Proyek Clean Sky 2 FRAMES Meningkatkan Simulasi Pemanasan Komposit Termoplastik untuk Penempatan Serap Otomatis dengan Lampu Flash Xenon

Foto Kredit: Heraeus Noblelight dan Compositadour

Tujuan utama proyek Clean Sky 2 (CS2) FRAMES, yang dimulai pada Juli 2020, adalah untuk memvalidasi pendekatan manufaktur yang digunakan untuk memproduksi Demonstrator Belakang Tingkat Tinggi yang diproduksi oleh Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sebagai bagian dari platform teknologi CS2 untuk pesawat penumpang besar (LPA). Demonstrator ini bertujuan untuk membawa solusi andal dan kompetitif untuk simulasi pemanasan selama penempatan serap otomatis (AFP) untuk mencapai manufaktur berkecepatan tinggi pengeruk termoplastik dan alat yang dipanaskan sendiri untuk mendukung konsolidasi bersama rangkaian kulit-pengeruk.

Untuk konteks lebih lanjut bagaimana FRAMES cocok dengan tujuan proyek Demonstrator Belakang Tingkat Tinggi, lihat bagian terakhir artikel ini.

Sistem pemanasan lampu flash xenon model termal optik

AFP komposit termoplastik terkuat serat karbon (CFRTP) sebagian besar bergantung pada pemanasan laser untuk mencapai suhu tinggi yang diperlukan untuk memproses material matriks termoplastik berkinerja tinggi seperti PEEK (polyetheretherketone), PEKK (polyetherketoneketone) dan LM-PAEK (polyaryletherketone leleh rendah). Namun, teknologi baru telah muncul yang didasarkan pada lampu flash xenon yang memulsa. Dalam metode ini, pulsa energi tinggi, durasi pendek yang diberikan oleh sumber panas broadband kuat dikumpulkan dan dikirimkan oleh panduan cahaya quartz. Diposisikan di dekat titik nip kepala AFP, panduan cahaya quartz membentuk dan memosisikan energi cahaya untuk memanaskan substrat dan tow masuk sebelum konsolidasi dicapai di bawah roller kompak. Sistem lampu flash xenon ini telah terbukti cocok dengan waktu respons cepat laser dan mencapai suhu yang diperlukan untuk memproses komposit termoplastik.

Selama pemrosesan AFP, pulsa lampu flash xenon harus dikontrol untuk mengakomodasi perubahan kecepatan dan geometri serta mempertahankan suhu target. Ini dicapai dengan mengubah energi pulsa lampu flash, durasi dan frekuensi. Untuk mengoptimalkan parameter ini, model simulasi opto-termal telah dibuat yang menggunakan teknik pelacakan sinar optik (menghitung sudut refraksi/refleksi di setiap permukaan) untuk mengkarakterisir sumber lampu flash, serta analisis elemen hingga (FEA) untuk memprediksi suhu proses yang dihasilkan. Dengan menggunakan alat simulasi ini, percobaan dan kesalahan dapat dihindari; parameter pulsa dapat dipilih untuk mencapai suhu proses yang diinginkan tanpa uji coba fisik yang mahal dan memakan waktu.

Heraeus Noblelight (Cambridge, Inggris) memimpin pengembangan model termal optik yang diterapkan pada sistem lampu flash Humm3. Proses untuk menciptakan simulasi yang andal melibatkan karakterisasi optik sumber lampu flash xenon menggunakan pengukuran goniometrik (putaran sekitar sumbu) dan pengukuran iradiansi spektral (energi cahaya yang diterima oleh permukaan) yang kemudian digunakan untuk menentukan tingkat energi spektral, distribusi spasial dan efisiensi energi listrik-ke-radiasi dari sumber.

Mengukur energi spektral

Fig. 1 di bawah ini menunjukkan pengaturan eksperimental yang dirancang untuk menentukan emisi energi dari lampu flash xenon terhadap panjang gelombang menggunakan pengukuran iradiansi spektral. Dalam sistem ini, cahaya dari lampu flash xenon masuk ke detektor pada jarak yang ditetapkan (biasanya 0,5 hingga 1 meter, di kiri bawah). Cahaya itu kemudian diangkut melalui kabel optik ke sistem double-monochromator (di kiri bawah) yang menentukan intensitas cahaya pada panjang gelombang tertentu. Ini menghasilkan plot iradiansi spektral terperinci dari sumber cahaya - dalam hal ini, seluruh kurva emisi energi cahaya xenon dari lampu flash Humm3 diukur (Fig. 2).

Fig. 1. Pengaturan uji double monochromator yang digunakan untuk pengukuran iradiansi spektral. Cahaya dari lampu flash xenon (kanan atas) masuk ke detektor (kiri atas) yang mengangkutnya melalui kabel optik ke double monochromator yang mengukur intensitas cahaya pada panjang gelombang tertentu. Ini memungkinkan plot terperinci melalui spektrum energi cahaya yang dipancarkan lampu flash. Foto Kredit: Heraeus Noblelight

Fig. 2. Pengukuran iradiansi spektral cahaya yang keluar dari lampu flash xenon Humm3. Foto Kredit: Heraeus Noblelight

Mengukur efisiensi energi

Fig. 3. Skematis bola integrasi yang digunakan untuk pengukuran daya radiansi spektral. Foto Kredit: Heraeus Noblelight

Efisiensi sistem juga telah dievaluasi menggunakan bola integrasi (Fig. 3) di laboratorium Heraeus di Hanau, Jerman untuk menentukan dengan akurat energi spektral yang keluar dari panduan cahaya Humm3 pada berbagai tingkat tegangan. Bola memiliki permukaan difusif yang sangat refleksif yang mengarahkan hampir semua energi optik yang keluar dari kepala lampu flash ke detektor double monochromator. Dengan memodulasi energi pulsa untuk durasi pulsa dan frekuensi tertentu, daya optik rata-rata yang keluar dari kepala Humm3 diukur sebagai fungsi panjang gelombang untuk rentang tegangan lampu flash.

Menganalisis distribusi energi sudut

Posisi kepala lampu flash relatif terhadap titik nip kepala AFP juga adalah aspek kritis untuk mencapai penyelarasan komposit berkualitas tinggi. Secara paralel dengan pengukuran daya keluaran, variasi intensitas cahaya lampu flash xenon terhadap sudutnya dari sumber telah diukur. Semua pengukuran dinormalisasi untuk menyelidiki distribusi energi sudut daripada daya keluaran absolut pada titik ini. Hasilnya digunakan untuk memvalidasi simulasi pelacakan sinar lampu flash untuk memprediksi bagaimana energi pulsa lampu flash didistribusikan antara substrat, titik nip dan tow masuk.

Analisis pelacakan sinar optik (Fig. 4) - yang dicapai menggunakan perangkat lunak TracePro (Lambda Research Corp., Littleton, Mass., AS) - kemudian dirinci untuk menghitung profil iradiansi permukaan pada tow komposit dan substrat. Profil iradiansi ini digunakan sebagai kondisi batas masukan untuk simulasi termal. Perilaku optik dan termal pita LM-PAEK terkuat serat karbon juga telah dikarakterisir untuk memberi masukan pada model pada suhu proses yang relevan.

Validasi melalui uji coba fisik

Sebagai langkah validasi, uji coba AFP fisik telah dilakukan di Compositadour (Bayonne, Prancis) untuk menunjukkan kemampuan simulasi untuk memprediksi nilai suhu yang terlihat selama penyelarasan AFP aktual. Termografi inframerah dan termokopel tipis yang disematkan di dalam penyelarasan komposit digunakan untuk mengukur suhu proses selama uji coba AFP. Pengukuran tampaknya menunjukkan kesepakatan yang wajar dengan profil suhu yang diprediksi di wilayah dekat titik nip dan juga melalui ketebalan.

Pengukuran ini, namun, juga menyoroti pengaruh alat pada manajemen termal untuk beberapa lapisan pertama. Pada awal penyelarasan, beberapa lapisan pertama sangat dekat dengan permukaan alat, yang dapat berfungsi sebagai penyerap panas. Untuk alasan ini, alat yang dipanaskan telah digunakan. Suhu alat memiliki pengaruh yang kuat pada suhu titik nip AFP.

Selama fase awal penyelarasan ini, parameter pulsa untuk lampu flash xenon perlu disesuaikan untuk menjaga suhu titik nip tetap konstan. Tetapi setelah beberapa lapisan ditempelkan, penyelarasan mulai menjadi jenis lapisan isolasi dan pengaruh suhu alat berkurang. Pada titik ini dalam proses, tidak perlu menyesuaikan parameter pulsa lebih lanjut.

Selama uji coba validasi proyek FRAMES, alat yang dipanaskan digunakan untuk mengevaluasi berbagai suhu pemrosesan selama AFP, menjelaskan Guillaume Fourage, engineer utama untuk proyek komposit di Compositadour. "Pendekatan manufaktur untuk demonstrator belakang tingkat tinggi belum diperlengkap dan kami mengevaluasi opsi berbeda untuk penyelarasan kulit dengan tujuan untuk menemukan keseimbangan yang tepat antara waktu proses, konsumsi energi dan kualitas penyelarasan. Mengubah suhu permukaan alat memaksa kami untuk menyesuaikan parameter pulsa sesuai untuk mencapai suhu titik nip yang tepat. Ini adalah bagian dari rencana pengembangan model termal optik dan membantu kami untuk meningkatkan keandalan dan keandalan simulasi di bawah berbagai kondisi penyelarasan."

Demonstrator komposit termoplastik Advanced Rear End (ARE) untuk Clean Sky 2. Foto Kredit: (atas) Airbus, (bawah) ESTIA-Compositadour

Model simulasi ini sekarang sedang disesuaikan dengan konfigurasi sistem pemanasan dan alat akhir yang akan digunakan untuk memproduksi demonstrator komposit termoplastik CS2 Advanced Rear End (ARE). Bagian sedang diproduksi pada 2021 untuk perakitan pada 2022 dengan tujuan mencapai TRL 6 pada akhir proyek pada 2023. Secara paralel, tingkat kesiapan manufaktur (MRL) 5/6 sedang dituntaskan, tidak hanya untuk demonstrator ARE, tetapi juga untuk proses manufaktur dan alat terkait yang sedang dikembangkan. Tujuan keseluruhan proyek demonstrator ARE meliputi: Mengurangi biaya hingga 20%, bobot komponen hingga 20% dan pembakaran bahan bakar hingga 1,5%, serta meningkatkan aerodinamika sejalan dengan tujuan lingkungan Clean Sky.

Proyek ini telah menerima pendanaan dari Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) berdasarkan perjanjian pendanaan No 886549. JU menerima dukungan dari program penelitian dan inovasi Horizon 2020 Uni Eropa dan anggota Clean Sky 2 JU selain Uni Eropa.

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr