伊斯曼机器切割的复合材料。
在Compositadour使用Humm3和光学建模进行AFP试验
图片来源:贺利厄斯Noblelight和compositador

主要目的是洁净天空2 (CS2)项目该项目于2020年7月开始,旨在验证一种用于生产先进后端演示机的制造方法德国航天中心(DLR)作为大型客机(LPA) CS2技术平台的一部分。该演示旨在为自动纤维放置(AFP)过程中的加热模拟提供可靠和有竞争力的解决方案,以实现热塑性加强筋的高速制造和自加热工具,以支持皮肤加强筋组件的共固结。

有关FRAMES如何适应Advanced Rear End Demonstrator项目目标的更多内容,请参阅本文的最后一节。

氙灯加热的光学热模拟系统

碳纤维增强热塑性(CFRTP)复合材料的AFP主要依靠激光加热来达到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(低熔点聚醚酮)。然而,一种基于脉冲氙气闪光灯的新技术已经出现。在这种方法中,高能,短时间脉冲传输由一个强大的宽带热源收集和传送石英光波导。在压实辊下实现固结之前,在靠近AFP头的夹角处,石英光导管形状和位置光能来加热基板和传入的束。这种氙气闪光灯系统已经被证明可以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,氙气闪光灯脉冲必须被控制以适应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,我们建立了一个光热模拟模型,使用光线追踪技术(计算每个表面的折射角/反射角)来描述闪光灯光源,以及有限元分析(FEA)来预测最终的加工温度。使用这些模拟工具,可以避免反复试验;可以选择脉冲参数来实现所需的加工温度,而无需昂贵和耗时的物理试验。

贺利氏Noblelight(剑桥,英国)正领导开发应用于Humm3闪光灯系统的光学热模型。创建可靠模拟的过程包括使用角度测量(绕轴旋转)和光谱辐照度(表面接收到的光能)测量对氙气闪光灯光源的光学特性进行表征,然后使用光谱能量级别,源的空间分布和电-辐射能源效率。

测量光谱能量

下面的图1显示了利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装置。在这个系统中,氙气闪光灯发出的光进入一个预先设定的距离(通常是0.5到1米,下图左方)的探测器。然后,光通过光缆传输到双单色仪系统(下图左下方),该系统决定特定波长的光强度。这就得到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)。

双单色仪测试装置

图1所示。用于光谱辐照度测量的双单色仪测试装置。氙灯发出的光(右上)进入检测器(左上),检测器通过光缆将光传输到双单色仪,双单色仪测量特定波长的光强度。这样就可以绘制出闪光灯发射的光能光谱的详细图。图片来源:贺利厄斯

Humm3氙气闪光灯光谱辐照度的测量

图2所示。Humm3氙气闪光灯出光的光谱辐照度测量。图片来源:贺利厄斯

衡量能源效率

用于测量光谱能量的积分球

图3所示。用于光谱辐射功率测量的积分球示意图。图片来源:贺利厄斯

在德国哈瑙的贺利厄斯实验室,使用积分球(图3)对系统效率进行了评估,以准确地确定在不同电压水平下从Humm3光波导输出的光谱能量。球体的特点是一个高度反射的漫反射表面,引导几乎所有的光学能量出闪光灯头到双单色检测器。通过对给定脉冲持续时间和频率的脉冲能量进行调制,可以测量出Humm3头的平均光功率作为一段闪光灯电压范围内波长的函数。

分析角能分布

闪光灯头相对于AFP头夹点的位置也是实现高质量复合材料层合的一个关键方面。在测量输出功率的同时,也测量了氙手电筒的光强与其光源的角度的变化。所有的测量都被归一化,以研究角能量分布,而不是在这一点上的绝对功率输出。这些结果用于验证闪光灯的光线追踪模拟,以预测闪光灯脉冲的能量如何在衬底、夹持点和入射拖曳之间分布。

使用TracePro软件进行光学建模

图4所示。用TracePro软件进行光学模型计算。图片来源:贺利厄斯

光线追踪分析(图4)——使用TracePro软件(Lambda Research Corp., Littleton, Mass.)实现。然后详细计算复合丝束和基板的表面辐照度分布。这些辐照度分布作为热模拟的输入边界条件。碳纤维增强的LM-PAEK胶带的光学和热行为也被描述为在相关的加工温度下的模型。

物理试验验证

作为验证步骤,物理AFP试验已在Compositadour(Bayonne, France)展示了模拟预测实际AFP悬挂期间看到的温度值的能力。在AFP试验期间,使用红外热像仪和嵌入复合材料层内的薄热电偶来测量加工温度。测量似乎显示出与预测的温度分布在接近咬点的区域以及穿过厚度的区域的合理一致。

然而,这些测量也突出了模具对前几个层的热管理的影响。在铺层的开始,前几层非常接近工具表面,这可以作为一个散热器。为此,使用了加热工具。刀具温度对AFP咬点温度有较大的影响。

图5所示。在Compositadour用Humm3氙气灯加热系统进行热塑性层敷试验。图片来源:Compositadour

在这一开始阶段,需要调整氙气闪光灯的脉冲参数,以保持咬点温度恒定。但一旦铺层数少,铺层开始成为一种保温层,刀具温度的影响减小。在此过程中,不需要进一步调整脉冲参数。

在FRAMES项目验证试验期间,加热工具被用于评估不同的加工温度,Compositadour的复合材料项目总工程师Guillaume Fourage解释道。“先进的后端演示机的制造方法尚未冻结,我们正在评估不同的表皮层选择,旨在找到工艺时间、能源消耗和层层质量之间的正确平衡。改变刀具表面温度要求我们相应地调整脉冲参数,以达到适当的咬点温度。这是光学热模型开发计划的一部分,帮助我们提高不同铺层条件下模拟的可靠性和稳健性。”

热塑性复合材料先进后端(ARE)演示清洁天空2。图片来源:(上)空中客车公司(底部)ESTIA-Compositadour

目前,该仿真模型正被用于制造CS2热塑性复合材料先进后端(ARE)演示机的最终加热系统和模具配置。零部件将于2021年制造,并于2022年进行组装,目标是在2023年项目结束时达到TRL 6。与此同时,生产准备水平(MRL)为5/6,这不仅适用于ARE演示,也适用于正在开发的相关制造过程和工具。ARE演示项目的总体目标包括:降低高达20%的成本,降低高达20%的部件重量,降低高达1.5%的燃料燃烧,以及改善空气动力学,以符合Clean Sky的环境目标。

根据第886549号授权协议,该项目已获得清洁天空2联合承诺(JU)的资助。JU获得了欧盟地平线2020研究和创新计划以及欧盟以外的Clean Sky 2 JU成员的支持。

欲了解更多信息,请联系Guillaume Fourage,g.fourage@estia.fr

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