全球气候正呈现出逐渐变暖的趋势,欧盟航空业需要为降低飞机的温室气体排放和噪音作出努力。而“清洁天空”计划就是欧盟委员会为配合新环保要求针对欧洲航空业设计的大型科技研发计划。
欧洲清洁天空二阶段计划(Clean Sky 2 FRAMES,以下简称CS2)于 2020 年 7 月开始,其主要目标是验证用于生产由德国航空航天中心 (DLR) 制造的先进后端演示器的制造方法,并作为用于大型客机(LPA)的CS2技术平台。该演示器旨在为自动纤维铺放 (AFP) 期间的加热模拟提供可靠且具有竞争力的解决方案,以实现热塑性加强板和自加热摸具的高速制造,以支持表皮加强板组装的稳固。
氙闪灯加热系统的光学热模型
碳纤维增强热塑性(CFRTP)复合材料的自动铺丝技术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,一种基于脉冲氙闪灯的新技术已经出现。这种技术是强大的宽光谱加热源输出,并由石英导光块收集和传送的高能量、短脉宽脉冲。自动铺丝模块头的起轧点附近的石英导光块,使光能成形并引导定位,在压实滚筒实现固化前,来加热基底和传入的丝束。这种氙闪灯系统已经被证实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。
在自动铺丝处理过程中,氙闪灯脉冲必须被控制,来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、脉宽和频率来实现的。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)来描述闪光灯光源特性,以及有限元素分析(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。
测量光谱能量
下面的图1显示了配备光谱辐照度,来测量氙灯关于波长的能量辐射实验装置。这个系统中,氙闪灯发出的光进入一个预先设定的距离(通常是0.5到1米,见左下图)的探测器。然后,光通过光缆传输到双单色仪系统(见最下面的左图),该系统测量特定波长的光强度。这就得到了光源的详细光谱辐照度图——这种情况下,测量到了humm3®闪光灯发出的氙气光能量的整个发射曲线(图2)。
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)进入探测器(左上),探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光能的光谱细节图。
测量能效
德国哈瑙的贺利氏验室中,通过积分球(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®导光块输出的光谱能量。球体的特点是具有高度反射的漫反射表面,引导几乎所有的光学能量从闪光灯模块头发出到双单色仪探测器。通过对给定脉宽和频率的脉冲能量进行调节,根据闪光灯对应的电压范围,可以测量出humm3®模块头发出的平均光学功率。
分析角能量分布
为了达到高质量的复合材料铺叠,闪光灯模块头对于自动铺丝(AFP)的起轧点的位置也是极其重要的因素。与此同时,为了测量输出能量,我们也测量了氙闪灯光强随着光源角度的变化情况。所有研究角能量分布的测量都是标准化的,而不是测某个点的能量。这些测量结果用于闪光灯的光线追踪模拟实验,来预测氙灯的脉冲能量在基材、起轧点和进来的丝束之间是如何分布的。
物理实验验证
作为验证步骤,自动铺丝(AFP)物理实验也在法国工程师学院复合工业材料实验平台(Compositadour (Bayonne, France))进行。以此来展示用模拟实验来预测实际自动铺丝(AFP)铺叠温度值的能力。红外温度记录仪,和铺放复合材料内的嵌入式薄热电偶,用于测量自动铺丝(AFP)实验加工温度。测量看得出,和接近起轧点区域和沿着厚度方向的预测温度轮廓,有相当的一致性。
但是,测量强调了热学管理模具对于一开始几层的材料影响。在铺叠的开始,一开始的几层非常接近于模具表面。模具形成了散热板。因此,我们使用了被加热的模具。模具的温度对于自动铺丝(AFP)起轧点的温度有着强烈的影响。
在铺叠的初始阶段,为了保持起轧点温度的恒定,氙闪灯的脉冲参数需要调节。但是只要有几层材料被铺叠,这几层就开始变成一种隔热层,模具温度的影响减少。这点在工艺上,无需在做进一步的脉冲参数调节。
在FRAMES项目验证实验期间,加热的模具用于验证不同的自动铺丝(AFP)加工温度。 Guillaume Fourage(法国工程师学院复合工业材料实验平台(Compositadour)首席工程师)解释道,先进尾部展示器的制造方法并非一成不变的。我们在验证的方法来做表面铺叠,目的是找到工艺时间、能量消耗和铺叠质量的平衡。改变模具表面的温度需要我们根据达到适合的起轧点温度,来调整脉冲的参数。这是光学了些模型开发计划的一部分。这帮助我们增加在不同铺叠条件下的模拟的可靠性和稳定性。
这些模拟模型也应用到最终的加热系统和清洁天空2热塑性复合材料先进尾部展示器模具构造。零件将于2021年生产、2022年组装,目的是在2023年项目结束前达到技术就绪等级(TRL)6。同时,生产就绪等级(MRL)已达到5/6。不仅是为了先进尾部展示器,也为了相关的正在开发中制造工艺和模具。总体先进尾部展示器项目的目标包括:成本减少达20%、复合材料重量减少达20%、燃料消耗减少达1.5%,同时改善空气动力学符合清洁天空的环境目标。
此项目得到了清洁天空2联合企业在拨款协议编号886549下的资助。联合企业得到了欧盟的地平线2020研发创新项目的支持,除欧盟之外,清洁天空2联合企业成员也给与了大力支持。
埃赛力达碳红外系统助力实现奥迪汽车喷漆工艺创新:双色涂装,节省时间和成本
埃赛力达诚邀莅临 2024 CIAIE 汽车内外饰展
关注埃赛力达新微信公众号,探索光子技术的未来!
埃赛力达特种光源的前世今生–今生篇
相关产品
关注
拨打电话
留言咨询