Clean Sky 2 FRAMES Project Verbetert Thermoplastische Composiet Verwarmingssimulaties voor AFP met Xenon Flashlamp

Het hoofddoel van het Clean Sky 2 (CS2) project FRAMES, dat in juli 2020 begon, is om een productiebenadering te valideren die gebruikt wordt om de Advanced Rear End Demonstrator te produceren, gefabriceerd door het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) als onderdeel van het CS2 technologieplatform voor grote passagiersvliegtuigen (LPA). Deze demonstrator is gericht op het brengen van betrouwbare en competitieve oplossingen voor simulatie van verwarming tijdens geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) om hoge-productiesnelheid van thermoplastische verstevigingen en zelfverwarende gereedschappen te bereiken ter ondersteuning van co-consolidatie van een huid-versteviging assemblage.

Voor meer context over hoe FRAMES past in de doelen van het Advanced Rear End Demonstrator project, zie de laatste sectie van dit artikel.

Optische thermische modellering van xenon flashlamp verwarmingssysteem

AFP van koolstofvezel-versterkte thermoplastische (CFRTP) composieten heeft voornamelijk gesteund op laserverarming om de hoge temperaturen te bereiken die nodig zijn voor het verwerken van hoogpresterende thermoplastische matrixmaterialen zoals PEEK (polyetheretherketon), PEKK (polyetherketoneketon) en LM-PAEK (laag-smelt polyaryletherketon). Echter, een nieuwe technologie is ontkomen die gebaseerd is op een pulserende xenon flashlamp. In deze methode worden hoge-energie, korte-duur pulsen geleverd door een krachtige breedband warmtebron, verzameld en afgeleverd door een kwarts lichtgeleider. Gepositioneerd nabij het nip-punt van de AFP-kop, vormt en positioneert de kwarts lichtgeleider de lichtenergie om het substraat en de binnenkomende tows te verwarmen voordat consolidatie bereikt wordt onder een compactiewal. Dit xenon flashlamp systeem heeft aangetoond de snelle reactietijd van een laser te evenaren en de temperaturen te bereiken die vereist zijn om thermoplastische composieten te verwerken.

Tijdens AFP verwerking moet de xenon flashlamp puls gecontroleerd worden om rekening te houden met veranderingen in snelheid en geometrie en een doeltemperatuur te behouden. Dit wordt bereikt door flashlamp pulsenergie, duur en frequentie te variëren. Om deze parameters te optimaliseren, is een opto-thermische simulatiemodel gemaakt die optische straalvervolgtechnieken gebruikt (het berekenen van de brekings-/reflectiehoek bij elk oppervlak) om de flashlamp bron te karakteriseren, alsook elementenmethode analyse (FEA) om de resulterende verwerkingstemperatuur te voorspellen. Met deze simulatiehulpmiddelen kan proef-en-fout vermeden worden; pulparameters kunnen gekozen worden om een gewenste verwerkingstemperatuur te bereiken zonder de dure en tijdrovende fysieke proeven.

Heraeus Noblelight (Cambridge, VK) leidt de ontwikkeling van het optische thermische model toegepast op hun Humm3 flashlamp systeem. Het proces om een betrouwbare simulatie te creëren omvat de optische karakterisering van de xenon flashlamp bron met goniometrische (rotatie om een as) metingen en spectrale bestraling (lichtenergie ontvangen door het oppervlak) metingen die vervolgens gebruikt worden om de spectrale energieniveaus, ruimtelijke verdeling en electrisch-naar-radiatieve energie-efficiëntie van de bron te bepalen.

Spectrale energie meten

Fig. 1 hieronder toont de experimentele opstelling die bedacht is om de energie-emissie van een xenon flashlamp ten opzichte van golflengte te bepalen met spectrale bestralingsmetingen. In dit systeem gaat het licht van de xenon flashlamp in een detector op een vooraf ingestelde afstand (typisch 0,5 tot 1 meter, links onder). Dat licht wordt dan getransporteerd via een optische kabel in een dubbel-monochromator systeem (linksonder) dat de lichtintensiteit op een specifieke golflengte bepaalt. Dit resulteert in een gedetailleerde spectrale bestralingsplot van de lichtbron – in dit geval wordt de volledige emissiecurve van de xenon lichtenergie van de Humm3 flashlamp gemeten (Fig. 2).

Fig. 1. Dubbel monochromator testopstelling gebruikt voor spectrale bestralingsmetingen. Licht van de xenon flashlamp (rechtsboven) gaat in een detector (linksboven) die het via een optische kabel transporteert in een dubbele monochromator die de lichtintensiteit meet op een specifieke golflengte. Dit stelt een gedetailleerde plot over het spectrum van de uitgezonden lichtenergie van de flashlamp in staat. Photo Credit: Heraeus Noblelight

Fig. 2. Spectrale bestralingsmetingen van licht verlaten de Humm3 xenon flashlamp. Photo Credit: Heraeus Noblelight

Energie-efficiëntie meten

Fig. 3. Schematisch van de integrerende bol gebruikt voor spectrale stralingsvermogen metingen. Photo Credit: Heraeus Noblelight

Systeemefficiëntie is ook geëvalueerd met een integrerende bol (Fig. 3) in het Heraeus laboratorium in Hanau, Duitsland om de spectrale energie die de Humm3 lichtgeleider verlaat op verschillende spanningsniveaus nauwkeurig te bepalen. De bol heeft een hoog reflecterend diffuus oppervlak dat praktisch alle optische energie die de flashlamp kop verlaat, richt naar een dubbele monochromator detector. Door de pulsenergie te modelleren voor een gegeven pulsduur en frequentie, wordt het gemiddelde optische vermogen dat de Humm3 kop verlaat gemeten als functie van golflengte voor een bereik van flashlamp spanningen.

Hoekenergieverdeling analyseren

De positie van de flashlamp kop ten opzichte van het AFP kop nip-punt is ook een kritisch aspect voor het bereiken van een hoogwaardige composiet neerlegging. Parallel aan metingen van uitgangsvermogen, is de variatie in xenon flashlamp lichtintensiteit ten opzichte van de hoek van de bron gemeten. Alle metingen genormaliseerd om de hoekenergieverdeling te onderzoeken in plaats van absolute vermogensuitgang op dit punt. Die resultaten werden gebruikt om een straalvervolgsimulatie van de flashlamp te valideren om te voorspellen hoe de energie van de flashlamp pulsen verdeeld wordt tussen het substraat, nip-punt en binnenkomende tows.

De optische straalvervolganalyse (Fig. 4) – bereikt met TracePro software (Lambda Research Corp., Littleton, Massachusetts, VS) – wordt gedetailleerd om oppervlakte bestralingsprofielen op de composiet tow en substraat te berekenen. Deze bestralingsprofielen worden gebruikt als invoer randvoorwaarden voor de thermische simulatie. Optische en thermische gedrag van koolstofvezel-versterkte LM-PAEK banden is ook gekarakteriseerd om het model te voeden bij de relevante verwerkingstemperaturen.

Validatie via fysieke proeven

Als validatiestap zijn fysieke AFP proeven uitgevoerd bij Compositadour (Bayonne, Frankrijk) om de capaciteit van de simulatie te tonen om de temperatuurwaarden te voorspellen die tijdens de daadwerkelijke AFP neerlegging gezien worden. Infrarood thermografie en ingesloten dunne thermocouples binnen composiet neerleggingen werden gebruikt om verwerkingstemperaturen tijdens de AFP proeven te meten. Metingen lijken redelijke overeenstemming te tonen met voorspelde temperatuurprofielen in de regio dicht bij het nip-punt en ook door de dikte heen.

Deze metingen benadrukken echter ook de invloed van gereedschap op het thermische beheer voor de eerste paar lagen. Aan het begin van de neerlegging zijn de eerste paar lagen heel dicht bij het gereedschapsoppervlak, wat kan fungeren als een warmteput. Om deze reden is verwarmde gereedschap gebruikt. De gereedschaptemperatuur heeft een sterke invloed op de AFP nip-punt temperatuur.

Tijdens deze beginfase van neerlegging, moeten pulparameters voor de xenon flashlamp aangepast worden om de nip-punt temperatuur constant te houden. Maar zodra een paar lagen gelegd zijn, begint de neerlegging een soort isolerende laag te worden en de invloed van gereedschaptemperatuur neemt af. Op dit punt in het proces is er geen behoefte aan verdere pulparameter aanpassingen.

Tijdens de FRAMES project validatieproeven is verwarmde gereedschap gebruikt om verschillende verwerkingstemperaturen tijdens AFP te evalueren, legt Guillaume Fourage, hoofdingenieur voor composietprojecten bij Compositadour, uit. "De productiebenadering voor de advanced rear end demonstrator is nog niet bevroren en we evalueren verschillende opties voor de huid neerlegging met het doel om het juiste evenwicht te vinden tussen procesduur, energieverbruik en neerleggingskwaliteit. Het veranderen van de gereedschapofferptemperatuur vereist dat we de pulparameters dienovereenkomstig aanpassen om de juiste nip-punt temperatuur te bereiken. Dit is onderdeel van het ontwikkelingsplan van het optische thermische model en helpt ons de betrouwbaarheid en robuustheid van de simulatie onder verschillende neerleggingsomstandigheden te vergroten."

Thermoplastische composiet Advanced Rear End (ARE) demonstrator voor Clean Sky 2. Photo Credit: (boven) Airbus, (onder) ESTIA-Compositadour

Dit simulatiemodel wordt nu aangepast aan de finale verwarmingssysteem en gereedschapsconfiguratie die gebruikt zal worden om de CS2 thermoplastische composiet Advanced Rear End (ARE) demonstrator te produceren. Onderdelen worden in 2021 geproduceerd voor assemblage in 2022 met het doel TRL 6 te bereiken aan het einde van het project in 2023. Parallel wordt een manufacturing readiness level (MRL) van 5/6 nastreefd, niet alleen voor de ARE demonstrator, maar ook voor de bijbehorende productieprocessen en gereedschappen die worden ontwikkeld. Algehele doelen van het ARE demonstrator project omvatten: Kosten reduceren tot 20%, onderdeelgewicht tot 20% en brandstofverbruik tot 1,5%, alsook aerodynamica verbeteren in lijn met Clean Sky's milieu-doelstellingen.

Dit project heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) onder subsidieovereenkomst Nr 886549. De JU ontvangt steun van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie en de Clean Sky 2 JU leden anders dan de Unie.

Voor meer informatie, contacteer Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr