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                    美國特拉華大學復合材料中心研發可定制通用成型原料革新復合材料成本模式

                       日期:2020-04-10     來源:復材網譯    瀏覽:16526    評論:0    
                    核心提示:用于經濟實惠復雜形狀復合材料零件的TuFF短纖維片材UD-CCM開發可定制的板材通用成型原料(TuFF),由于高度的纖維排列和長度控制
                     
                     
                    用于經濟實惠復雜形狀復合材料零件的TuFF短纖維片材

                    UD-CCM開發可定制的板材通用成型原料(TuFF),由于高度的纖維排列和長度控制,可達到UD預浸料級的纖維體積和性能(此處顯示的是IM7纖維),易于成型,由于其在平面內可拉伸所以形狀復雜。所有圖像的來源| 特拉華大學CCM
                     
                    美國國防高級研究計劃局(DARPA)于2015年啟動“量身定制的原料和形狀(TFF)”計劃,以實現快速、低成本和敏捷地制造重量小于20磅的復雜幾何形狀復合材料零件。復合材料代替金屬,而這些金屬可通過自動膠帶鋪放和纖維鋪放(ATL / AFP)等工藝制成大型而堅固的表皮。但是,典型的戰術軍事機體中80%以上的零件很小,而且幾何形狀復雜。因此,機加工鋁由于復合材料的高成本和復雜性以及小零件的制造而受到青睞。
                     
                    “您可以購買4至6英寸的鋁板,將其放入CNC加工中心并按一下按鈕,”復合材料行業和TFF計劃顧問Jeff Hendrix說。 “盡管金屬零件制造成本較低,但它們的額外重量以及對裂紋和腐蝕的敏感性導致該系統的性能欠佳。” DARPA國防科學辦公室項目經理Mick Maher解釋說。(盡管Maher于2016年完成DARPA的五年任期,但他對TFF的愿景已由現任DARPA計劃經理Jan Vandenbrande博士分享。)Hendrix指出,“沒有人會為復合材料在小部件上提供的重量節省支付雙倍的費用;復合材料必須在成本上比鋁更有競爭力。”
                     
                    為了實現這一目標,TFF分為兩個子程序-個子程序在第1部分中討論材料(原料),第二個子程序在下個月的第2部分中探討成型(成型):

                           1.由美國特拉華大學(UD)復合材料中心(UD-CCM)領導的可定制通用成型原料(TuFF)

                           2.由波音公司領導的快速高性能制造(RAPM,發音為“ wrap-em”)。
                     
                    TuFF原料是高度對準的不連續纖維預成型件,呈薄層狀,可與熱塑性(TP)或熱固性(TS)樹脂混合用于預浸料,或以干燥形式用于基于灌注的工藝。已在UD-CCM的5噸/年試驗設施中證明正在申請專利的不連續纖維對準和預成型工藝,該工藝包括:
                     
                           短纖維分散和校準
                     
                           自動上料和堆疊
                     
                           預浸料和量身定制的坯料生產
                     
                    TS/TP成型和液體成型單元,將于2020年第三季度增加。
                     
                    校準過程與纖維無關,TuFF預成型坯已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。在成形過程中,具有小于1%的空隙和高達63%的纖維體積的層壓板在成型過程中已顯示出> 40%的雙軸面內應變能力,可實現復雜幾何形狀的金屬樣成型而沒有產生飛濺或復雜的層板模式。試生產線還展示TuFF工藝廢料中纖維的閉環回收和再利用,旨在實現零廢料生產。TuFF在美國復合材料制造商協會(ACMA)舉辦的CAMX 2019上獲得“無限可能市場增長獎”。
                     
                    開發不連續的纖維原料
                     
                    連續碳纖維對TFF應用存在兩個問題:價格昂貴且難以形成復雜的形狀。 短纖維具有可成形性,但是目前的形式和工藝(例如注塑)不能提供所需的高纖維體積特性(圖1)。 另一個問題是,如何在越來越分散的國防部市場上以低的業務量,針對特定任務的平臺上攤銷高昂的工具和零件開發成本。
                     
                    UD-CCM和TuFF主要研究人員的主管John W. Gillespie,Jr.博士補充說:“復合材料零件因獨特的零件/過程/程序認證而價格昂貴”。 因此,TuFF的目標是開發一種具有類似于金屬的可成型性材料,也可以進行定制以滿足多種DoD應用需求和體積。
                     
                     

                    圖1:短纖維規格,長纖維性能,可成型以降低零件成本

                    DARPA資助的TuFF是一種通用材料,可以針對特定的零件和程序要求進行定制,能使復合材料在國防應用中與小型零件(<10公斤)的機加工鋁材抗衡,因為鋁已占據主要市場,即使是商用飛機和汽車的新技術對復合材料的使用也很小。
                     
                     Yarlagadda說:“ TuFF項目旨在應對關鍵挑戰,包括如何制造直徑更小的短碳纖維,以使復合材料具有航空航天性能。”“我們的想法是采用低成本的瀝青前驅體,直接制成短纖維,目的是提高中間模量碳纖維的性能。” 該項目包括德雷克塞爾大學,弗吉尼亞理工學院暨州立大學和克萊姆森大學作為分包商,后者負責大部分分包商的工作。
                     
                    Yarlagadda解釋說:“這是一個具有挑戰性的問題,因為您看到的是與用于生產連續纖維的工藝截然不同的工藝。” Clemson瀝青纖維的多次迭代已經通過多次評估,但要開發和成熟瀝青纖維技術仍需要DARPA TuFF項目以外的其他工作。 因此,這里給出的TuFF結果是使用商業的、連續的短切PAN纖維來實現的。成本影響將在下面討論。
                     
                    圖2:短纖維材料的歷史
                     
                    TuFF能夠嚴格控制纖維長度,以可成形性的佳點之內的長寬比進行對齊。
                     
                    數十年來,人們一直在尋求便宜,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)和HiPerDif(高性能不連續纖維)。 對于SBCF,機械過程將連續的PAN碳纖維斷裂成25至50毫米或更長的長度。 使用的直徑為0.005毫米的赫氏公司IM7碳纖,其長寬比為10,000。 Yarlagadda解釋說:“長寬比大于10,000需要高成型力,”他指出可成型性的佳點是長寬比在100到1,000之間。TuFF使用3毫米長的IM7光纖,縱橫比為600。“從1990年代后期發表的技術論文可以看出,長徑比為100的短纖維應與連續纖維的剛度相匹配,長徑比為1,000的短纖維也應與強度相匹配,但是光纖對準存在問題。”” Yarlagadda說。
                     
                    HiPerDiF是由英國布里斯托爾大學(Bristol University)開發的能夠使用一系列不同長度(長度從1毫米到12毫米不等)的碳纖維原料,這些原料懸浮在水中并從噴嘴沉積到基板上,從而形成一種排列整齊的纖維預制體。因此,與SBCF相比,HiPerDiF改善光纖排列,但報告67%的光纖在單向±3度以內。 TuFF可實現> 95%的纖維在所需方向的5度范圍內排列。
                     
                    受控,均勻的微觀結構
                     
                    UD-CCM的助理總監兼TuFF項目負責人Dirk Heider解釋說:“通過高水平的光纖對準,我們得到與單向預浸料相同的光纖量。” 他指出,已證明使用3毫米長的IM7碳纖維將復合材料的纖維體積控制在40%至63%之間。
                     
                    另一個關鍵因素是光纖長度控制。95%的IM7光纖長2.8至3.2毫米(標稱值為3±0.2毫米)。 “具有完全一致的纖維長度,可以優化機械性能和成型性能,以實現可重復的利用。” Gillespie解釋說。Heider補充說,IM7纖維長度為3毫米足以在降低成型壓力和模具成本的同時提供完整的性能轉換。 他觀察到:“無論纖維類型如何,我們都能控制微觀結構。” Yarlagadda補充說:“如果您具有一致的微觀結構,那么您將具有整體一致的響應,從而在成型過程中產生一致的零件厚度。”
                     
                    兩個尺寸不是一個因素。海德說。 “必須在細絲水平上對齊獲得這種特性和受控的微觀結構的轉換。 我們將從外部供應商處收到切碎的IM7絲束分散在水中以細絲化。 以非??煽氐姆绞綄⒓毥z以高度對齊的形式沉積為片狀,再纖維放回。” 正在申請專利的TuFF工藝可生產單層(8微米厚)的纖維片,將其堆疊成定制的鋪層,切成空白或切成膠帶。 薄層指的是散布的絲束-例如,通常將5毫米寬的12K高強度(HS)碳纖維絲束散布到25毫米寬的膠帶上。 Heider指出,“ 我們演示了一種極具操控性的薄層膠帶,半徑達到1英寸,而連續纖維膠帶則為40-50英寸。”
                     
                    Heider說,使用標準模量光纖的直徑大約為7微米(0.007毫米),這意味著TuFF所需的長寬比為100-1,000時,光纖長度為4至5毫米。 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與纖維的界面。 Heider說:“我們一直在使用經過商業處理的纖維,該纖維經過表面處理,沒有上漿,可用于航空航天熱塑性和環氧基體樹脂。 “我們在SAMPE 2019上發表的論文中都有報道。TuFF在短纖維和樹脂之間顯示出良好的粘合性。”
                     
                    航空航天性能,類似金屬的可成型性
                     
                    “我們正在用PEI(聚醚酰亞胺)和PEKK(聚醚酮酮)熱塑性塑料和Hexcel 8552環氧樹脂(用于HexPly單向預浸料中)測試對齊的短纖維材料,以證明航空級復合材料的性能,”Gillespie說。 PEI的測試已經完成,其顯示的復合材料性能與整個板上的連續碳纖維相同(圖3),包括拉伸,壓縮和剪切以及開孔拉伸和壓縮(OHT / OHC)等缺口性能 和軸承強度。 目前正在進行PEKK和8552環氧樹脂的測試,并將于今年完成。
                     
                     
                    圖3:獲得UD預浸料的性能
                     
                    在初步測試中,與標準的IM7 / 8552環氧預浸料相比,在初步測試中,薄層(60 gsm60-微米厚)IM7PEI材料的某些性能甚至比標準IM78552環氧prepreg有所提高(見下文),這要歸功于薄層的微觀結構。


                    圖4:復雜形狀的薄帶
                     
                    TuFF的短纖維和均勻的微觀結構可以形成航空質量的復雜形狀,復雜的形狀沒有高壓或復雜的溫度控制。該材料也可以被分割成連續的磁帶用于AFP處理。
                     
                    Yarlagadda說:“我們能夠生產出少于1%空隙的復合層壓板。” “我們還展示了與UD熱固性預浸料和熱塑性預浸料相當的性能,以及薄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并減少裂紋擴展,從而具有更高的損傷承受能力(請參閱了解更多信息)。 Yarlagadda補充說:“初步數據表明,由于薄的微觀結構,其抗拉強度提高了30%。”
                     
                    他補充說:“該材料在平面內可拉伸,因此可以像金屬一樣成型。” TuFF已形成具有大于40%的雙軸應變的零件幾何形狀。 “我們像金屬成型工藝一樣,保留并塑造邊界。” 已經證明TuFF的可成型性適用于一系列疊層,包括0度和90度單向(UD),0/90雙軸和準各向同性。 圖4和下面的視頻中的圖像(請參閱了解更多信息)還展示了一系列復雜形狀的零件。 “我們從薄型零件開始,因為無法隱藏缺陷。”
                     
                    圖5 –光纖到零件中試驗
                     
                    UD-CCM已經安裝了一個5噸的試驗工廠,該工廠生產連續的TuFF片材和預浸料以及量身定制的坯料,這些料將用于其柔性制造單元中,用于加工形狀大為0.9 x 1.2米(3 x 4英尺)的復雜形狀零件 。
                     

                     
                    校準
                     

                    單TuFF薄板(8 gsm)
                     

                    堆放
                     

                     4-8 TuFF層(30-60 gsm)
                     
                    預浸
                     
                    薄膜浸漬(8層TuFF:1層PEI)
                     
                    (PEI膜厚25微米)
                     
                    相當于TS預浸料:24 TuFF層(195 gsm)
                     
                    相當于TP預浸料:16 TuFF層(130 gsm)
                    形成元件
                     
                    機器人工作單元
                     
                    120千瓦紅外線烤箱
                     
                    1000噸壓力機
                     
                    HP-RTM或濕壓成型
                     
                    光纖到零件中試工廠
                     
                    UD-CCM的高級科學家,TuFF的共同發明者John Tierney博士說:“在DARPA計劃中,我們的目標之一就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英寸寬的線用于制造對齊的短纖維片材:一條標準線和一條偏軸線,用于產生傾斜的纖維取向(例如45、30、60度)。 ”這些生產線的標準薄板是連續的薄層材料,厚8微米,大約8克/平方米(圖5)。紙卷被卷繞到卷筒上,然后卷筒被裝載到鄰近的自動堆垛系統中在內部建造,這需要單獨的卷并堆疊多達八層,以構建所需的纖維面積重量和纖維取向疊層,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。Yarlagadda指出:“用于預浸料坯和量身定制的第三臺機器大多是現成的,但可以定制以處理我們的材料。” “在這臺機器之前,我們一直在使用樹脂膜工藝,用樹脂膜將堆疊的薄片分層,然后施加熱量和壓力進行固結。半連續分度壓力機設計使我們能夠制造預浸料或定制的熱塑性坯料。”
                     
                     他解釋說,制造坯料的過程不是將膠帶粘貼到旋轉臺上的AFP過程。 “它遵循標準的復合鋪層方法,其中定制的坯料設計決定了鋪層順序。 TuFF可以做的是簡化毛坯幾何形狀,消除復雜的帶和鋪層形狀,因為平面內拉伸功能允許進行復雜的成型。” Heider解釋說,在隨后的成形單元中,該單元可以生產高達0.9 x 1.2米的零件。 我們還創造了干燥的坯料,并將其模制成液體樹脂灌注的形狀。” 這項工作是由UD-CCM’s small-company incubator的Composites Automation LLC完成的,公司也位于紐瓦克市。 “結果看起來很有希望,” Heider補充說。 “我們可以使用熱塑性面紗來穩定材料,然后輕松地對其進行預成型,然后進行灌注。”
                     
                    Tierney強調說,這個具有集成自動化功能且年產能為5噸/年的試驗工廠證明了TuFF技術的工業可擴展性。 他解釋說:“所有硬件都反映了一個完整工廠的樣子。” “它目前正在提供我們的材料特性測試和成型演示所需的材料。”

                    成本,光纖到零件的轉換,零浪費
                     
                    TuFF已顯示出以高成形性滿足航空性能的能力,但是低成本又如何呢? Yarlagadda承認:“我們正在使用連續的PAN纖維切割成較短的長度。” “但是,市場上有來自Toray,Hexcel,Teijin和其他公司的商業短纖維,以及來自回收和廢物流來源的短纖維。 這些纖維沒有主要航空航天結構所需的認證,但是有潛力顯著降低其他應用的材料成本。”
                     
                    他繼續說:“終,這取決于您的光纖到零件的成本結構。”“使用織物和UD膠帶,您要承擔從纖維到這種形式再轉換為復雜幾何形狀零件的成本,由于復雜性,缺陷等原因,后者會產生大量的報廢和成型風險。 纖維在隨后的切割中確實會產生一些額外的成本,但是當我們將其轉換為復雜的形狀時,它的成型變得非常容易。 因此,避免使用復雜的圖案和疊層具有優勢,而且在航空航天零件中使用TuFF可以降低成形性并減少廢料。”
                     
                     Hendrix承認UD-CCM可以形成一種深沖部件,這對于使用連續纖維材料的TFF RAPM計劃是一個挑戰(請參閱即將發布的第2部分)。 TuFF可以使用六張紙而不是20種不同的預成型坯來制造這些零件,這對于實現我們的成本目標至關重要。 他們還證明了他們可以制造傳統材料無法制造的幾何形狀。” Yarlagadda引用了開場照片中所示的華夫格部分:“使用連續纖維是不可能的。 這如何影響您的價值和業務案例計算?這需要你退后一步,問問自己現在該如何制造零部件,以及你可以利用什么樣的設計自由度?
                     
                    ?Heider返回到纖維成本,并考慮了另一個因素:廢物再利用。 “如果您不需要經過認證的光纖,則可以使用成本更低的短纖或回收光纖。” 大多數回收纖維是短纖維,因為熱解和其他一些過程需要切碎,然后才能從廢料預浸料和固化的廢料/報廢部件中除去樹脂。 Yarlagadda說:“如果使用短纖維形式作為起點,則所有廢料都可以重復使用,從而使您的廢品生產過程基本為零。” “這不是DARPA TFF計劃的重點,但是我們已經展示了我們可以回收TuFF材料,使該纖維通過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級光纖,但我們認為短光纖的成本優勢仍將使大幅降低成本成為可能。”
                     
                    下一步
                     
                    “我們希望完成PEKK和8552的環氧性能測試,然后發布這些結果,以及我們在各種零件成型過程中的工作,” Gillespie說。 “我們有正在申請的專利,并且正在對該技術進行許可。” DARPA TFF計劃于2020年正式結束,并分發了所有測試和結果。
                     
                     Gillespie說:“初建立TFF時,該程序正在研究為何復合材料沒有在國防和汽車領域得到更多使用。” “對于汽車而言,這是因為他們已經投資于金屬成型,并且必須對復合材料進行再投資。 但是,當復合材料可以像金屬一樣成形時會發生什么呢? 然后,重新配置現有的生產流程并利用現有的設備將變得更加容易。”
                     
                    對于Hendrix而言,緊迫的問題不是大批量生產,而是如何在小批量生產中實現負擔得起的重量減輕。 他承認:“我不希望將10,000個鋁制零件替換為10,000個復合材料零件,但我要替換幾百個。” 為了實現這一目標,下一步是采用一些示例部件,使用這些材料和工藝對其進行演示,這些材料和工藝能夠滿足航空航天的質量要求,并驗證加工鋁的經濟性。在第2部分中,CW將綜述RAPM計劃,該計劃正在可重新配置的制造單元中探索各種過程,這些過程具有模塊化工具以及具有像素化溫度控制的快速加熱/冷卻功能。
                     
                     
                     
                     
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