DARPA Lança Iniciativa TFF para Entregar Materiais Compósitos de Baixo Custo para Aplicações de Defesa

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA, Arlington, Va., EUA), parte do Departamento de Defesa dos EUA (DoD), tem uma longa história no avanço do desenvolvimento de tecnologia de compósitos. Isso inclui programas como Compósitos Acessíveis para Propulsão, Materiais Fora do Autoclave — que levaram ao uso generalizado da família de prepregs 5320-1 na indústria de defesa — e mais recentemente o programa TRUST para estruturas primárias de compósitos colados.

Visão geral do programa TFF. FONTE | "Avanços em Materiais Compósitos e Ferramentas de Design" por Jan Vandenbrande, gerente de programa, Defense Sciences Office (DSO), DARPA na SAMPE 2019 (20-23 de maio, Charlotte, N.C., EUA)

Lançado em 2015, o programa Tailorable Feedstock and Forming (TFF) da DARPA visa permitir a manufatura rápida, de baixo custo e ágil de peças de compósito pesando menos de 20 libras. Peças de compósito competem muito bem contra metálicas para peças grandes de pele enrijecida com processos como colocação automática de fibras e deposição de fita. No entanto, em uma aeronave militar tática típica, cerca de 80% das peças que compõem toda a estrutura da fuselagem pesam menos de 20 libras. A grande maioria dessas peças é feita de metais porque compósitos só vencem em estudos de troca para peças de defesa >20 libras.

Para resolver isso, o TFF está desenvolvendo uma matéria-prima universal adaptável para conformação (TuFF) — um material usando fibra de carbono base PAN tradicional cortada em comprimentos específicos (em última análise, o programa espera usar fibra de carbono de pitch) e fibras descontínuas altamente alinhadas que podem ser adaptadas em comprimento, modificação de superfície, matriz e hibridização com outros materiais enquanto alcançam conformabilidade semelhante a chapa metálica via processos rápidos como estampagem. O subprograma TuFF é liderado pela Universidade de Delaware (UD, Newark, De., EUA).

Desempenho alvo para material Tailored universal Feedstock for Forming (TuFF). FONTE | "Avanços em Materiais Compósitos e Ferramentas de Design" por Jan Vandenbrande, SAMPE 2019.

Comparação de processos de conformação e moldagem

O paralelo do TuFF para manufatura é o subprograma de conformação, liderado pela The Boeing Co. (Chicago, Ill., EUA) e referido como RApid high-Performance Molding (RAPM). Parceiros no RAPM abrangem não apenas empresas bem conhecidas no aeroespacial, incluindo fornecedora de materiais Solvay (Alpharetta, Ga., EUA) — Solvay Composite Materials (Bruxelas, Bélgica e Tempe, Az., EUA) — e especialista em estruturas de compósitos termoplásticos ATC Manufacturing (Post Falls, Id., EUA), mas também empresas mais associadas a mercados automotivos e industriais como SGL Carbon (Wiesbaden, Alemanha) e especialista em controle de temperatura pixelado Surface Generation (Oakham, Rutland, Reino Unido), que forneceu sistemas de moldagem automatizados para laptops moldados por compressão, plásticos moldados por injeção e uma gama de peças e processos de compósitos.

RAPM compara múltiplos métodos de conformação em uma série de peças demonstradoras. FONTE | "Avanços em Materiais Compósitos e Ferramentas de Design" por Jan Vandenbrande, SAMPE 2019.

Resultados apresentados na SAMPE 2019

Tanto TuFF quanto RAPM apresentaram resultados na SAMPE 2019 — 14 apresentações no total — incluindo testes de propriedades de materiais de novos materiais e demonstrações de conformação para um conjunto de peças demonstradoras desafiadoras. O último permitiu comparações lado a lado de materiais e processos, incluindo estampagem de compósitos termoplásticos e moldagem por transferência de resina (RTM) termofixa, incluindo desenvolvimento de RTM de alta pressão automotiva (HP-RTM) para uma variante de pressão mais baixa similar ao processo Ultra RTM usado pela Audi e Voith Composites. Processos também foram desenvolvidos usando uma estrutura carregada por mola para segurar reforços 2D para prevenir rugas e outros defeitos durante pré-conformação/moldagem de formas 3D. O benchmark de tempo de ciclo para todos os processos foi menos de 30 minutos na ferramenta. Algumas peças feitas com estampagem de compósito termoplástico alcançaram tempos de ciclo tão baixos quanto 5 minutos.

Seleção de Apresentações TFF na SAMPE 2019

• Conformabilidade de Blanks Compósitos TUFF — Shridhar Yarlagadda, Centro de Materiais Compósitos da Universidade de Delaware (UD-CCM)
• Reciclagem em Loop Fechado de CFRP em Compósitos de Fibra Curta de Alto Desempenho Altamente Alinhados — Dirk Heider, UD-CCM
• Avaliação de Alinhamento de Fibra Através de Tomografia Computadorizada de Raios-X — Jennifer Sietins, Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA
• Moldagem Rápida de Alto Desempenho (RAPM) para Peças Pequenas — Gail Hahn, The Boeing Company
• Fabricação de Peça Complexa com Seções de Estampagem Profunda por Moldagem por Transferência de Resina — Tom Tsotsis, The Boeing Company
• Fabricação de Componentes de Produção Aeroespacial com Prensa de Estrutura de Mola — Timothy Luchini, The Boeing Company
• Moldagem Rápida de Alto Desempenho de Peças Estruturais de Compósito Termoplástico — Gail Hahn, The Boeing Company
• Análise Ágil de Custos de Célula de Manufatura para Moldagem de Pequenas Peças Compósitos — Daniel Charles, The Boeing Company

Célula de moldagem automatizada Surface Generation

O RAPM também avaliou o sistema PtFS patenteado da Surface Generation em uma gama de aplicações de processamento de compósitos termofixos e termoplásticos aeroespaciais near-net e net-shape. A célula processa prepreg, organosheet e fibra seca, esta última usada em infusão de resina.

Resultados intermediários foram detalhados em 'Desenvolvimento de Arquiteturas de Controle Dinâmico Escaláveis para Células de Trabalho de Manufatura de Compósitos Flexíveis' por Steven Shewchuk, The Boeing Company.

A Surface Generation forneceu à equipe RAPM uma célula de moldagem, ferramentas e fixação PtFS totalmente integrada e sob medida, capaz de produzir componentes de compósito até 0,9 metro por 0,9 metro. A célula pode ser reconfigurada para produzir diferentes peças em minutos e foi testada com múltiplas configurações incluindo vácuo, infusão de resina, press-clave termofixo e consolidação de compósito termoplástico. Tem um histórico amplo e significativo de dados de processamento de peças, bem como a capacidade de misturar processamento isotérmico e cíclico.