AFP 在Compositadour 進行Humm3 試驗和光學(xué)建模

　　

　　“清潔天空 2”項目 frameS 于 2020 年 7 月開始，其主要目標(biāo)是驗證用于生產(chǎn)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(shù)平臺的一部分。該演示器旨在為自動纖維鋪設(shè)（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(xiàn)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(jié)。

　　

　　氙閃光燈加熱系統(tǒng)的光學(xué)熱模型

　　

　　碳纖維增強熱塑性塑性復(fù)合材料的 AFP 主要依靠激光加熱來實現(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，由強大的寬帶熱源傳遞的高能短持續(xù)時間脈沖由石英光導(dǎo)收集和傳遞。石英光導(dǎo)定位在 AFP 頭的夾點附近，在壓實輥下實現(xiàn)固結(jié)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(tǒng)已被證明能夠匹配激光的快速響應(yīng)時間，并達到加工熱塑性復(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)時間和頻率來實現(xiàn) 的。為了優(yōu)化這些參數(shù)，創(chuàng)建了一個光熱模擬模型，該模型使用光線跟蹤技術(shù)（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(yù)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(shù)以實現(xiàn)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(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量（繞軸旋轉(zhuǎn)）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(xué)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(fā)射的實驗設(shè)置。在這個系統(tǒng)中，氙閃光燈發(fā)出的光進入預(yù)設(shè)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?shù)诫p單色儀系統(tǒng)（位于下方左下方），該系統(tǒng)確定特定波長下的光強度。這導(dǎo)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(fā)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(fā)出的光（右上）進入探測器（左上），探測器通過光纜將光傳輸?shù)诫p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(fā)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?qū)ο到y(tǒng)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(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)到雙單色儀探測器。通過對給定脈沖持續(xù)時 間和頻率的脈沖能量進行調(diào)制，對于一系列閃光燈電壓，作為波長的函數(shù)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(xiàn)高 質(zhì)量復(fù)合材料疊層的關(guān)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(jié)果用于驗證閃光燈的光線跟蹤模擬，以預(yù)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(xué)模型結(jié)果

　　

　　然后，使用 TracePro 軟件（Lambda Research Corp.， Littleton，Mass.，U.S.）實現(xiàn)的光線跟蹤分析（圖 4）被詳細用于計算復(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 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(yù)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(fù)合材料層內(nèi)嵌入的薄熱電偶來測量加工溫度。測量結(jié)果顯示，在接近夾點的區(qū)域以及整個厚度范圍內(nèi)，與預(yù)測的溫度分布合理一致。

　　

　　然而，這些測量結(jié)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 AFP 夾點溫度有很大影響。

　　

　　

　　

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

　　

　　在疊層的這個開始階段，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降低。在該過程的這一點上，不需要進一步的脈沖參數(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(jié)，還沒有凍結(jié)，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(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)，以達到適當(dāng)?shù)膴A點溫度的光熱模型的開發(fā)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(wěn)健性。”

　　

　　

　　

　　

　　

　　用于“清潔天空 2”的熱塑性復(fù)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(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(biāo)是在 2023年項目結(jié)束前達到 TRL 6。與此同時，正在追求 5/6的制造準(zhǔn)備水平（MRL），不僅針對 ARE 演示器，而且針對正在開發(fā)的相關(guān)制造工藝和工具。ARE 演示器項目的總體目標(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)改善空氣動力學(xué)。

　　

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