型原材料(TuFF-Tailorable Universal Feedstock)，這是一種片材，由于高度的纖維排列和長度控制，它可以達到 UD 預浸料坯級的纖維體積和性能（此處顯示的是IM7碳纖維），但由于其平面內可拉伸性，它很容易形成復雜的形狀。

 

美國國防高級研究計劃局（DARPA，美國弗吉尼亞州阿靈頓）于 2015 年啟動了可定制原材料和成型(TFF-Tailorable Feedstock and Forming)計劃，以實現重量小于 20磅的復雜幾何形狀復合材料零件的快速、低成本和敏捷制造。復合材料在采用自動鋪帶和纖維鋪設(ATL/AFP)等工藝制造的大型強化蒙皮中戰勝了金屬。然而，一個典型的戰術軍用機身中 80%以上的零件都是幾何形狀復雜的小型零件。對于這些，由于復合材料和小零件制造的高成本和復雜性，機加工鋁受到青睞。復合材料行業和TFF項目顧問杰夫·亨德里克斯(Jeff Hendrix)說：“你可以買一塊4到6英寸的鋁板，把它扔到數控加工中心，然后按下按鈕。”DARPA國防科學辦公室的項目經理米克·馬赫(Mick Maher)是TFF的創始人，他解釋道：“盡管金屬零件的制造成本更低，但它們額外的重量以及對開裂和腐蝕的易感性導致了系統的次優性能。”（盡管馬赫在 2016 年完成了 DARPA 的五年任期，但他對 TFF 的愿景與現任 DARPA 項目經理揚·范登布蘭德（Jan Vandenbrande 博士相同。）亨德里克斯對此表示贊同，但他指出，“沒有人會為這些較小部件中的復合材料減重支付雙倍的費用；它們必須比鋁更具成本競爭力。”

 

為了實現這一愿景，TFF 分為兩個子程序——第一個子程序用于第 1 部分中討論的材料（原料），第二個子程序用于下個月的第 2 部分中探討的成型（成型）：

 

• 特拉華大學復合材料中心（UD-CCM- University of Delaware (UD) Center for Composite Materials，美國特拉華州紐瓦克）領導的可定制通用成型原材料（TuFF-Tailorable Universal Feedstock for Forming）
• 由波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）領導的 RApid 高性能制造（RAPM- RApid high-Performance Manufacturing，發音為“wrap em”）。TuFF 原材料是一種高度對齊、不連續的薄層形式的纖維預成型體，可與熱塑性（TP- thermoplastic）或熱固性（TS- thermoset）樹脂組合用于預浸料，或以干形式用于基于浸漬的工藝。一種正在申請專利的不連續碳纖維對準和預成型工藝已在 UD-CCM 的一個 5 噸/年的試驗設施中進行了演示，該試驗設施包括：
• 短纖維分布和對準
• 自動鋪放和堆疊
• 預浸和定制坯料生產
• TS/TP 成型和液體成型工作站，將于 2020 年第三季度增加。

 

對準過程與纖維材質無關，TuFF 預成型件是用航空航天級聚丙烯腈(PAN)碳纖維（例如 IM7、 T800）、瀝青碳纖維、再生碳纖維、玻璃和陶瓷纖維制造的。具有<1%空隙和高達 63%纖維體積的層壓板在成型過程中表現出>40%的雙軸平面內應變能力，像金屬能夠在沒有厚度變化或復雜鋪層圖案的情況下成型復雜幾何形狀。試點工藝線還展示了TuFF工藝廢料纖維的閉環回收和再利用，目標是實現零廢物制造。作為其復合材料卓越獎(ACE)計劃的一部分，TuFF在2019年CAMX上獲得了美國復合材料制造商協會（ACMA；美國弗吉尼亞州阿靈頓）頒發的市場增長無限可能性獎。

 

開發不連續纖維復合材料

 

連續碳纖維給TFF的目標帶來了兩個問題：它昂貴且難以形成復雜的形狀。短纖維提供了可成形性，但目前的形式和工藝，如注射成型，不能提供所需的高纖維體積性能（圖 1）。還有一個問題是，如何在越來越分散的國防部市場上以較低的數量分攤高昂的工裝和零件開發成本。

 

UD-CCM主任、TuFF首席研究員小約翰·W·吉萊斯皮（John W.Gillespie，Jr.）博士補充道：“這使得復合材料零件在獨特的零件/工藝/程序認證方面變得昂貴。”。當時，TuFF 的目標是開發一種能夠證明類似金屬的可成形性的材料，但也可以進行定制，以滿足國防部的一系列應用需求和數量。

圖1：短纖維形式、長纖維性能和可成型性，可降低零件成本DARPA資助的TuFF計劃的目標是提供一種通用材料，該材料可以定制以滿足特定零件和計劃的要求，但仍能使復合材料在國防應用中戰勝機加工鋁小零件（<10 公斤），即使商用飛機和汽車領域的最新技術進步，復合材料的市場滲透率仍然很小。

 

亞拉加達（Yarlagadda）說：“TuFF計劃旨在解決幾個關鍵挑戰，包括如何制造直徑較小的短碳纖維，使復合材料具有航空航天性能。”。“我們的想法是轉向低成本的瀝青前體，直接生產短纖維，而不是切割連續纖維，旨在提高IM（中等模量）碳纖維的性能。”該項目包括德雷塞爾大學（美國賓夕法尼亞州費城）、弗吉尼亞理工學院和州立大學（美國弗吉尼亞州布萊克斯堡）以及克萊姆森大學（美國南卡羅來納州克萊姆森）作為分包商，后者在瀝青纖維上完成大部分工作。

 

亞拉加達解釋道：“這是一個具有挑戰性的問題，因為你所看到的工藝與生產連續纖維的工藝非常不同。”盡管已經對克萊姆森瀝青纖維的多次迭代進行了評估，但開發和成熟瀝青纖維技術還需要 DARPA TuFF 項目之外的額外工作。因此，本文給出的 TuFF結果是使用切割成短長度的商用連續 PAN 纖維實現的。下文將討論成本影響。

圖 2：短纖維材料的歷史

TuFF 最終在之前的努力失敗的地方取得了成功，因為它能夠嚴格控制纖維長度并與位于可成形性最佳點內的長寬比對準。

 

幾十年來，人們一直在尋找價格合理、可成型復合材料的短碳纖維解決方案（圖 2），包括 DiscoTex、拉伸斷裂碳纖維（SBCF-stretch-broken carbon fiber）和 HiPerDif-High Performance Discontinuous Fiber（高性能不連續纖維）。對于SBCF，機械工藝將連續的 PAN 碳纖維斷裂成 25-50 毫米或更長的長度。對于使用的直徑為 0.005 毫米的 IM7碳纖維（美國康涅狄格州斯坦福德 Hexcel）, 這給出了 10000 的縱橫比。亞拉加達解釋道：“超過 10000 的縱橫比需要很高的成形力。”他指出，可成形性的最佳點是縱橫比在 100 到 1000 之間。TuFF 使用 3 毫米長的 IM7 纖維，縱橫比為 600。

 

亞拉加達說：“從20世紀90年代末開始發表的技術論文表明，長徑比為100的短纖維應與連續纖維的硬度相匹配，長徑比為1000的短纖維也應與強度相匹配。”。“但纖維對準也存在問題。”

 

由英國布里斯托爾大學（Bristol）開發的高性能不連續纖維（HiPerDiF）能夠使用一系列不同長度的碳纖維原料，從 1 毫米到 12 毫米長，這些原料懸浮在水中，并從噴嘴沉積到基質上，以形成對齊的纖維預成型件。因此，與拉伸斷裂碳纖維（SBCF）相比，它們改善了纖維排列，但據報道，67%的纖維位于單向±3度以內。TuFF實現了95%以上的纖維在所需方向的5度內排列。

 

受控、均勻的微觀結構

 

UD-CCM 助理總監、TuFF 項目負責人德克·海德（Dirk Heider）解釋道：“通過這種高水平的纖維排列，我們可以獲得與單向預浸料相同的纖維體積。”。他指出，使用 3 毫米長 IM7 碳纖維的復合材料已證明纖維體積控制在 40%至 63%之間。

 

另一個關鍵因素是纖維長度控制；95%的 IM7 纖維長 2.8 至 3.2 毫米（標稱 3±0.2 毫米）。吉萊斯皮（Gillespie）解釋道：“你希望纖維長度非常一致，以優化機械和成型性能，從而實現可重復的工藝。”。海德補充道，3 毫米的 IM7 纖維長度足以提供完整的性能轉換，同時降低成型壓力和工具成本。“無論纖維類型如何，我們都能控制微觀結構，”他說。亞拉加達補充道，“如果你有均勻的微觀結構，那么你就有了全局均勻的響應，從而在成形過程中獲得一致的零件厚度。”

 

散紗尺寸是一個因素嗎？“不，”海德說。“你必須在細紗水平上對齊，否則你就無法獲得性能和受控微觀結構的轉換。我們從外部供應商那里收到切碎的 IM7 絲束，然后將其分散在水中成絲。然后，我們將細紗沉積為具有非常高對齊度的薄片，以非?？煽氐姆绞綄⒗w維重新組合在一起。”。“正在申請專利的 TuFF 工藝生產鋪層（8 微米厚）纖維片，然后可以堆疊成定制的厚層、切割成坯件或切割成膠帶。薄層是指展開的絲束，例如，5 毫米寬的 12K 高強度（HS- high-strength）碳纖維絲束通常被展開到 25 毫米寬的膠帶上。海德指出：“我們已經證明了一種具有良好可操縱性的薄層膠帶，其半徑為 1 英寸，而連續纖維膠帶的半徑為 40-50 英寸。”

 

海德說，標準模量纖維的直徑約為 7 微米（0.007毫米），這意味著 TuFF 的纖維長度為 4 至 5 毫米 所需的縱橫比為 100-1000。他還指出，復合材料的性能不僅取決于纖維，還取決于樹脂和樹脂-纖維界面。海德說：“我們一直在研究商業纖維，這種纖維經過航空熱塑性樹脂和環氧樹脂的表面處理，但不是上漿。”

 

“我們的短纖維和樹脂之間表現出良好的結合，這在 2019 年 SAMPE 上發表的幾篇論文中有報道。”

 

航空航天性能，類似金屬成形性

 

吉萊斯皮說：“我們正在用PEI（聚醚酰亞胺）和PEKK（聚醚酮）熱塑性塑料以及Hexcel 8552環氧樹脂（用于 HexPly 單向預浸料）測試對齊的短纖維材料，以展示航空航天級復合材料的性能。”。PEI 測試已經完成，顯示復合材料的性能與連續碳纖維相當（圖 3），包括拉伸、壓縮和剪切，以及缺口性能，如開孔拉伸和壓縮(OHT- open-hole tension /OHC- compression open- hole)和承載強度。PEKK 和 8552 環氧樹脂的測試正在進行中，將于今年完成。

圖 3. 獲得UD 預浸料性能

在初步測試中（見下文），TuFF 顯示出與UD 預浸料相同的性能，并且由于薄簾布層微觀結構，與標準IM7/8552 環氧樹脂預浸料相比，薄簾布層（60gsm/60 微米厚）IM7/PEI 材料的某些性能甚至有所提高。

 

亞拉加達說：“我們能夠生產空隙率小于1%的復合材料層壓板。”。“我們還展示了與UD熱固性和熱塑性預浸料相當的性能，以及薄層TuFF格式的一些初步數據。”薄層增強材料已被證明可以提高承載能力，減少裂紋擴展，從而提高損傷容限。亞拉加達補充道：“這一初步數據顯示，由于薄鋪層的微觀結構，抗拉強度提高了30%。”

 

他補充道：“這種材料在平面內是可拉伸的，所以它可以像金屬一樣成形。”。TuFF 已形成雙軸應變大于 40%的零件幾何形狀。“我們保持邊界并將其成形，非常像金屬成形過程。”TuFF 的可成形性已被證明適用于一系列疊層，包括 0 度和 90 度單向（UD）、0/90 雙軸和準各向同性。圖 4 和下面視頻中的圖像也展示了一系列復雜形狀的零件。“我們從薄零件開始，因為無法隱藏缺陷。”

 

纖維到零件試點工廠

 

UD-CCM的高級科學家、TuFF的共同發明人約翰·蒂爾尼（John Tierney）博士說：“我們在 DARPA 項目中的目標之一是超越實驗室規模的系統。”。“經過幾次迭代，我們目前有兩條 24 英寸寬的生產線，用于生產對齊的短纖維片材：一條標準線和一條離軸線，用于產生傾斜的纖維方向（例如，45、30、60 度）。”這些生產線的標準片材是一種連續的薄層材料，厚度為8微米，約為8克/平方米（圖 5）。片材被卷繞到輥上，然后將輥裝載到相鄰的自動堆疊系統中。這是在內部構建的，需要單獨的輥和堆疊多達八層，以構建所需的纖維面積重量和纖維定向疊層，從而產生 30-190 克/平方米和 30-190 微米厚的標準預浸料和坯料。

 

亞拉加達指出：“第三臺機器，用于預浸和定制坯料制造，大部分是現成的，但是為處理我們的材料而定制的。”。“在使用這臺機器之前，我們一直在使用樹脂膜工藝，將堆疊的片材與樹脂膜分層，然后施加熱量和壓力進行固結。半連續分度壓力機的設計使我們能夠制造預浸料坯或定制的熱塑性坯料。”

 

他解釋說，制作坯件的過程不是將膠帶應用于旋轉臺上的 AFP 過程。“它遵循標準的復合材料疊層方法，在這種方法中，量身定制的坯料設計驅動了疊層順序。TuFF 所能做的是簡化坯料幾何形狀，消除復雜的厚度變化和疊層形狀，因為平面內拉伸能力允許復雜的成型。”海德解釋說，在隨后的成型工作站中，可以生產0.9 乘 1.2 米的零件，“我們通常使用特定疊層的矩形預固結坯件，然后將其成型，類似于金屬板成型。我們還制作干坯件，并將其成型用于液體樹脂注入。”這項工作是由 UD-CCM 的小型公司孵化器 Composites Automation LLC 完成的，該孵化器也位于紐瓦克。海德補充道：“結果看起來非常有希望。”。“我們可以使用熱塑性面紗穩定材料，然后很容易地將其預成型，然后注入。”

 

蒂爾尼強調，這個具有集成自動化和 5 噸/年產能的中試工廠展示了 TuFF 技術的工業可擴展性。他解釋道：“所有的硬件都反映了一個全尺寸工廠的樣子。”。“它目前正在為我們的材料特性測試和成型演示提供所需的材料。”

 

成本，纖維到零件的轉換，零浪費

 

TuFF 已經證明了其以高成型性滿足航空航天性能的能力，但低成本呢？亞拉加達承認：“我們正在使用連續的短切PAN 纖維。”。“然而，市場上有來自Toray、 Hexcel、Teijin 和其他公司的商用短纖維，以及來自回收和廢物流來源的短纖維。這些纖維沒有初級航空航天結構所需的認證，但有可能顯著降低其他應用的材料成本。”

 

“歸根結底，這取決于纖維到零件的成本結構，”他繼續說道。“使用織物和UD膠帶，您可以承擔從纖維轉換成這種形狀，然后再轉換成復雜幾何形狀零件的成本，后者由于復雜性、缺陷等而產生重大的廢料和成型風險。通過從連續的、經過認證的纖維開始進行后續切割，我 們確實會獲得一些額外的成本，但當我們將其轉換成復雜的形狀時，形成起來要容易得多。因此，避免復雜的圖案和疊層，加上TuFF在航空航天零件上的可成形性和較低的廢料，具有優勢。”

 

亨德里克斯承認，UD-CCM可以使用連續纖維材料形成深拉零件，這對TFF的RAPM計劃是一個挑戰（見即將發布的第 2 部分）。“TuFF能夠使用六張片材而不是 20 種不同的亞改革來制造這些零件，這是實現我們成本目標的關鍵。他們還表明，他們可以制造傳統材料無法制造的幾何形狀。亞拉加達引用了開幕照片中的華夫餅部分：“這在連續纖維的情況下是不可能的。這對你的價值和商業案例計算有何影響？這需要你退后一步，問問你現在如何制造零件，以及你可以利用什么設計自由？”

 

海德回到纖維成本，并考慮了另一個因素：廢物再利用。“如果你不需要經過認證的纖維，可以使用成本較低的短纖維或再生纖維。”大多數再生纖維都是短纖維，因為熱解和其他一些過程需要在從廢棄預浸料和固化廢物/報廢零件中去除樹脂之前進行切碎。

 

亞拉加達說：“如果你以短纖維形式為起點，你所有的廢料都可以重復使用，這樣你就基本上實現了零浪費的制造過程。”。“這不是 DARPA TFF 計劃的重點，但我們已經證明，我們可以回收 TuFF 材料，將該纖維通過 TuFF 工藝，并獲得相同的性能。國防部的應用需要經過認證的航空航天級纖維，但我們認為短纖維的成本優勢仍將使其有可能顯著降低成本。”

 

接下來的步驟

 

吉萊斯皮說：“我們希望完成PEKK和8552環氧樹脂的性能測試，然后公布這些結果，以及我們在各種零件成型過程中的工作。”。“我們有專利正在申請中，正在對該技術進行許可。”DARPA TFF項目將于2020年正式結束，所有測試和結果都將公布。

 

吉萊斯皮說：“當TFF最初成立時，該項目正在研究為什么復合材料沒有更多地用于國防和汽車。”。“對于汽車業來說，這是因為他們已經投資于金屬成型，必須重新投資于復合材料。但當復合材料可以像金屬一樣成型時會發生什么？然后，重新配置現有生產流程和利用現有設備變得更容易。”

 

對于亨德里克斯來說，當務之急不是大批量生 產，而是如何在小批量下實現負擔得起的重量節約。

 

“我不希望用10000個復合材料零件取代10000個鋁零件，”他承認，“但我會選擇幾百個。”要做到這一點，下一步是以一些示例零件為例，使用這些材料和工藝，使它們達到航空航天質量，并驗證機加工鋁的經濟性。

 

在第2部分中，CW將回顧RAPM計劃，該計劃正在探索可重構制造工作站中的各種工藝，其特點是模塊化工具和具有像素化溫度控制的快速加熱/冷卻。

圖 4. 形狀復雜，薄層膠帶

TuFF 的短纖維和均勻的微觀結構使其能夠在沒有高壓或復雜溫度控制的情況下形成 航空航天質量、復雜形狀。這種材料也可以被分割成連續的帶，用于 AFP 處理。定制通用原料，用于將材料成形為復雜形狀。量身定制的通用成型原料（TuFF）材料薄層膠帶。

圖 5. 光纖到零件的試驗裝置

UD-CCM 已經安裝了一個 5 噸/年的中試工廠， 生產連續 TuFF 片材和預浸料以及定制坯料，這些坯料將用于其柔性制造單元，用于 0.9 乘 1.2 米（3 乘 4 英尺）的復雜形狀零件。

對齊

單層TuFF薄板（8gsm）

堆疊

4-8TuFF簾布層（30-60gsm）

預浸料

- 薄膜浸漬（8層TuFF:1層PEI）

（PEI 薄膜厚度為25微米）

-TS 預浸料坯當量：24 TuFF 簾布層（195gsm）

-TP 預浸料坯當量：16 TuFF 簾布層（130gsm）

成型單元

-機器人工作室

-120千瓦紅外烘箱

-1000噸壓機

-HP-RTM或濕法壓縮成型

波音公司領導的零部件試驗探索了輸液、壓縮成型和熱塑性復材，提供了經驗教訓和供應鏈選擇，以更好地與鋁競爭。

DARPA 的可定制原料和成型（TFF-?ailoíablc Iccds?ock a?d Ioími?g）程序中的RAPM 子程序匯編了當前/過去生產的分析數據以及多個零件成型試驗的經驗數據，以生成這些曲線。目標是更好地了解復合材料零件和工藝的貿易空間。

 

國防高級研究計劃局（DARPA，美國弗吉尼亞州阿靈頓）于 2015 年啟動了可定制原料和成型(TFF-Tailorable Feedstock and Forming)計劃，以實現國防飛機小型復雜形狀復合材料零件的快速、低成本和敏捷制造。這項為期48個月的計劃旨在提高復合材料的成本競爭力，以利用其與機加工鋁相比的重量節省和耐腐蝕開裂性能。在本系列的第1部分中，CW探討了 TFF 的愿景及其可定制的通用成形原料(TuFF-Tailorable Universal Feedstock for Forming)子程序，該子程序開發了一種具有高機械性能和類金屬成形性的短纖維片材。

 

在這篇文章中，重點從原料轉移到可定制原料和成型(TFF)的第二個子程序的成型：由波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）領導的 RApid 高性能制造(RAPM，發音為“wrappe-em”)。該項目始于 2016年 7 月，已在多篇出版物中發表了其成果，包括 6 篇論文和 2019 年 SAMPE 的兩次演講。正如波音公司技術研究員和首席研究員哈恩(Gail Hahn)和湯姆·佐齊斯(Tom Tsotsis)所解釋的那樣，RAPM的目標是 “徹底改變小型復合材料零件的成本模式，使其能夠在國防應用中廣泛使用。”

 

哈恩說：“我們一開始就有這樣的愿景，即以汽車效率實現航空航天性能。”。該項目與汽車復合材料和零部件制造商合作，包括蘇威復合材料公司（Solvay-美國佐治亞州 Alparetta）和(SGL復合材料公司）（奧地利Ried 和Ort im Innkreis），但實現航空航天性能并不總是那么簡單。湯姆·佐齊斯說：“盡管低溫快速固化環氧樹脂很容易用于汽車應用，但它們還不能滿足航空航天的要求。”。RAPM確實使用了新的、快速固化的、由兩部分組成的環氧樹脂，目標是航空航天級樹脂灌注部件。然而，最初，SGL的成型系統不能超過 130°C，這阻礙了工具上達到30分鐘時間的目標。

 

湯姆·佐齊斯說：“我們的目標是在工具上實現30分鐘的最長時間，從而能夠使用高速工作單元來降低系統級成本，使其與機加工鋁具有成本競爭力。”哈恩補充道：“在波音公司內部，我們決定這將滿足我們在國防應用方面所看到的一切。”。“當我們可以用熱塑性塑料處理2到6分鐘時，為什么要在這里設置它？因為熱塑性材料需要更高的溫度處理，并有相應的工具限制，我們的目標是為我們的供應鏈提供充足的選擇。”

 

隨著該項目的推進，它向航空航天材料和制造商開放，甚至向蘇威的 XEP-2750 等實驗系統開放。哈恩說：“我們最初認為我們能夠全面評估這個系統，就像我們在 2007 年至 2012 年 DARPA 項目‘非熱壓罐制造技術’中對 CYCOM 5320-1 所做的那樣。”盡管不可能進行同樣程度的評估，但 XEP-2750 現已被蘇威作為 CYCOM EP-2750 商業化（見在線側欄“RAPM 中用于壓縮成型的新型預浸料”），并受益于大量 RAPM零件試驗和經驗教訓。

 

復合材料行業和TFF項目顧問杰夫·亨德里克斯（Jeff Hendrix）在談到RAPM的目標時表示：“我想要的只是一些小型復合材料零件的工藝，這些工藝可以在權衡研究中戰勝鋁。”那么，RAPM成功了嗎？CW 探索了該項目制造數百個零件的努力，通過多種材料和工藝比較了十幾種航空航天零件配置，同時尋求減少時間和成本的方法。

 

程序框架

 

RAPM 與關鍵的行業合作伙伴合作，在三個主要路線上對零件進行了試驗：

• HITCO 碳纖維復合材料（美國加利福尼亞州Gardena）和 SGL 復合材料的樹脂灌注
• 使用蘇威（Solvay 復合材料英國 Heanor 和美國加利福尼亞州阿納海姆。Fiber Dynamics（美國堪薩斯州威奇托）和 Reinhold Industries（美國加利福尼亞州圣達菲斯普林斯）
• 與 ATC Manufacturing股份有限公司（美國愛達荷州波斯特福爾斯）和TxV Aero（美國羅德島布里斯托爾）進行熱塑性成型

 

成型試驗分兩個階段完成：最初的“制造開發”階段（圖 1），然后是隨后的“挑戰和過渡”(C&T-Challenge and Transition)零件（圖 2），以挑戰最初的開發和過渡候選者，這些候選者有可能戰勝機加工鋁。

圖 1. RAPM 制造開發試驗

初始成型試驗包括三個主要工藝路線和三個主要零件配置，旨在為后續挑戰和過渡零件制定設計和工藝指南（圖 2）

圖 2. RAPM 挑戰和過渡試驗

從初始階段選擇的零件被定義為一個或多個工藝，以挑戰初始開發和過渡候選者，從而有可能戰勝機加工鋁。

 

制造開發試驗使用了三種主要部件配置：加強面板（有兩種類型）、帶襯墊的肋骨（簾布層結構）和彎曲的 C 形通道。這些包含了航空航天零件的共同特征，可能會帶來制造挑戰：加強面板具有多個平面外特征，加上襯墊向上、襯墊向下和垂直邊緣；肋板具有具有多個 90 度邊緣以及在其中一個邊緣中有下陷；并且 C 形通道具有不同的內外半徑、凸緣中不同的曲率和腹板中的鋪層有明顯下降。

 

目標是為三條路線中的每一條制定設計和制造指南。哈恩回憶道：“第一次試用看起來并不吸引人。”。“但它們有助于確定可接受的半徑和零件幾何形狀，從而生產出沒有不必要的纖維變形的零件，以及施加在工具上的張力、溫度、壓力和時間等參數的最佳組合。”

 

所有三種RAPM材料和工藝路線都包括使用表面生成（英國拉特蘭）按功能規范生產（PtFS）像素化加熱控制和工具系統的試驗，該系統位于密蘇里州圣路易斯的波音研發中心。哈恩說：“這是因為我們正在尋找一種工作站，可以在靈活的速率環境中容納所有三種類型的材料/工藝。”。“我們能夠探索不同的溫度控制方法和成本。”波音PtFS工作站的最高溫度為440°C，夾緊力為150噸，有效零件體積為 750×750×100 毫米。

 

盡管最初的設想是使用TuFF短纖維片材，但由于這些材料在一開始就不可用，RAPM繼續使用替代材料。這實際上對復合材料行業是有益的，因為替代品涵蓋了更能反映該項目之外正在使用和開發的材料：汽車有機片材和航空航天合格的預浸料、實驗環氧樹脂、半結晶熱塑性塑料和短切預浸料化合物。因此，研究結果和發現涉及所有類型的復合材料制造商，而不僅僅是國防部的制造商。

 

路線 1：樹脂灌注/RTM 制造

 

這一領域的制造開發試驗始于汽車類材料和工藝。零件由 SGL Composites使用高壓樹脂轉移模塑（HP-RTM，300巴）和 C T50標準模量、50K碳纖維無卷曲織物（SGL carbon in Wackersdorf，Germany）以三種零件配置制成：RI-RAPM-009、RI-RAPM-002、RI-RAP-003（圖 1）。這些用于確定高質量成品零件所需的預制件參數。波音圣路易斯公司也使用其PtFS系統對RI-RAPM-003進行了間隙灌注（壓縮RTM或C-RTM）試驗。

 

計算流建模用于更好地了解如何注入這些零件，分析工藝行為以優化材料和工藝參數，并評估注入場景。

 

對工具方法進行了評估，以確定如何以及何時向不同類型的預成型件幾何形狀施加張力，從而最大限度地減少纖維變形。對這些設計變化進行了驗證，以改進C通道的幾何形狀，然后進行計算機斷層掃描（CT）分析。經驗教訓被應用于隨后的 C&T 階段，轉向低壓RTM（LP-RTM）以降低成本。

 

在這些探路者零件試驗中，在幾個深拉半徑中發現了分層。湯姆·佐齊斯認為，這是由工具中樹脂的初始固化不足（因為 SGL 的蒸汽加熱系統將工具溫度限制在 130°C）和零件拆卸過程中的熱/機械平面外應力共同造成的。“由于樹脂強度尚未得到充分發展，這些異常現象很可能已經通過工具上的完全固化而消除，”他建議道。“SGL 無法同時滿足工具上的時間和航空航天性能，直到向工具中添加油加熱（相對于僅蒸汽），使其能夠在 130°C 以上固化，” 哈恩指出。這是在制造開發試驗之后添加的。

圖 3. 樹脂灌注挑戰部分

RI-RAPM-004 深拉挑戰部件是使用低壓預成型和RTM 制成的，這允許具有成本效益的 Raku Tool 工具和用于預成型的手動夾緊機構（左上）以及用于固化的鋁工具（右上）。使用多個預成型件來創建沒有褶皺的深拉幾何形狀。

 

深沖挑戰零件

 

制造開發試驗的結果隨后用于開發挑戰試驗和過渡試驗。RI-RAPM-004 深拉挑戰部件也完成了建模（圖 3），其具有兩個深拉特征：5 厘米的矩形區域和從矩形過渡到 V 形的 10 厘米區域。受生產盤組件的啟發，其復雜的幾何形狀確保了樹脂流動路徑的不均勻性。Huntsman（瑞士巴塞爾）使用 PAM RTM 軟件（ESI Group，Paris，France）對使用 FAF2 二元環氧樹脂（Huntsman，the Woodlands，Tex。

 

RI-RAPM-004 包括一個用于蒙皮的預成型件，每個深拉部分一個，以及兩個堆積區域（圖 3）。這些預制件元件使用了不同的疊層，以滿足設計的面板厚度。

 

“低壓預成型和 LP-RTM 允許使用具有成本效益的工具（與鋼相比）：帶有手動夾具的預成型工具由聚氨酯基 Raku tool 材料（RAMPF Tooling Solutions， Grafenberg，德國）制成；固化工具由 5083 鋁制成。

 

最初的 RI-RAPM-004 試驗顯示，出口附近的氣流出現意外異常，導致表層層上升，導致纖維變形。顛倒入口和出口解決了這個問題。在 130°C 的工具中浸泡和初始固化后，零件在 180°C 下后固化 60 分鐘，然后機械加工成凈形狀。10 個高質量零件被交付給波音公司，用于自動超聲波系統（AUSS-automated ultrasonic system）C 掃描。

 

完成的挑戰部件顯示出充分的固結、優異的纖維排列和良好的質量。這些零件的玻璃化轉變溫度為197°C，纖維體積分數（FVF-fiber volume fraction）為 49.5%，這是所用無卷曲織物（NCF）的典型值。與目前的預浸工藝相比，零件疊片數量減少了三分之二以上，接觸勞動力估計減少了 90%。RAPM 還用航空航天合格的樹脂和織物制造了這一挑戰性部件，以測試其開發的工具和工藝的適應性，并制造出符合無損檢測（NDT-nondestructive testing）生產要求的零件。

圖 4. 彈簧框架壓縮成型

卷邊板TS-RAPM-009 的壓縮成型（頂部）和成型部件（底部）之前的彈簧張緊預浸料。

 

路線 2: TS 預浸料成型

 

三個制造開發熱固性（TS）預浸料部件在英國海諾的索爾維應用中心使用彈簧框架沖壓和/或雙隔膜成型（DDF- double diaphragm forming）制造。所有三個部件均使用基于蘇維（Solvay）樹脂的環氧預浸料制造，包括CYCOM 5320-1、CYCOM 970 和 CYCOM EP-2750 航空航天系統。哈恩說：“CYCOM 5320-1 是我們的熱壓罐外（OOA）零件的首選，但它也被用作熱壓罐的合格系統。”。“CYCOM 970 是一種溶劑預浸料與熱熔預浸料的選擇，（CYCOM）EP-2750 是我們的沖壓成型系統，因為它針對工藝的物理和動力學進行了優化，我們證明它可以生產出最好的零件。”

 

彈簧框架沖壓和雙隔膜成型（DDF）是等溫壓縮成型工藝，其中熱固性預浸料被切割、整理和固結成 2D 預成型件。然后預成型件被預熱，穿梭到匹配的金屬工具中，并在傳統的液壓臺板壓機中成型。預成型件可以通過彈簧框架保持張力（圖 4），這減少了成型過程中由材料壓縮區引起的褶皺?；蛘?，雙隔膜成型（DDF）將預成型件夾在兩個隔膜之間，無需進行模具清潔和脫模。預成型件用膠帶固定在其中一個隔膜上，基本上保持其張力，盡管不像彈簧框架那樣直接或可定制。在 RAPM 中，使用模擬對每個零件的彈簧類型、位置和張力進行了優化，彈簧框架也是如此。例如，卷邊面板 TS-RAPM-009 使用了一個框架，該框架可以上下致動，以與壓合平行地定制裝藥的形成。

 

RAPM通過在15-30分鐘的初始固化后移除尺寸穩定的零件，然后分批后固化，以提高速率能力，從而最大限度地減少了零件在工具上的時間。還使用單個工具集對零件族進行了研究，例如，沿機翼長度具有三個不同翼緣角的C形通道，以最大限度地利用工作站。指導RAPM TS方法的其他目標包括：

• 自動整理和成型，最大限度地減少手工勞動
• 177°C 固化的航空航天機械性能。
• 每個工具集可容納 1000 多個零件的鋼制工具。

 

發展到“波浪”挑戰部分

 

形成熱固性預浸料制造開發零件，一次索引一個變量，直到達到足夠的零件質量。對壓機關閉速度、關閉位置和關閉壓力等變量進行了評估，目的是將材料固結在流變曲線中的正確點，以產生內部靜水壓 力，最大限度地減少樹脂滲出，防止固化推進過遠，從而避免裂紋的產生。一旦設定了成型參數，就要制作三到五個零件來驗證工藝的可重復性，然后進行質量測試。由于高固結壓力（20.7 巴），加強面板顯示出<0.5%的孔隙率。還生產了可重復使用的高質量加強槽。

 

然后將所學到的經驗教訓應用于波紋“波浪”挑戰部件 TS-RAPM-012，以演示具有緊密曲率半徑（12.7毫米）形狀的厚（6.3 毫米標稱厚度）UD 層壓板的壓縮成型。為了滿足要求，該零件使用了中等模量的準各向同性疊層（IM7；赫氏-Hexcel；美國康涅狄格州斯坦福德）碳纖維 UD 帶。108 型玻璃纖維織物和蘇威- Solvay THORNEL T650標準模量碳纖維外層采用 8 束緞面織物，可保護 UD 纖維，并防止與金屬部件配對的一側發生電偶腐蝕。使用蘇威風（Solvay）CYCOM 5320-1 環氧樹脂，可在 177°C 下進行 2 小時的獨立后固化，從而縮短等溫固化周期（≤30 分鐘）。

 

波浪挑戰部件是使用波音公司的 PtFS 工作站和 P20 鋼模具面模制而成的，模具面具有集成的真空和樹脂密封。工具腔比標稱層壓板厚度薄，以考慮材料樹脂含量的變化，從而保持高質量零件的內部靜水壓力。

 

測試了三個工藝參數，包括冷成型（無熱預成型簾布層）、熱脫泥預固結和預加熱預成型件。冷成型被認為耗時且沒有幫助。對于預固結，將層壓板用編織玻璃纖維通氣器真空袋裝到板上，并在 116°C 的烘箱中在全真空下進行 40 分鐘的分解。盡管自動紅外預熱是工業生產的標準，但在這些試驗中，預熱包括將預成型件放入熱模（179°C）中，并盡可能在不接觸的情況下閉合 3 分鐘。然后對零件進行壓縮成型。

 

九個已完成的試驗 8（#0-8）產生了最高質量的部分，主要歸因于預固結。從中提取的樣品符合厚度（其他零件的問題）和層壓質量，纖維體積為 59- 63%，空隙率為 0-0.6%。

 

路線 3：囊形成 TP 肋和 C 通道

 

RAPM 從制造開發試驗中選擇了 TP-RAPM-002 翼肋，以演示從原材料到成品復雜零件的一步壓縮成型，以及 TP-RAPM-003 彎曲通道的兩步方法。波音圣路易斯公司使用 Accudyne Systems（美國特拉華州）壓機成型了 002 型翼肋，并使用 PtFS 設備對-003 C 通道的坯料進行了固結。在第二步中，ATC 制造公司將 C通道毛坯沖壓成零件。

 

對于 002 翼肋，RAPM 使用了由蘇威（Solvay）提供的 12 英寸寬 UD 膠帶：12K AS4D 碳纖維（赫氏- Hexcel 美國康涅狄格州斯坦福德）增強的聚醚酮（PEKK）。Cramer Fabrics 股份有限公司（Dover，N.H.，U.S.）的-003 C 通道使用的織物：3K AS4（赫氏-Hexcel）無尺寸碳纖維，2x2 斜紋，粉末涂布聚醚醚酮（PEEK）；纖維面積重量為 250 克/平方米；樹脂含量為 42%。

 

熱塑性復材（TP）成型問題

 

TP 復合材料的加工溫度高于熱固性材料，例如PEEK 為 390°C，PEKK 為 375°C，這帶來了許多問題。能夠處理這些高工藝溫度的工具材料是有限的。此外，零件加工和移除之間的大的溫度增量使得難以保持均勻的工具溫度。補救措施是熱浸泡和/或緩慢的上下斜坡，這會延長循環時間。

 

高溫也帶來了熱膨脹系數（CTE）的挑戰。工具材料的 CTE 通常與 TP 層壓板不同，這會導致 TP 層壓板從工具上收縮，從而降低施加的壓力并防止完全固結。此外，TP 層壓板 CTE 沿著碳纖維是恒定的，但是是垂直于纖維的雙線性曲線。隨著 TP 層壓板的加熱和冷卻，這會導致不同的平面內和平面外收縮，也應在模具設計中加以解決。

 

TP 層壓板也可能因加工而收縮，因為樹脂體積隨著從液體到固體的變化而減少。正是在這個冷卻階段，當關鍵的樹脂基體結晶發生時，需要對溫度均勻性和層壓板壓力進行精確控制，以確保成品零件的高質量性能。

 

另一個問題是，在成型過程中，工具需要完全密封以容納熔融的 TP 液體。哈恩說：“在 375°C 至 390°C 的溫度下密封工具是很困難的，因為很少有合適的墊圈能夠處理 300 至 500 psi 或更高的溫度和 TP形成壓力。”。“我們僅限于金屬墊圈或匹配的金屬工具來提供密封功能。彈性工具將是非常有益的，但目前所有的彈性體都會在 TP 成型溫度下分解。”

 

波音圣路易斯公司需要新的工具，在只有垂直驅動的液壓機中進行固結時，在翼肋的垂直元件上產生水平壓力。它的溶液是一個薄的鋁囊狀物（使用類似的系統形成 TP-RAPM-003，圖 5）。在高溫下用惰性氬氣加壓，在固結過程中，氣囊膨脹，對所有零件表面施加均勻的壓力。

 

頂部和底部工具由 410 不銹鋼制成，與 UD 碳纖維/PEKK 層壓板的平面內 CTE 相匹配。在沖壓周期中，帶有鋁囊狀物的上部工具下降，并將疊層慢慢壓入下部工具的凹腔中。在這個一步過程中，囊狀物的尺寸比最終部件厚度小 30%，以容納大部分未固結的帶預制件。該工具安裝在帶有電加熱筒的傳統壓力機中，在 12 個獨立控制的區域（加上壓板的六個主要區域）布線，以控制肋凸緣和腹板中的工具表面溫度。

 

這些成形試驗生產了復合材料零件，無損檢測（NDI）結果合格。然而，囊狀工具的設計需要進一步發展，以改進將疊層成形為零件的緊密內半徑，并保持均勻的表面厚度。

 

PEEK 織物坯件的加固

 

對于 TP-RAPM-003 彎曲 C 通道，所使用的粉末涂層 PEEK 2x2 斜紋織物具有相對較高的堆積系數。波音圣路易斯公司首先將沿零件長度從 32 層下降到 24 層的疊層合并為具有錐形橫截面的扁平坯料，然后將坯料發送給 ATC 制造公司，ATC 制造公司用垂直凸緣沖壓最終零件。

 

與肋骨一樣，波音公司使用了成型氣囊和鋼制頂部和底部工具。囊改為 AZ31 鎂，與鋁相比，它能更好地抵抗破裂。C 通道工具被設計為在表面生成 PtFS 成型工作站內操作，以實現與用于肋的帶筒式加熱器的傳統壓力機相比更快的加熱和冷卻。

 

開發C通道工具方法是為了增加多個零件的靈活性。將疊層放置在底部工具上，將底部工具加熱至材料的玻璃化轉變溫度（Tg）以保持柔韌性而不熔化。將包括壓力密封墊圈的體積減小框架放置在底部工具的頂部，留下一個略大于零件疊層的空腔（圖 5）。從頂部工具通過囊向鋪放施加熱量和液壓。一旦達到成形溫度，就向囊狀物施加氬氣，迫使囊狀物向下進入框架空腔，從而向錐形坯件施加壓力。然后，在保持囊狀物壓力的同時，通過材料的熔融相提高工具溫 度，這防止了材料在熔融相時流過下部工具。

圖 5. 沖壓成型零件的熱塑性坯料

波音公司使用鋁氣囊及其PtFS系統固結了TP-RAPM-003彎曲C形通道的PEEK織物坯料。然后將合并后的坯件送往ATC制造 廠，在那里將其固定在張緊系統中進行沖壓，以防止褶皺

 

預成型循環時間包括囊狀物和TP裝料達到工藝溫度的 55 分鐘和冷卻到PEEK結晶溫度以下的30分鐘。壓力范圍為 1.4 至 9.7 巴，并通過帶閥門的高壓罐手動維持。隨著最近在 PtFS 工作站中加入壓棒系統，壓模腔內真空和壓力（±3 psi）的熱壓罐式控制將在未來實現自動化。

 

TP 沖壓成型

 

-003 C 通道的固結坯料被送往 ATC 制造公司進行沖壓成形，在沖壓成形中，坯料被充分加熱到高于熔體溫度的溫度，以確保聚合物流動。然后將其轉移到快速關閉的壓機中，以快速成型并冷卻零件。壓力機中的成形工具保持恒定溫度，通過消除上升和冷卻，實現快速循環。工具溫度必須在熔體溫度和 Tg 之間，以在短時間內形成所需水平的熱塑性基體結晶度，同時確保零件可以在不變形的情況下移除。使用一系列帶有植入熱電偶的坯料來驗證沖壓成型 C 通道的完整熱循環。

 

使用 Aniform 軟件（荷蘭恩斯赫德）進行的成形模擬表明，高度懸垂的 PEEK 織物坯件在壓縮區域（即內（較小半徑）凸緣）仍存在褶皺風險。因此，當匹配的金屬工具閉合以形成坯料時，由梭板和夾子組成的張緊系統（圖 5）將坯料保持在張緊狀態。盡管如此，當纖維在內徑處向內推動時，受壓的凸緣面仍顯示出屈曲。哈恩認為：“RAPM 的三條路線都很難做到這一點。”。“它的幾何形狀是極端的，并不是真正的零件，而是為了推動我們在可成形性方面所能達到的目標。”

 

制造開發試驗導致了挑戰和過渡部件，其中包括多個版本的 TP-RAPM-08 蒙皮檢修面板、凸緣上有凹槽的 TP-RAPM-013 肋以及使用三種不同幾何形狀的 TP-RAP-017 面板的囊研究（圖 2）。除了 ATC 生產的 TP-RAPM-013 肋骨外，波音圣路易斯公司生產了所有這些。ATC 制造公司的研發總監特雷弗·麥克雷（Trevor McCrae）說：“盡管這個零件是用 UD 膠帶制成的，與織物相比，UD 膠帶通常更難成型，但我們能夠很好地成型這些零件。”?？偟膩碚f，TP 成型試驗表明，沖壓成型可以產生復雜的幾何形狀，而傳統的壓縮成型可能無法實現這一點。

 

學習與鋁相比降低成本

 

RAPM 在所有三個路線上都展示了新穎的成形能力，并積累了大量的經驗教訓，從如何定位襯墊以防止壓縮成型過程中的滑動，到零件幾何形狀的指導方針，以最大限度地提高質量并最大限度地降低工裝成本。哈恩觀察到：“當你轉向小零件時，了解平面外特征、半徑厚度比和幾何細節之間的距離的影響是關鍵。”。“標準化半徑、曲線和凸緣角等特征有助于降低成本驅動因素，例如，通過為一系列零件啟用標準 AUSS 靴(a standard AUSS shoe)，降低工具成本、開發過程中的成型試驗次數以及 NDI（無損檢測）過程中的多次掃描需求。”

 

RAPM 強調的另一個成本驅動因素是 TS 預浸料壓縮成型過程中耗時的預固結步驟。哈恩解釋道：“低體積和高樹脂含量的預浸料拓寬了工藝窗口，提高了高質量零件的可重復性。”。“蘇威（Solvay）開發了一種正在申請專利的“變壓器膜-transformer film”，可以在壓縮成型前應用于較低浸漬預浸料，作為在固結過程中保證模腔靜水壓力的一種方法。”

盡管 RAPM 要到 2020 年秋季才會正式結束，隨后還會公布更多的結果，但研究結果到目前為止，基于實際防御計劃的選定零件表明，復合材料可以與機加工鋁競爭（圖 6）。盡管選定的樹脂灌注和 TP 部件降低了經常性成本，例如，材料、機器時間等，這些成本是根據假設非經常性基礎設施到位的每個家庭的總部件計算得出的，但 TS-RAPM-012 波紋組件實際上比機加工鋁增加了7%。然而，它確實實現了預期的重量節省，而且溢價實際上在 Hendrix 規定的利潤范圍內：“沒有人會為重量節省復合材料支付 2 倍的費用；它們的成本必須在鋁的 10%以內。”然而，他承認，“仍有一些非經常性的時間和成本問題需要解決，例如成功形成形狀所需的工具和開發。”

圖 6. 比較成本與鋁

RAPM 計算了選定挑戰和過渡部件的經常性制造成本（如材料、機器時間），假設非經常性基礎設施已經到位，然后將其與機加工鋁進行比較。

 

擴展選項

 

哈恩說，盡管樹脂灌注在大零件中獲勝，但 TS 和 TP 沖壓在小零件中看起來相當不錯。、“樹脂灌注的初始模具成本很難克服，除非金屬部件非常復雜，需要大量的機械加工，”她解釋道。

 

“熱塑性塑料看起來適合大批量生產，但特定項目的分包商可能不會被設立來生產熱塑性材料。然而，熱固性沖壓可能是一個非常好的選擇，即使是對于小批量的替換零件也是如此。由于國防應用如此廣泛，在貿易討論中使用多種材料和工藝很重要。”哈恩指出，RAPM 已經開辟了新的材料，并證明航空航天材料可以用于汽車類工藝。“我們還引進了新的制造商。”

 

亨德里克斯同意 RAPM 的航空航天和汽車制造交流是有益的。此外，蘇威（Solvay）和 SGL 在沒有纖維變形或其他缺陷的情況下形成復雜形狀的能力給他留下了深刻印象。他承認：“制造美觀的汽車零部件實際上是有好處的。”。“你不能有褶皺或糟糕的表面光潔度；它們必須是完美的。但它們仍然需要多次試驗和重大開發才能形成 RAPM 零件。如果國防項目處理的是少量的，我不確定他們是否會投資于這種非經常性工程。經濟性將根據具體情況而定，但工具和開發仍然是我們需要的問題。”哈恩補充道，“我們正在公布經驗教訓，使貿易研究能夠更加知情，并擴大選擇范圍，為行業討論建立一個合理開放的基礎。” CW 將在今年晚些時候 RAPM 結束后繼續進行這一討論并更新。

 

注：原文見《 Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 1: Feedstock 》 2020.3.20

《 Revolutionizing the composites cost paradigm,Part 2: Forming 》2020.5.13

楊超凡 2024.1.13