DARPA lance l'initiative TFF pour des matériaux composites à faible coût pour la défense

L'Agence pour les projets de recherche avancée de défense (DARPA, Arlington, Virginie, USA), qui fait partie du Département de la Défense américain (DoD), a une longue histoire dans l'avancement du développement de la technologie des composites. Cela inclut des programmes tels que les composites abordables pour la propulsion, les matériaux hors autoclave — qui ont conduit à l'utilisation généralisée de la famille de préimprégnés 5320-1 dans l'industrie de la défense — et plus récemment le programme TRUST pour les structures primaires composites collées.

Lancé en 2015, le programme Tailorable Feedstock and Forming (TFF) de DARPA vise à permettre la fabrication rapide, à faible coût et agile de pièces composites pesant moins de 20 livres. Les pièces composites s'échangent très bien contre les métalliques pour les grandes pièces à peau raidie avec des procédés tels que le placement automatisé de fibres et la pose de ruban. Cependant, sur un avion militaire tactique typique, environ 80 % des pièces qui composent toute la structure de la cellule pèsent moins de 20 livres. La grande majorité de ces pièces sont faites en métaux car les composites ne gagnent dans les études d'arbitrage que pour les pièces de défense >20 livres.

Pour y remédier, TFF développe une matière première universelle adaptable pour le formage (TuFF) — un matériau utilisant de la fibre de carbone PAN traditionnelle coupée à des longueurs spécifiques (finalement, le programme espère utiliser de la fibre de carbone pitch) et des fibres discontinues hautement alignées qui peuvent être adaptées en longueur, modification de surface, matrice et hybridation avec d'autres matériaux tout en atteignant une formabilité type tôle via des procédés rapides comme l'estampage. Le sous-programme TuFF est dirigé par l'Université du Delaware (UD, Newark, Delaware, USA).

Comparaison des procédés de formage et moulage

Le parallèle de TuFF pour la fabrication est le sous-programme de formage, dirigé par The Boeing Co. (Chicago, Illinois, USA) et appelé RApid high-Performance Molding (RAPM). Les partenaires de RAPM couvrent non seulement des entreprises bien connues dans l'aérospatiale, y compris le fournisseur de matériaux Solvay (Alpharetta, Géorgie, USA) — Solvay Composite Materials (Bruxelles, Belgique et Tempe, Arizona, USA) — et le spécialiste des structures composites thermoplastiques ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, USA), mais aussi des entreprises plus souvent associées aux marchés automobile et industriel comme SGL Carbon (Wiesbaden, Allemagne) et le spécialiste du contrôle de température pixellisé Surface Generation (Oakham, Rutland, Royaume-Uni), qui a fourni des systèmes de moulage automatisés pour ordinateurs portables moulés par compression, plastiques moulés par injection et une gamme de pièces et procédés composites.

Résultats présentés au SAMPE 2019

TuFF et RAPM ont tous deux présenté des résultats au SAMPE 2019 — 14 présentations au total — incluant des essais de propriétés de matériaux sur de nouveaux matériaux et des démonstrations de formage pour un ensemble de pièces démonstratrices difficiles. Ce dernier a permis des comparaisons côte à côte de matériaux et de procédés, y compris l'estampage de composites thermoplastiques et le moulage par transfert de résine (RTM) thermodurcissable, incluant le développement du RTM haute pression (HP-RTM) de type automobile vers une variante à pression plus basse similaire au procédé Ultra RTM utilisé par Audi et Voith Composites. Des procédés ont également été développés utilisant un cadre à ressort pour maintenir les renforts 2D et prévenir les plis et autres défauts pendant le préformage/moulage de formes 3D. Le temps de cycle de référence pour tous les procédés était de moins de 30 minutes sur outillage. Certaines pièces réalisées par estampage de composites thermoplastiques ont atteint des temps de cycle aussi bas que 5 minutes.

Sélection des présentations TFF au SAMPE 2019

• Formabilité des blanks composites TUFF — Shridhar Yarlagadda, Centre des matériaux composites de l'Université du Delaware (UD-CCM)
• Recyclage en boucle fermée de PRFC en composites courts fibres haute performance hautement alignés — Dirk Heider, UD-CCM
• Évaluation de l'alignement des fibres par tomographie computationnelle aux rayons X — Jennifer Sietins, Laboratoire de recherche de l'armée américaine
• Moulage haute performance rapide (RAPM) pour petites pièces — Gail Hahn, The Boeing Company
• Fabrication d'une pièce complexe à sections de profond étirage par moulage par transfert de résine — Tom Tsotsis, The Boeing Company
• Fabrication de composants de production aérospatiale par presse à cadre à ressort — Timothy Luchini, The Boeing Company
• Moulage rapide haute performance de pièces structurelles composites thermoplastiques — Gail Hahn, The Boeing Company
• Analyse agile des coûts de cellule de fabrication pour moulage de petites pièces composites — Daniel Charles, The Boeing Company

Cellule de moulage automatisée Surface Generation

RAPM a également évalué le système PtFS breveté de Surface Generation sur une gamme d'applications de traitement de composites thermodurcissables et thermoplastiques aérospatiaux near-net et net-shape. La cellule traite le préimprégné, l'organofeuille et la fibre sèche, cette dernière utilisée dans l'infusion de résine.

Les résultats intermédiaires étaient détaillés dans « Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells » par Steven Shewchuk, The Boeing Company.

Surface Generation a fourni à l'équipe RAPM une cellule de serrage, outillage et moulage PtFS entièrement intégrée sur mesure capable de produire des composants composites jusqu'à 0,9 mètre sur 0,9 mètre. La cellule peut être reconfigurée pour produire différentes pièces en quelques minutes et a été testée avec de multiples configurations incluant le vide, l'infusion de résine, le press-clave thermodurcissable et la consolidation de composites thermoplastiques. Elle a une histoire large et significative de données de traitement de pièces ainsi que la capacité de mélanger des traitements isothermes et cycliques.