热塑复材AFP的氙闪光灯加热模拟

　　

　　

　　

　　AFP 在Compositadour 进行Humm3 试验和光学建模

　　

　　“清洁天空 2”项目 frameS 于 2020 年 7 月开始，其主要目标是验证用于生产德国航空航天中心（DLR）制造的先进后机身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器的制造方法，该演示器是大型客机“清洁天空 2”技术平台的一部分。该演示器旨在为自动纤维铺设（AFP）过程中的加热模拟提供可靠且有竞争力的解决方案，以实现热塑性加强件和自加热工具的高速制造，从而支持蒙皮加强件组件的共同固结。

　　

　　氙闪光灯加热系统的光学热模型

　　

　　碳纤维增强热塑性塑性复合材料的 AFP 主要依靠激光加热来实现加工高性能热塑性基体材料所需的高温，如 PEEK（聚醚醚酮）、PEKK（聚醚酮）和 LM- PAEK（低熔体聚芳醚酮）。然而，一种基于脉冲氙闪光灯的新技术已经出现。在这种方法中，由强大的宽带热源传递的高能短持续时间脉冲由石英光导收集和传递。石英光导定位在 AFP 头的夹点附近，在压实辊下实现固结之前，对光能进行整形和定位，以加热基材和进入的丝束。这种氙闪光灯系统已被证明能够匹配激光的快速响应时间，并达到加工热塑性复合材料所需的温度。

　　

　　在 AFP 处理过程中，必须控制氙闪光灯脉冲，以考虑速度和几何形状的变化，并保持目标温度。这是通过改变闪光灯脉冲能量、持续时间和频率来实现 的。为了优化这些参数，创建了一个光热模拟模型，该模型使用光线跟踪技术（计算每个表面的折射/反射角）来表征闪光灯光源，并使用有限元分析（FEA-finite element analysis）来预测最终的加工温度。使用这些模拟工具，可以避免试错；可以选择脉冲参数以实现期望的处理温度，而无需昂贵且耗时的物理试验。Heraeus Noblelight（英国剑桥）领导了用于 Humm3 闪光灯系统的光热模型的开发。创建可靠模拟的过程包括使用角度测量（绕轴旋转）测量和光谱辐照度（表面接收的光能）测量对氙闪光灯光源进行光学表征，然后使用这些测量来确定光源的光谱能级、空间分布和电辐射能量效率。

　　

　　测量光谱能量

　　

　　下面的图1显示了使用光谱辐照度测量来确定氙闪光灯相对于波长的能量发射的实验设置。在这个系统中，氙闪光灯发出的光进入预设距离外的探测器（通常为 0.5 至 1 米，位于左下方）。然后，这些光通过光缆传输到双单色仪系统（位于下方左下方），该系统确定特定波长下的光强度。这导致了光源的详细光谱辐照度图——在这种情况下，测量了 Humm3 闪光灯氙光能的整个发射曲线（图 2）。

　　

　　

　　

　　图1. 用于光谱辐照度测量的双单色仪测试装置。氙闪光灯发出的光（右上）进入探测器（左上），探测器通过光缆将光传输到双单色仪中，该单色仪测量特定波长的光强度。这使得能够在闪光灯发射的光能的光谱上绘制详细的图。

　　

　　

　　

　　图 2. Humm3 氙闪光灯出射光的光谱辐照度测量

　　

　　测量能源效率

　　

　　

　　

　　图3. 用于光谱辐射功率测量的积分球示意图

　　

　　还使用积分球对系统效率进行了评估（图 3），该 积分球位于德国 Hanau 的 Heraeus 实验室，用于准确确 定在不同电压水平下离开 Humm3 光导的光谱能量。该球体具有高反射漫射表面，几乎将离开闪光灯头的所有 光能都引导到双单色仪探测器。通过对给定脉冲持续时 间和频率的脉冲能量进行调制，对于一系列闪光灯电压，作为波长的函数来测量离开 Humm3 头的平均光功率。

　　

　　分析角能量分布

　　

　　闪光灯头相对于 AFP 头咬合点的位置也是实现高 质量复合材料叠层的关键方面。在测量输出功率的同时，还测量了氙闪光灯光强相对于光源角度的变化。所有测 量都被归一化，以研究角能量分布，而不是此时的绝对 功率输出。这些结果用于验证闪光灯的光线跟踪模拟，以预测闪光灯脉冲的能量如何在基底、夹点和进入的丝束之间分布。

　　

　

　　

　　图4. 使用 TracePro 软件的光学模型结果

　　

　　然后，使用 TracePro 软件（Lambda Research Corp.， Littleton，Mass.，U.S.）实现的光线跟踪分析（图 4）被详细用于计算复合丝束和基底上的表面辐照度分布。这些辐照度分布被用作热模拟的输入边界条件。碳纤维增强 LM-PAEK 带的光学和热行为也已被表征，以在相关加工温度下提供模型。

　　

　　通过物理试验进行验证

　　

　　作为验证步骤，在 Compositadour（法国巴约讷）进行了物理 AFP 试验，以显示模拟预测实际 AFP 铺放过程中温度值的能力。在 AFP 试验期间，使用红外热成像和复合材料层内嵌入的薄热电偶来测量加工温度。测量结果显示，在接近夹点的区域以及整个厚度范围内，与预测的温度分布合理一致。

　　

　　然而，这些测量结果也突出了工具对前几层热管理的影响。在叠层开始时，前几层非常靠近工具表面，这可以作为散热器。因此，使用了加热工具。工具温度对 AFP 夹点温度有很大影响。

　　

　　

　　

　　图5. 在 Compositadour 用 Humm3 氙闪光灯加热系统进行热塑性叠层试验

　　

　　在叠层的这个开始阶段，需要调整氙气闪光灯的脉冲参数以保持夹点温度恒定。但一旦铺设了几层，铺设层就开始成为一种绝缘层，工具温度的影响就会降低。在该过程的这一点上，不需要进一步的脉冲参数调整。

　　

　　上篮条件下提高模拟的可靠性和稳健性。” Compositadour复合材料项目首席工程师Guillaume Fourage解释说，在frameS项目认证试验期间，加热工具被用于评估 AFP 期间的不同加工温度。“先进后机身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器的制造方法还没有冻结，还没有冻结，我们正在评估蒙皮叠层的不同选择，目的是在工艺时间、能耗和叠层质量之间找到正确的平衡。改变工具表面温度需要我们相应地调整脉冲参数，以达到适当的夹点温度的光热模型的开发计划，并帮助我们在不同的上篮条件下提高模拟的可靠性和稳健性。”

　　

　　

　　

　　

　　

　　用于“清洁天空 2”的热塑性复合材料先进后机身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器

　　

　　该模拟模型目前正在适应最终的加热系统和工具配置，该配置将用于制造“清洁天空 2”热塑性复合材料先进后机身端部（ARE -Advanced Rear End）演示器。零件将于 2021 年制造，2022 年组装，目标是在 2023年项目结束前达到 TRL 6。与此同时，正在追求 5/6的制造准备水平（MRL），不仅针对 ARE 演示器，而且针对正在开发的相关制造工艺和工具。ARE 演示器项目的总体目标包括：将成本降低 20%，组件重量降低 20%，燃料消耗降低 1.5%，并根据“清洁天空 2”的环境目标改善空气动力学。

　　

　　该项目根据第 886549 号赠款协议获得了清洁天空2”号联合企业（JU）的资助。JU 得到了欧盟地平线2020 研究和创新计划以及除欧盟以外的”清洁天空2”JU 成员的支持。