Energielevering revolutioneren voor efficiënte composietproductie

Dit is mijn tweede blog in deze pre-CAMX 2019 reeks die sleuteltechnologieën belicht die daadwerkelijk getoond werden op CAMX 2018. Deze blog richt zich op Heraeus Noblelight's nieuwe black.infrared systeem, een nieuw type systeem voor composietverwerking, en zijn humm3 technologie, die laser- en infraroodverwarmers vervangt in geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) machines.

Innoveren met licht

Heraeus Noblelight innoveert een breed scala aan industriële processen met de kracht van licht. Om wat achtergrond te geven, alle licht is elektromagnetische straling (EMS) en heeft een inherentegolf lengte en frequentie, zoals te zien is in het diagram hieronder. Heraeus Noblelight ontwikkelt apparaten die licht gebruiken langs een groot deel van dit spectrum, variërend van infrarood (IR) emitters tot LED lampen en ultraviolet (UV) systemen, alsook boog- en flitslampen.

Licht langs het Elektromagnetisch Spectrum wordt gebruikt voor verwarming en verwerking. BRON: https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (links) en Heraeus (rechts).

In composieten zijn UV en infrarood (IR) systemen al decennia gebruikt, zoals te zien in het voorbeeld hieronder. Het black.infrared systeem is echter nieuwe technologie.

• Sunrez ontwikkelde UV-verhardingstechnologie voor harsinfusie en composietreparatie in de jaren 1990.
• UV-geharde epoxycoatings zijn standaard in veel industrieën.
• UV-geharde epoxyhars wordt ook gebruikt door continuous fiber 3D-print pioniers zoals Continuous Composites en moi composites.
• IR verwarming is heel veelvoorkomend in geautomatiseerde composietproductielijnen waar 2D afgestemde blanks voorgeverwarmd moeten worden voor preforming en/of preforms voorgeverwarmd moeten worden voor stamping en overmoulding.

Heraeus Noblelight's black.infrared verwarmingssysteem voor composieten. BRON: Heraeus Noblelight

Black.infrared

Heraeus Noblelight stelde zijn nieuwe black.infrared systeem tentoon op CAMX 2018. "Het is een medium golf IR emitter die veel vermogen levert in een klein volume," legt Bruce Fricks, senior sales manager voor IR systemen, Heraeus Noblelight America, LLC uit. Hoewel Heraeus Noblelight gevestigd is in Hanau, Duitsland, is de VS-afdeling voor IR en flitslamp systemen gebaseerd in Buford, Georgia terwijl de VS-afdeling voor UV systemen gebaseerd is in Gaithersburg, Maryland.

"Meestal, voor een medium golf IR emitter, ben je meer in de richting van een vermogensdichtheid van 60 kW/m²," zegt Fricks, "maar 'Black IR' bereikt 200 kW/m². IR is een veel efficiëntere manier om energie in een substraat te brengen versus al de lucht eromheen te verwarmen, maar Black IR is drie keer efficiënter vergeleken met een convectieoven. Voor inline verwerking betekent dat een band drie keer sneller kan draaien of verkort kan worden om minder ruimte in te nemen. Bijvoorbeeld, een band met een 30-voet lange oven kan gereduceerd worden tot een 10-voet oven met Black IR."

Tot nu toe omvatten toepassingen voor black.infrared systemen het lassen van kunststoffen en het verwarmen van dunne (micron-dikke) fotovoltaische films voor zonnecellen. "IR, in het algemeen, werkt heel goed voor atomair-niveau depositie," merkt Fricks op, "bijvoorbeeld het aanbrengen van lagen gallium of patronen in silicium voor halfgeleiders. Let op, al deze operaties worden in vacuüm uitgevoerd. Black IR werkt ook goed in vacuüm en bij hoge temperaturen."

Hij legt uit dat black.infrared emitters ontworpen zijn om te opereren met een oppervlaktetemperatuur van 1000°C. "Deze emitters zijn allemaal solid-state, dus je kunt er een in een oven zetten die draait op 700-800°C en het zal niet lijden. Echter, als een proces temperaturen veel hoger vereist, zeg 1500°C of hoger, dan zou short wave IR een betere fit zijn."

Fricks legt uit dat Black IR ook een line-of-sight technologie is. "Het is beter voor platte of eenvoudige convexe/concave oppervlakken. Het grootste probleem is met onderdelen of materialen die interne of externe gebieden hebben waar iets een schaduw werpt."

Een black.infrared module (links) en thermische afbeelding die temperatuuruniformiteit toont (rechts). BRON: Heraeus Noblelight

Black IR voordelen en potentiële composiettoepassingen

Fricks merkt op dat black.infrared geen filament-gebaseerde IR emitter is, wat neigt om helderder in het midden te zijn dan aan de zijden. In plaats daarvan produceert het een zeer uniforme energie over het 2D, vlakke oppervlak van de emitter, dat in grootte kan variëren van 40 millimeter bij 400 millimeter tot 100 millimeter bij 100 millimeter. "We kunnen de Black IR emitters ook tegelen om een vlak apparaat te creëren tot 400 millimeter bij 400 millimeter," voegt hij toe.

Omdat black.infrared een medium golf IR apparaat is, is het relatief kleurenblind (wit vs. donker), legt Fricks uit. "Het zal zwarte materialen niet oververwarmen of gele of witte materialen onderverwarmen." En toch duurt het naar verluidt minder dan 60 seconden om op te warmen. "Watt-voor-watt is het niet vreselijk duur versus andere IR opties," zegt Fricks. "IR is duurder dan een convectieoven, maar het biedt snelheid en efficiëntie, alsook de capaciteit om zeer uniforme temperatuur te bieden – dat is, variatie minder dan plus of min 5 graden."

Black IR zou potentieel gebruikt kunnen worden in de productie van vezels, prepregs, composiet tapes en mogelijk chemical vapor deposition (CVD) processen zoals die gebruikt om grafene en andere nanocomposietmaterialen te maken. Fricks zoekt discussies met fabrikanten en materiaalleveranciers om verdere toepassingen in composieten te verkennen en te ontwikkelen.

Het humm3 systeem voor geautomatiseerde vezelplaatsing van thermoset, thermoplastisch en droge vezel composieten. BRON: Heraeus Noblelight

humm3 vervangt lasers in AFP

De andere technologie die Heraeus Noblelight op CAMX 2018 tentoonstelde, was zijn humm3 systeem voor geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) van thermoset prepreg, droge vezel en thermoplastische composiet tapes. Het humm3 systeem gebruikt een xenon-gevulde flitslamp die meerdere keren per seconde gepulseerd wordt. In deel 2 van mijn 2018 artikel over in-situ consolidatie van thermoplastische composieten, beschreef ik in Fig. 2 hoe de lasers die gemeenschappelijk gebruikt worden in thermoplastische AFP te onderscheiden zijn door hun paarse licht vs. het oranje licht van de infrarood (IR) verwarmers die typisch gebruikt worden in thermoset prepreg AFP. Let op dat de humm3 technologie zich onderscheidt van beide door zijn helder witte licht.

BRON: Heraeus Noblelight

"Infrarood lampen zijn relatief goedkoop, maar ze zijn traag en kunnen de hoge temperaturen niet halen die vereist zijn door luchtvaart thermoplasten," zegt Kyle Hudspeth, sales manager voor Heraeus Noblelight's humm3 systeem in Noord- en Zuid-Amerika. "Aan de andere kant, lasers zijn heel snel om op te warmen en af te koelen, maar ze zijn duur en vereisen significante veiligheidsvoorzorgsmaatregelen. Humm3 vult een gat in de markt voor snelle, veilige, compacte en kosteneffectieve verwarming voor AFP."

Hudspeth legt uit dat humm3 uniforme warmte levert aan de AFP nip-punt over een breed bereik van temperaturen, van zo laag als 50°C tot de momenteel gemeten maximum van 600°C. Het kan ook precies gecontroleerd worden met drie programmeerbare parameters:

Thermische afbeelding van PEEK leggen op een robotische AFP machine. De humm3 quartz leveringsoptiek is rechts te zien, gericht op het nip-punt tussen het substraat en inkomend materiaal. Snelheden van 6 meter per minuut werden bereikt met goede kwaliteitsresultaten. BRON: Heraeus Noblelight

• puls energie (hoe groot),
• puls duur (hoe lang)
• puls frequentie (hoe vaak per seconde).

Hij voegt toe dat de verwarmingstijd en temperatuur ruwweg hetzelfde is als met een laser, "maar geen beschermende laserbooth is vereist, dus technici kunnen dicht bij de leg tijdens operatie zijn."

In tests voor het verwerken van koolstofvezel-versterkte polyetheretherketone (PEEK) laminaat, demonstreerde Heraeus Noblelight dat humm3 high-quality thermoplastische AFP laminaat kan produceren met de ≈35% kristalliniteit en <2% porositeit vereist voor luchtvaart composietstructuren. Als onderdeel van de EU's Clean Sky 2 programma, werkt het Center for Lightweight Production Technology (ZLP, Stade, Duitsland) met Heraeus Noblelight om humm3 te ontwikkelen in het multi-robot GroFi systeem bij het German Aerospace Center (DLR) in Stade. Het werk is gericht op het significant verhogen van AFP snelheden voor thermoplastische composietstructuren terwijl strikte kwaliteitseisen worden gehandhaafd.

Voor droge vezel laminaat die verwerkt zullen worden met harsinfusie of resin transfer molding (RTM), claimt Hudspeth dat humm3 een legsnelheid van 1 meter per seconde en uniforme verwarming over acht of 16 tapes mogelijk maakt, elk 0,25 inch breed. Verwarming over een breedte van 300 millimeter kan bereikt worden met een enkele lamp en gecoördineerd met de humm3's modulaire voeding en modulaire ontwerp om een AFP systeem nog verder af te stemmen voor nog grotere verwarmde zones. De humm3 quartz leveringsoptiek is ook aanpasbaar om een precieze warmtezone vorm te bereiken.

Een luchtvaart onderdeel demonstrator met Hexcel's HiTape droge vezel tape (links) en RTM6 hars (rechts). BRON: Heraeus Noblelight

Het humm3 systeem wordt ontwikkeld voor andere composietverwerking, inclusief thermoplastisch lassen, filament winding en tacken van meerdere composietlagen voor preforms. Hudspeth merkt op dat humm3 een rijpe, goed bewezen technologie is, gedemonstreerd bij het National Composites Centre (Bristol, VK) sinds 2016 en winnaar van de Queen's Award for Innovation in the VK in 2015.

Voor meer details, bezoek Heraeus Noblelight op CAMX stand Y47.

BRON: Heraeus Noblelight