DARPA lanza iniciativa TFF para materiales compuestos de bajo coste en defensa

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, Arlington, Virginia, EE. UU.), parte del Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD), tiene una larga historia en el avance del desarrollo de tecnología de compuestos. Esto incluye programas como Compuestos Asequibles para Propulsión, Fuera de Autoclave —que llevó al uso generalizado de la familia de prepregs 5320-1 en la industria de defensa— y más recientemente el programa TRUST para estructuras primarias compuestas unidas.

Visión general del programa TFF. FUENTE | "Avances en Materiales Compuestos y Herramientas de Diseño" por Jan Vandenbrande, gerente de programa, Oficina de Ciencias de Defensa (DSO), DARPA en SAMPE 2019 (20-23 mayo, Charlotte, Carolina del Norte, EE. UU.)

Lanzado en 2015, el programa Tailorable Feedstock and Forming (TFF) de DARPA tiene como objetivo permitir la fabricación rápida, de bajo coste y ágil de piezas compuestas que pesen menos de 20 libras. Las piezas compuestas compiten muy bien contra metálicos para piezas grandes de piel rigidizada con procesos como colocación automática de fibra y colocación de cinta. Sin embargo, en un avión militar táctico típico, alrededor del 80% de las piezas que componen toda la estructura del fuselaje pesan menos de 20 libras. La gran mayoría de estas piezas se fabrican con metales porque los compuestos solo ganan en estudios de intercambio para piezas de defensa >20 libras.

Para abordar esto, TFF está desarrollando una materia prima universal adaptable para conformado (TuFF) —un material que usa fibra de carbono basada en PAN tradicional cortada a longitudes específicas (en última instancia, el programa espera usar fibra de carbono de pitch) y fibras discontinuas altamente alineadas que pueden adaptarse en longitud, modificación de superficie, matriz e hibridación con otros materiales mientras logran formabilidad similar a chapa metálica mediante procesos rápidos como estampado. El subprograma TuFF está liderado por la Universidad de Delaware (UD, Newark, Delaware, EE. UU.).

Rendimiento objetivo para material Tailored universal Feedstock for Forming (TuFF). FUENTE | "Avances en Materiales Compuestos y Herramientas de Diseño" por Jan Vandenbrande, SAMPE 2019.

Comparación de procesos de conformado y moldeo

El paralelo de TuFF para fabricación es el subprograma de conformado, liderado por The Boeing Co. (Chicago, Illinois, EE. UU.) y denominado RApid high-Performance Molding (RAPM). Los socios en RAPM abarcan no solo empresas conocidas en aeroespacial, incluyendo proveedor de materiales Solvay (Alpharetta, Georgia, EE. UU.) —Solvay Composite Materials (Bruselas, Bélgica y Tempe, Arizona, EE. UU.)— y especialista en estructuras compuestas termoplásticas ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, EE. UU.), sino también empresas más asociadas a mercados automotrices e industriales como SGL Carbon (Wiesbaden, Alemania) y especialista en control de temperatura pixelado Surface Generation (Oakham, Rutland, Reino Unido), que ha suministrado sistemas de moldeo automatizados para portátiles de compresión, plásticos de inyección y una gama de piezas y procesos compuestos.

RAPM compara múltiples métodos de conformado en una serie de piezas demostradoras. FUENTE | "Avances en Materiales Compuestos y Herramientas de Diseño" por Jan Vandenbrande, SAMPE 2019.

Resultados presentados en SAMPE 2019

Tanto TuFF como RAPM presentaron resultados en SAMPE 2019 —14 presentaciones en total— incluyendo pruebas de propiedades de materiales de nuevos materiales y demostraciones de conformado para un conjunto de piezas demostradoras desafiantes. Esto ha permitido comparaciones lado a lado de materiales y procesos, incluyendo estampado de compuestos termoplásticos y moldeo por transferencia de resina termoestable (RTM), incluyendo desarrollo desde RTM de alta presión tipo automoción (HP-RTM) a una variante de menor presión similar al proceso Ultra RTM usado por Audi y Voith Composites. También se han desarrollado procesos usando un marco con muelles para mantener refuerzos 2D y prevenir arrugas y otros defectos durante preconformado/moldeo de formas 3D. El tiempo de ciclo de referencia para todos los procesos fue menos de 30 minutos en herramienta. Algunas piezas hechas con estampado de compuestos termoplásticos lograron tiempos de ciclo tan bajos como 5 minutos.

Selección de presentaciones TFF en SAMPE 2019

• Formabilidad de Láminas Compuestas TUFF —Shridhar Yarlagadda, Centro de Materiales Compuestos de Universidad de Delaware (UD-CCM)
• Reciclaje en Bucle Cerrado de CFRP en Compuestos de Fibra Corta de Alto Rendimiento Altamente Alineados —Dirk Heider, UD-CCM
• Evaluación de Alineación de Fibra mediante Tomografía Computarizada de Rayos X — Jennifer Sietins, Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU.
• Moldeo Rápido de Alto Rendimiento (RAPM) para Piezas Pequeñas — Gail Hahn, The Boeing Company
• Fabricación de una Pieza Compleja con Secciones de Embutición Profunda por Moldeo por Transferencia de Resina — Tom Tsotsis, The Boeing Company
• Fabricación de Componentes de Producción Aeroespacial con Prensa de Marco con Muelles — Timothy Luchini, The Boeing Company
• Moldeo Rápido de Alto Rendimiento de Piezas Estructurales de Compuestos Termoplásticos — Gail Hahn, The Boeing Company
• Análisis Ágil de Costes de Celda de Fabricación para Moldeo de Piezas Compuestas Pequeñas — Daniel Charles, The Boeing Company

Celda de moldeo automatizada de Surface Generation

RAPM también evaluó el sistema patentado PtFS de Surface Generation en una gama de aplicaciones de procesamiento de compuestos termoplásticos y termoestables aeroespaciales near-net y net-shape. La celda procesa prepreg, organosheet y fibra seca, esta última usada en infusión de resina.

Hallazgos intermedios se detallaron en 'Desarrollo de Arquitecturas de Control Dinámico Escalables para Celdas de Trabajo de Fabricación de Compuestos Flexibles' por Steven Shewchuk, The Boeing Company.

Surface Generation suministró al equipo RAPM una celda de sujeción, utillaje y moldeo PtFS totalmente integrada y a medida capaz de producir componentes compuestos de hasta 0,9 metro por 0,9 metro. La celda puede reconfigurarse para producir diferentes piezas en minutos y ha sido probada con múltiples configuraciones incluyendo vacío, infusión de resina, prensado termoestable y consolidación de compuestos termoplásticos. Tiene un amplio y significativo historial de datos de procesamiento de piezas así como la capacidad de mezclar procesamiento isotérmico y cíclico.