高度對齊的短纖維可定制通用成形原料實現了航空航天性能，在零廢棄纖維到零件試點工廠中實現了金屬般的成形性。

TuFF短纖維片材用于經濟復雜形狀復合件UD-CCM開發了可定制通用成型原料(TuFF)，該片材憑借高度的纖維對齊和長度控制，能夠達到UD預預產期的纖維體積和性能(此處展示的IM7纖維)，同時因其面內拉伸性，能夠輕松成形復雜形狀。

可定制原料與成形(TFF- Tailorable Feedstock and Forming)項目由美國國防高級研究計劃局(DARPA，弗吉尼亞州阿靈頓)于2015年啟動，旨在實現快速、低成本且靈活地制造重量低于20磅的復雜幾何復合材料。復合材料在通過自動鋪帶和纖維鋪設(ATL/AFP)等工藝制造的大型剛性蒙皮中，在金屬中占優。然而，典型戰術軍用機體中超過80%的零件體積較小且幾何形狀復雜。對于這些，機械加工鋁材因其高成本和復雜性而受到青睞，因為小零件制造過程復雜。

“你可以買一塊4到6英寸厚的鋁板，放進CNC加工中心，按下按鈕，”復合材料行業和TFF項目顧問杰夫·亨德里克斯(Jeff Hendrix)說。“雖然金屬零件制造成本更低，但其額外的重量以及易開裂腐蝕，導致系統性能不佳，”DARPA國防科學辦公室項目經理、TFF創始人米克·馬赫(Mick Maher)解釋道。（盡管馬赫于2016年完成了五年DARPA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)博士有相同之處。)亨德里克斯(Hendrix)表示同意，但指出：“沒人會為復合材料在這些小零件中節省重量而付出雙倍;它們必須與鋁業更具成本競爭力。”

為實現這一愿景，TFF分為兩個子項目—第一部分討論的材料(原料)；成型(成型)，將在下個月的第二部分探討：

• 由特拉華大學(UD)復合材料中心(UD-CCM，紐瓦克，美國)領導的可定制通用成形原料(TuFF- Tailorable Universal Feedstock for Forming)
• RApid 高性能制造公司(RAPM- RApid high-Performance Manufacturing)由波音公司(美國伊利諾伊州芝加哥)領導

TuFF原料是一種高度對齊、不連續的纖維預成型體，采用薄層形式，可與熱塑性樹脂(TP- thermoplastic)或熱固性樹脂(TS- thermoset)混合進行預預料，或以干法形式用于基于浸泡的工藝。UD-CCM的一項每年5噸試點設施展示了一種專利申請中的不連續纖維對準和預成型工藝，該設施包括：

• 短纖維分散與對齊
• 自動鋪設與堆疊
• 預產與定制空包生產
• TS/TP成型和液態成型工作站計劃于2020年第三季度前新增。

對齊工藝與纖維無關，TuFF預制品采用航空航天級聚丙烯腈(PAN)碳纖維(如IM7、T800)、瀝青碳纖維、再生碳纖維、玻璃纖維和陶瓷纖維制造。具有<1%空隙且纖維容積高達63%的層壓材料在成形過程中展現出>40%的雙軸平面應變能力，使復雜幾何形狀能夠實現金屬式成型，無需穿梭或復雜夾板圖案。該試點工藝線還展示了TuFF工藝廢料的閉環回收和再利用，目標是實現零廢棄制造。TuFF在2019年CAMX大會上獲得了美國復合材料制造商協會(ACMA)的表彰;美國弗吉尼亞州阿靈頓）憑借其復合材料卓越獎(ACE)項目的一部分，獲得了無限市場增長可能性獎。

開發不連續纖維原料

連續碳纖維對TFF的目標提出了兩個問題：其成本高昂且難以成型成復雜形狀。短纖維具有成形性，但現有的成型形式和工藝，如注塑，無法實現所需的高纖維體積性能（見圖1）。此外，還面臨如何在日益分散的國防部市場中攤銷高模具和零部件開發成本的問題，這些市場采用更為針對任務的平臺，產量較低。

“這使得復合材料零件在獨特零件/工藝/程序認證上變得昂貴，”UD-CCM主任兼TuFF首席研究員小約翰·W·吉萊斯皮(John W. Gillespie Jr.)博士補充道。因此，TuFF的目標是開發一種既能展現金屬狀成形性，又能根據國防部各種應用需求和產量進行定制的材料。

圖1. 短纖維格式、長纖維性能且可成型且零件成本更低由DARPA資助的TuFF項目目標是一種通用材料，可以根據特定零件和項目需求定制，同時使復合材料在國防應用中能夠在國防應用中擊敗<10公斤）小型零件的機械加工鋁材，因為復合材料的市場滲透率較低。 即使商用飛機和汽車技術進步不斷提升。

 

亞拉加達(Yarlagadda)說：“TuFF項目旨在解決幾個關鍵挑戰，包括如何制造直徑更小的短碳纖維，以實現具有航空航天性能的復合材料。”“當時的想法是轉向低成本的前驅體，直接制造短纖維，而不是切割連續纖維，目標是實現中間模量(IM)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)、弗吉尼亞理工學院與州立大學(美國弗吉尼亞州布萊克斯堡)和克萊姆森大學(南卡羅來納州克萊姆森)作為分包商，后者承擔了大部分瀝青纖維的工作。

亞拉加達解釋道：“這是一個具有挑戰性的問題，因為你面對的工藝與生產連續纖維的過程截然不同。”盡管克萊姆森的多種延距碳纖迭代已被評估，但在DARPA TuFF項目之外，還需進一步工作以開發和成熟該瀝青纖維技術。因此，本文呈現的TuFF結果是通過商用連續PAN纖維剪短實現的。成本影響將在下文討論。

圖2. 短纖維材料的歷史TuFF終于成功了，彌補了以往努力失敗的成果，因為它能夠嚴格控制纖維長度和對齊，且寬高比恰好處于成型的最佳平衡點。

 

幾十年來，人們一直在尋找用于經濟且可成形復合材料的短碳纖維解決方案(見圖2)，包括DiscoTex、拉伸斷裂碳纖維(SBCF- stretch-broken carbon fiber)和高性能不連續纖維(HiPerDif- High Performance Discontinuous Fiber)。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。對于所使用的直徑0.005毫米的IM7碳纖維(赫氏-Hexcel)來說，這給出了10,000的長徑比。

亞拉加達解釋說：“超過10,000的長徑比需要較大的成形力，”他指出成形的最佳平衡點是100到1,000之間的長徑比。TuFF使用3毫米長的IM7光纖，長徑比為600。

“自1990年代末以來，技術論文發表顯示，長徑比為100的短纖維應當與連續纖維的剛度相匹配，長徑比為1000的短纖維也應能匹配強度，” 亞拉加達說。“但纖維對齊出了問題。”

HiPerDiF由英國布里斯托爾大學開發，能夠使用多種不同長度的碳纖維原料，長度從1毫米到12毫米不等，這些原料懸浮于水中，從噴嘴沉積到基底上，以形成對齊的纖維預成型體。因此，它們相比SBCF在纖維對齊上有所改善，但報告稱67%的纖維距離單向在±3度以內。TuFF實現了>95%的纖維在目標方向5度以內排列。

精準控制、均勻一致的微觀結構

“通過這種高水平的纖維比齊，我們可以達到與單向固化相同的纖維體積，”UD-CCM助理主任兼TuFF項目負責人德克·海德(Dirk Heider)解釋道。他指出，使用3毫米長的IM7碳纖維復合材料，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纖維長度為2.8至3.2毫米(名義上為3±0.2毫米)。“你需要保持非常一致的纖維長度，以優化機械和成型性能，實現可重復的工藝，”吉萊斯皮(Gillespie)解釋道。海德補充說，3毫米的IM7纖維長度足以實現完整的性能平移，同時降低成形壓力和模具成本。“我們控制微觀結構，不論纖維類型，”他觀察道。亞拉加達補充道：“如果微觀結構均勻，就能獲得全局一致的響應，從而在成型過程中保持零件厚度的一致性。”

絲束尺寸是個因素嗎？“不，”海德說。“你必須在絲狀層面對齊，否則你無法獲得性質的轉化和受控的微觀結構。我們從外部供應商接收切碎的IM7絲束，然后通過撒在水中進行絲狀化。然后我們將纖維以極高排列的薄片形式沉積，將纖維重新組裝，但方式非常受控。”正在申請專利的TuFF工藝生產薄層（8微米厚）的纖維片，這些片材可以疊加成定制的疊層、切割成空白片或切成膠帶。薄層指的是鋪展的絲束—例如，通常將5毫米寬的12K高強度(HS)碳纖維絲束展幅為25毫米寬的帶狀材料。海德指出：“我們已經展示了一種薄層膠帶，其轉向性非常好，半徑達到1英寸，而連續纖維膠帶只有40-50英寸。”

海德表示，標準模量纖維的直徑約為7微米（0.007毫米），這意味著對于TuFF期望的100-1000長徑比，纖維長度為4到5毫米。他還指出，復合材料的性能不僅取決于纖維本身，還取決于樹脂和樹脂-纖維界面。海德說：“我們一直在使用經過表面處理用于航空航天熱塑性和環氧基體樹脂的商業纖維，但沒有按尺寸定制。”“我們展示了短纖維與樹脂之間的良好結合，這一點在SAMPE 2019上發表的多篇論文中有所報道。”

航空航天特性，金屬狀的成型性

吉萊斯皮說：“我們正在用聚醚酰亞胺(PEI)和PEKK(聚醚酮酮)熱塑性塑料以及Hexcel 8552環氧(用于HexPly單向預預售物)測試對齊短纖維材料，以展示航空航天級復合材料的性能。”PEI測試已完成，顯示復合材料性能在所有范圍內均與連續碳纖維相當(見圖3)，包括拉伸、壓縮和剪切，以及缺口性質，如開孔張力和壓縮(OHT/OHC--open-hole tension and compression)和承載強度。PEKK和8552環氧樹脂的測試正在進行中，預計今年完成。

圖3. 實現UD預浸料性能TuFF在初步測試中表現出與UD預預浸料相當的特性，甚至在某些性能上提升了薄層（60gsm/60微米厚）IM7/PEI材料相較于標準IM7/8552環氧預浸料材料（見下文），這得益于薄層的微觀結構。

 

“我們能夠生產空隙少于1%的復合層壓板，” 亞拉加達說。“我們還展示了與UD熱固性和熱塑性預浸料的可比性能，以及一些薄層TuFF格式的初步數據。”薄層增強已被證明能提升承載能力并減少裂紋傳播，從而提高損傷容忍度。“這些初步數據顯示，由于薄層微結構，拉伸強度提升可達30%，” 亞拉加達補充道。

“這種材料在平面上是可拉伸的，所以像金屬一樣可以塑形，”他補充道。TuFF已形成>40%雙軸應變的部分幾何形狀。“我們掌控邊界并塑造它，非常像金屬成型過程。”TuFF的可形成性已被證明適用于多種疊層，包括0度和90度單向（UD）、0/90雙軸和準各向同性。圖4和下方視頻中的圖片（詳見了解更多）也展示了一系列復雜形狀的部件。“我們從薄弱的部分開始，因為缺陷無法掩蓋。”

TuFF的短纖維和均勻的微觀結構使得在高壓或復雜溫度控制下，能夠形成航空航天級的復雜形狀。材料也可以被分割成連續磁帶，用于AFP處理。

纖維至零件試制生產線

“我們在DARPA項目中的目標之一是超越實驗室規模系統，”UD-CCM高級科學家、TuFF聯合發明人約翰·蒂爾尼(John Tierney)博士說。“經過多次迭代，我們目前有兩條24英寸寬的線用于制作對齊的短纖維片：一條標準線和一條偏軸線用于產生傾斜的纖維方向(例如45度、30度、60度)。”這些線條的標準片是一種連續的薄層材料，厚度約8微米，重量約為8克/平方米(見圖5)。紙張被卷到卷筒上，卷筒隨后裝入相鄰的自動疊加系統。該系統由內部制造，需將單卷和堆疊多達八層，以構建所需的纖維面積重量和纖維取向鋪層，最終形成標準預預料和空白料，重量為30-190克/平方米，厚度為30-190微米。

“第三臺機器用于預浸料和定制坯料制造，大多是現成的，但針對我們的材料進行了定制，” 亞拉加達指出。“在這臺機器出現之前，我們一直使用樹脂薄膜工藝，先在疊加的片材上疊加樹脂膜，然后加熱和加壓來鞏固。半連續索引壓機設計使我們能夠生產預產或定制熱塑性坯料。”

他解釋道，制造毛坯的工藝并非采用AFP（自動纖維鋪放）技術中常見的將纖維帶鋪設在旋轉平臺上的方式。“我們遵循標準的復合材料鋪層方法，由定制毛坯設計決定鋪層順序。TuFF材料的優勢在于能簡化毛坯幾何形狀，省去復雜的剪裁和異形鋪層，因為其面內拉伸特性允許實現復雜造型。”海德進一步說明，在后續成型單元中（可生產最大0.9×1.2米的部件），“我們通常使用特定鋪層設計的矩形預壓實毛坯，然后像金屬板材成型那樣塑造成型。同時我們也在制作干態毛坯，通過液體樹脂灌注成型工藝塑造形狀。”這項工作與UD-CCM設在紐瓦克的小型企業孵化器Composites Automation LLC合作開展。“實驗結果非常樂觀，"海德補充道，"我們可以使用熱塑性面紗穩定材料，輕松完成預成型后再進行灌注。”

蒂爾尼強調，這座集成自動化、年產能5噸的試點工廠展示了TuFF技術的工業可擴展性。“所有硬件都反映了全尺寸工廠的樣子，”他解釋道。“目前正在供應材料特性測試和成形演示所需的材料。”

成本控制、纖維到零件的轉化、零浪費

TuFF已證明其在高成型性下滿足航空航天性能的能力，但低成本又如何呢？“我們使用的是連續短的 PAN纖維，” 亞拉加達 承認。“不過，市場上有東麗、赫氏、帝人等公司的商業短纖維，也有來自回收和廢棄物流的短纖維。這些纖維尚未獲得主要航空航天結構所需的認證，但在其他應用中有望顯著降低材料成本。”

“歸根結底，這取決于你的纖維到零件成本結構，”他繼續說道。“使用織物和UD膠帶，你承擔了從纖維到這種形式轉換的成本，然后再轉換成復雜幾何部件，后者由于復雜性、缺陷等原因，會產生顯著的廢料和成型風險。通過先用連續的認證纖維再進行切割，確實會增加一些成本，但當我們把這些纖維轉化為復雜的形狀時，成型起來容易得多。因此，在航空航天零件中，避免復雜圖案和鋪設，以及成形性和較低的廢料，具有優勢。”

亨德里克斯指出，UD-CCM技術能夠成型傳統連續纖維材料難以應對的深拉伸部件（詳見即將發布的第二部分）。“TuFF技術僅需六層預浸料即可替代20種不同預成型件，這是實現成本目標的關鍵。他們還證明了這種工藝能制造傳統材料無法實現的幾何結構。”亞拉加達以開篇照片中的網格狀部件為例：這用連續纖維根本不可能實現。“這對價值評估和商業案例測算有何影響？這需要你退后一步思考：現有工藝如何制造部件？又能釋放多大的設計自由度？"

海德回到纖維成本問題，并考慮另一個因素：廢棄物的再利用。“如果你不需要認證纖維，也許可以使用成本較低的短纖維或再生纖維。”大多數回收纖維屬于短纖維，因為熱解和其他一些工藝需要切割，才能從廢料預預料和固化廢料/報廢部件中去除樹脂。“如果你以短纖維模具為起點，所有廢料都可以重復利用，基本上實現了零廢棄的制造過程，” 亞拉加達說。“這并非DARPATFF項目的重點，但我們已經證明可以回收TuFF材料，將這些纖維重新送回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光纖，但我們認為短光纖的成本優勢仍將使得顯著降低成本。”

預浸
- 薄膜浸漬（8層TuFF：1層PEI）（PEI薄膜厚度為25微米）
- TS預浸當量：24層TuFF片（195克直壓）
- TP預浸當量：16層TuFF層（130克直立米）

圖5. 纖維至零件試點工廠

UD-CCM已安裝了一個每年5噸的試點工廠，生產連續的TuFF板材和預預料和定制毛坯，這些材料將在其柔性制造單元中用于尺寸不超過0.9米×1.2米（3×4英尺）的復雜零件。

下一步

“我們希望完成PEKK和8552環氧樹脂的特性測試，然后發布這些結果，以及我們在各種零件成型工藝上的成果，” 吉萊斯皮說。“我們有專利申請中，正在進行技術授權。”DARPA的TFF項目將于2020年正式結束，所有測試和結果均已公布。

吉萊斯皮說：“TFF最初成立時，項目關注的是為什么復合材料在國防和汽車領域不被更多使用。”“對于汽車來說，是因為他們已經投資于金屬成型，必須再投資于復合材料。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。”

對亨德里克斯來說，緊迫的問題不是大量生產，而是如何在低產量下實現可負擔的減重。“我不指望一萬個鋁件被一萬個復合材料零件取代，”他承認，“但我愿意接受幾百個。”為實現這一點，下一步是挑選幾個樣品零件，使用這些具備航空航天品質的材料和工藝，驗證其與機械加工鋁材的經濟性。

在第二部分中，CW將回顧RAPM項目，該項目探索了可重構制造單元中的多種工藝，配備了模塊化模具和快速加熱/冷卻，并具備像素化溫度控制功能。

原文,《Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 1: Feedstock》 2020.3.30

楊超凡