熱塑復(fù)材AFP的氙閃光燈加熱模擬

　　

　　

　　

　　AFP 在Compositadour 進(jìn)行Humm3 試驗(yàn)和光學(xué)建模

　　

　　“清潔天空 2”項(xiàng)目 frameS 于 2020 年 7 月開始，其主要目標(biāo)是驗(yàn)證用于生產(chǎn)德國(guó)航空航天中心（DLR）制造的先進(jìn)后機(jī)身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器的制造方法，該演示器是大型客機(jī)“清潔天空 2”技術(shù)平臺(tái)的一部分。該演示器旨在為自動(dòng)纖維鋪設(shè)（AFP）過程中的加熱模擬提供可靠且有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，以實(shí)現(xiàn)熱塑性加強(qiáng)件和自加熱工具的高速制造，從而支持蒙皮加強(qiáng)件組件的共同固結(jié)。

　　

　　氙閃光燈加熱系統(tǒng)的光學(xué)熱模型

　　

　　碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑性復(fù)合材料的 AFP 主要依靠激光加熱來實(shí)現(xiàn)加工高性能熱塑性基體材料所需的高溫，如 PEEK（聚醚醚酮）、PEKK（聚醚酮）和 LM- PAEK（低熔體聚芳醚酮）。然而，一種基于脈沖氙閃光燈的新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。在這種方法中，由強(qiáng)大的寬帶熱源傳遞的高能短持續(xù)時(shí)間脈沖由石英光導(dǎo)收集和傳遞。石英光導(dǎo)定位在 AFP 頭的夾點(diǎn)附近，在壓實(shí)輥下實(shí)現(xiàn)固結(jié)之前，對(duì)光能進(jìn)行整形和定位，以加熱基材和進(jìn)入的絲束。這種氙閃光燈系統(tǒng)已被證明能夠匹配激光的快速響應(yīng)時(shí)間，并達(dá)到加工熱塑性復(fù)合材料所需的溫度。

　　

　　在 AFP 處理過程中，必須控制氙閃光燈脈沖，以考慮速度和幾何形狀的變化，并保持目標(biāo)溫度。這是通過改變閃光燈脈沖能量、持續(xù)時(shí)間和頻率來實(shí)現(xiàn) 的。為了優(yōu)化這些參數(shù)，創(chuàng)建了一個(gè)光熱模擬模型，該模型使用光線跟蹤技術(shù)（計(jì)算每個(gè)表面的折射/反射角）來表征閃光燈光源，并使用有限元分析（FEA-finite element analysis）來預(yù)測(cè)最終的加工溫度。使用這些模擬工具，可以避免試錯(cuò)；可以選擇脈沖參數(shù)以實(shí)現(xiàn)期望的處理溫度，而無需昂貴且耗時(shí)的物理試驗(yàn)。Heraeus Noblelight（英國(guó)劍橋）領(lǐng)導(dǎo)了用于 Humm3 閃光燈系統(tǒng)的光熱模型的開發(fā)。創(chuàng)建可靠模擬的過程包括使用角度測(cè)量（繞軸旋轉(zhuǎn)）測(cè)量和光譜輻照度（表面接收的光能）測(cè)量對(duì)氙閃光燈光源進(jìn)行光學(xué)表征，然后使用這些測(cè)量來確定光源的光譜能級(jí)、空間分布和電輻射能量效率。

　　

　　測(cè)量光譜能量

　　

　　下面的圖1顯示了使用光譜輻照度測(cè)量來確定氙閃光燈相對(duì)于波長(zhǎng)的能量發(fā)射的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。在這個(gè)系統(tǒng)中，氙閃光燈發(fā)出的光進(jìn)入預(yù)設(shè)距離外的探測(cè)器（通常為 0.5 至 1 米，位于左下方）。然后，這些光通過光纜傳輸?shù)诫p單色儀系統(tǒng)（位于下方左下方），該系統(tǒng)確定特定波長(zhǎng)下的光強(qiáng)度。這導(dǎo)致了光源的詳細(xì)光譜輻照度圖——在這種情況下，測(cè)量了 Humm3 閃光燈氙光能的整個(gè)發(fā)射曲線（圖 2）。

　　

　　

　　

　　圖1. 用于光譜輻照度測(cè)量的雙單色儀測(cè)試裝置。氙閃光燈發(fā)出的光（右上）進(jìn)入探測(cè)器（左上），探測(cè)器通過光纜將光傳輸?shù)诫p單色儀中，該單色儀測(cè)量特定波長(zhǎng)的光強(qiáng)度。這使得能夠在閃光燈發(fā)射的光能的光譜上繪制詳細(xì)的圖。

　　

　　

　　

　　圖 2. Humm3 氙閃光燈出射光的光譜輻照度測(cè)量

　　

　　測(cè)量能源效率

　　

　　

　　

　　圖3. 用于光譜輻射功率測(cè)量的積分球示意圖

　　

　　還使用積分球?qū)ο到y(tǒng)效率進(jìn)行了評(píng)估（圖 3），該 積分球位于德國(guó) Hanau 的 Heraeus 實(shí)驗(yàn)室，用于準(zhǔn)確確 定在不同電壓水平下離開 Humm3 光導(dǎo)的光譜能量。該球體具有高反射漫射表面，幾乎將離開閃光燈頭的所有 光能都引導(dǎo)到雙單色儀探測(cè)器。通過對(duì)給定脈沖持續(xù)時(shí) 間和頻率的脈沖能量進(jìn)行調(diào)制，對(duì)于一系列閃光燈電壓，作為波長(zhǎng)的函數(shù)來測(cè)量離開 Humm3 頭的平均光功率。

　　

　　分析角能量分布

　　

　　閃光燈頭相對(duì)于 AFP 頭咬合點(diǎn)的位置也是實(shí)現(xiàn)高 質(zhì)量復(fù)合材料疊層的關(guān)鍵方面。在測(cè)量輸出功率的同時(shí)，還測(cè)量了氙閃光燈光強(qiáng)相對(duì)于光源角度的變化。所有測(cè) 量都被歸一化，以研究角能量分布，而不是此時(shí)的絕對(duì) 功率輸出。這些結(jié)果用于驗(yàn)證閃光燈的光線跟蹤模擬，以預(yù)測(cè)閃光燈脈沖的能量如何在基底、夾點(diǎn)和進(jìn)入的絲束之間分布。

　　

　

　　

　　圖4. 使用 TracePro 軟件的光學(xué)模型結(jié)果

　　

　　然后，使用 TracePro 軟件（Lambda Research Corp.， Littleton，Mass.，U.S.）實(shí)現(xiàn)的光線跟蹤分析（圖 4）被詳細(xì)用于計(jì)算復(fù)合絲束和基底上的表面輻照度分布。這些輻照度分布被用作熱模擬的輸入邊界條件。碳纖維增強(qiáng) LM-PAEK 帶的光學(xué)和熱行為也已被表征，以在相關(guān)加工溫度下提供模型。

　　

　　通過物理試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證

　　

　　作為驗(yàn)證步驟，在 Compositadour（法國(guó)巴約訥）進(jìn)行了物理 AFP 試驗(yàn)，以顯示模擬預(yù)測(cè)實(shí)際 AFP 鋪放過程中溫度值的能力。在 AFP 試驗(yàn)期間，使用紅外熱成像和復(fù)合材料層內(nèi)嵌入的薄熱電偶來測(cè)量加工溫度。測(cè)量結(jié)果顯示，在接近夾點(diǎn)的區(qū)域以及整個(gè)厚度范圍內(nèi)，與預(yù)測(cè)的溫度分布合理一致。

　　

　　然而，這些測(cè)量結(jié)果也突出了工具對(duì)前幾層熱管理的影響。在疊層開始時(shí)，前幾層非常靠近工具表面，這可以作為散熱器。因此，使用了加熱工具。工具溫度對(duì) AFP 夾點(diǎn)溫度有很大影響。

　　

　　

　　

　　圖5. 在 Compositadour 用 Humm3 氙閃光燈加熱系統(tǒng)進(jìn)行熱塑性疊層試驗(yàn)

　　

　　在疊層的這個(gè)開始階段，需要調(diào)整氙氣閃光燈的脈沖參數(shù)以保持夾點(diǎn)溫度恒定。但一旦鋪設(shè)了幾層，鋪設(shè)層就開始成為一種絕緣層，工具溫度的影響就會(huì)降低。在該過程的這一點(diǎn)上，不需要進(jìn)一步的脈沖參數(shù)調(diào)整。

　　

　　上籃條件下提高模擬的可靠性和穩(wěn)健性。” Compositadour復(fù)合材料項(xiàng)目首席工程師Guillaume Fourage解釋說，在frameS項(xiàng)目認(rèn)證試驗(yàn)期間，加熱工具被用于評(píng)估 AFP 期間的不同加工溫度。“先進(jìn)后機(jī)身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器的制造方法還沒有凍結(jié)，還沒有凍結(jié)，我們正在評(píng)估蒙皮疊層的不同選擇，目的是在工藝時(shí)間、能耗和疊層質(zhì)量之間找到正確的平衡。改變工具表面溫度需要我們相應(yīng)地調(diào)整脈沖參數(shù)，以達(dá)到適當(dāng)?shù)膴A點(diǎn)溫度的光熱模型的開發(fā)計(jì)劃，并幫助我們?cè)诓煌纳匣@條件下提高模擬的可靠性和穩(wěn)健性。”

　　

　　

　　

　　

　　

　　用于“清潔天空 2”的熱塑性復(fù)合材料先進(jìn)后機(jī)身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器

　　

　　該模擬模型目前正在適應(yīng)最終的加熱系統(tǒng)和工具配置，該配置將用于制造“清潔天空 2”熱塑性復(fù)合材料先進(jìn)后機(jī)身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器。零件將于 2021 年制造，2022 年組裝，目標(biāo)是在 2023年項(xiàng)目結(jié)束前達(dá)到 TRL 6。與此同時(shí)，正在追求 5/6的制造準(zhǔn)備水平（MRL），不僅針對(duì) ARE 演示器，而且針對(duì)正在開發(fā)的相關(guān)制造工藝和工具。ARE 演示器項(xiàng)目的總體目標(biāo)包括：將成本降低 20%，組件重量降低 20%，燃料消耗降低 1.5%，并根據(jù)“清潔天空 2”的環(huán)境目標(biāo)改善空氣動(dòng)力學(xué)。

　　

　　該項(xiàng)目根據(jù)第 886549 號(hào)贈(zèng)款協(xié)議獲得了清潔天空2”號(hào)聯(lián)合企業(yè)（JU）的資助。JU 得到了歐盟地平線2020 研究和創(chuàng)新計(jì)劃以及除歐盟以外的”清潔天空2”JU 成員的支持。