熱塑復材AFP的氙閃光燈加熱模擬

　　

　　

　　

　　AFP 在Compositadour 進行Humm3 試驗和光學建模

　　

　　“清潔天空 2”項目 frameS 于 2020 年 7 月開始，其主要目標是驗證用于生產德國航空航天中心（DLR）制造的先進后機身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器的制造方法，該演示器是大型客機“清潔天空 2”技術平臺的一部分。該演示器旨在為自動纖維鋪設（AFP）過程中的加熱模擬提供可靠且有競爭力的解決方案，以實現熱塑性加強件和自加熱工具的高速制造，從而支持蒙皮加強件組件的共同固結。

　　

　　氙閃光燈加熱系統的光學熱模型

　　

　　碳纖維增強熱塑性塑性復合材料的 AFP 主要依靠激光加熱來實現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已經出現。在這種方法中，由強大的寬帶熱源傳遞的高能短持續時間脈沖由石英光導收集和傳遞。石英光導定位在 AFP 頭的夾點附近，在壓實輥下實現固結之前，對光能進行整形和定位，以加熱基材和進入的絲束。這種氙閃光燈系統已被證明能夠匹配激光的快速響應時間，并達到加工熱塑性復合材料所需的溫度。

　　

　　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，并保持目標溫度。這是通過改變閃光燈脈沖能量、持續時間和頻率來實現 的。為了優化這些參數，創建了一個光熱模擬模型，該模型使用光線跟蹤技術（計算每個表面的折射/反射角）來表征閃光燈光源，并使用有限元分析（FEA-finite element analysis）來預測最終的加工溫度。使用這些模擬工具，可以避免試錯；可以選擇脈沖參數以實現期望的處理溫度，而無需昂貴且耗時的物理試驗。Heraeus Noblelight（英國劍橋）領導了用于 Humm3 閃光燈系統的光熱模型的開發。創建可靠模擬的過程包括使用角度測量（繞軸旋轉）測量和光譜輻照度（表面接收的光能）測量對氙閃光燈光源進行光學表征，然后使用這些測量來確定光源的光譜能級、空間分布和電輻射能量效率。

　　

　　測量光譜能量

　　

　　下面的圖1顯示了使用光譜輻照度測量來確定氙閃光燈相對于波長的能量發射的實驗設置。在這個系統中，氙閃光燈發出的光進入預設距離外的探測器（通常為 0.5 至 1 米，位于左下方）。然后，這些光通過光纜傳輸到雙單色儀系統（位于下方左下方），該系統確定特定波長下的光強度。這導致了光源的詳細光譜輻照度圖——在這種情況下，測量了 Humm3 閃光燈氙光能的整個發射曲線（圖 2）。

　　

　　

　　

　　圖1. 用于光譜輻照度測量的雙單色儀測試裝置。氙閃光燈發出的光（右上）進入探測器（左上），探測器通過光纜將光傳輸到雙單色儀中，該單色儀測量特定波長的光強度。這使得能夠在閃光燈發射的光能的光譜上繪制詳細的圖。

　　

　　

　　

　　圖 2. Humm3 氙閃光燈出射光的光譜輻照度測量

　　

　　測量能源效率

　　

　　

　　

　　圖3. 用于光譜輻射功率測量的積分球示意圖

　　

　　還使用積分球對系統效率進行了評估（圖 3），該 積分球位于德國 Hanau 的 Heraeus 實驗室，用于準確確 定在不同電壓水平下離開 Humm3 光導的光譜能量。該球體具有高反射漫射表面，幾乎將離開閃光燈頭的所有 光能都引導到雙單色儀探測器。通過對給定脈沖持續時 間和頻率的脈沖能量進行調制，對于一系列閃光燈電壓，作為波長的函數來測量離開 Humm3 頭的平均光功率。

　　

　　分析角能量分布

　　

　　閃光燈頭相對于 AFP 頭咬合點的位置也是實現高 質量復合材料疊層的關鍵方面。在測量輸出功率的同時，還測量了氙閃光燈光強相對于光源角度的變化。所有測 量都被歸一化，以研究角能量分布，而不是此時的絕對 功率輸出。這些結果用于驗證閃光燈的光線跟蹤模擬，以預測閃光燈脈沖的能量如何在基底、夾點和進入的絲束之間分布。

　　

　

　　

　　圖4. 使用 TracePro 軟件的光學模型結果

　　

　　然后，使用 TracePro 軟件（Lambda Research Corp.， Littleton，Mass.，U.S.）實現的光線跟蹤分析（圖 4）被詳細用于計算復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 LM-PAEK 帶的光學和熱行為也已被表征，以在相關加工溫度下提供模型。

　　

　　通過物理試驗進行驗證

　　

　　作為驗證步驟，在 Compositadour（法國巴約訥）進行了物理 AFP 試驗，以顯示模擬預測實際 AFP 鋪放過程中溫度值的能力。在 AFP 試驗期間，使用紅外熱成像和復合材料層內嵌入的薄熱電偶來測量加工溫度。測量結果顯示，在接近夾點的區域以及整個厚度范圍內，與預測的溫度分布合理一致。

　　

　　然而，這些測量結果也突出了工具對前幾層熱管理的影響。在疊層開始時，前幾層非?？拷ぞ弑砻妫@可以作為散熱器。因此，使用了加熱工具。工具溫度對 AFP 夾點溫度有很大影響。

　　

　　

　　

　　圖5. 在 Compositadour 用 Humm3 氙閃光燈加熱系統進行熱塑性疊層試驗

　　

　　在疊層的這個開始階段，需要調整氙氣閃光燈的脈沖參數以保持夾點溫度恒定。但一旦鋪設了幾層，鋪設層就開始成為一種絕緣層，工具溫度的影響就會降低。在該過程的這一點上，不需要進一步的脈沖參數調整。

　　

　　上籃條件下提高模擬的可靠性和穩健性。” Compositadour復合材料項目首席工程師Guillaume Fourage解釋說，在frameS項目認證試驗期間，加熱工具被用于評估 AFP 期間的不同加工溫度。“先進后機身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器的制造方法還沒有凍結，還沒有凍結，我們正在評估蒙皮疊層的不同選擇，目的是在工藝時間、能耗和疊層質量之間找到正確的平衡。改變工具表面溫度需要我們相應地調整脈沖參數，以達到適當的夾點溫度的光熱模型的開發計劃，并幫助我們在不同的上籃條件下提高模擬的可靠性和穩健性。”

　　

　　

　　

　　

　　

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

　　

　　該模擬模型目前正在適應最終的加熱系統和工具配置，該配置將用于制造“清潔天空 2”熱塑性復合材料先進后機身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器。零件將于 2021 年制造，2022 年組裝，目標是在 2023年項目結束前達到 TRL 6。與此同時，正在追求 5/6的制造準備水平（MRL），不僅針對 ARE 演示器，而且針對正在開發的相關制造工藝和工具。ARE 演示器項目的總體目標包括：將成本降低 20%，組件重量降低 20%，燃料消耗降低 1.5%，并根據“清潔天空 2”的環境目標改善空氣動力學。

　　

　　該項目根據第 886549 號贈款協議獲得了清潔天空2”號聯合企業（JU）的資助。JU 得到了歐盟地平線2020 研究和創新計劃以及除歐盟以外的”清潔天空2”JU 成員的支持。