Clean Sky 2 FRAMES Projekt verbessert Thermoplast-Composite-Heizsimulationen für AFP mit Xenon-Blitzlampe

Foto: Heraeus Noblelight und Compositadour

 

Das Hauptziel des Clean Sky 2 (CS2) Projekts FRAMES, das im Juli 2020 begann, ist die Validierung eines Fertigungsansatzes, der zur Herstellung des Advanced Rear End Demonstrators verwendet wird, der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Rahmen der CS2-Technologieplattform für Großraumflugzeuge (LPA) gefertigt wird. Dieser Demonstrator zielt darauf ab, zuverlässige und wettbewerbsfähige Lösungen für die Simulation der Erwärmung während der Automatisierten Faserablage (AFP) zu bringen, um Hochratenfertigung von Thermoplast-Steifern und selbstbeheiztem Werkzeug zur Unterstützung der Ko-Konsolidierung einer Außenhaut-Steifer-Baugruppe zu erreichen.

Für mehr Kontext, wie FRAMES in die Ziele des Advanced Rear End Demonstrator Projekts passt, siehe den letzten Abschnitt dieses Artikels.

 

Optisch-thermisches Modellieren des Xenon-Blitzlampen-Heizsystems

AFP von kohlefaserverstärkten Thermoplast-Composites (CFRTP) hat sichmostly auf Lasererwärmung verlassen, um die hohen Temperaturen zu erreichen, die für die Verarbeitung von Hochleistungs-Thermoplast-Matrixmaterialien wie PEEK (Polyetheretherketon), PEKK (Polyetherketoneketon) und LM-PAEK (Low-Melt Polyaryletherketon) benötigt werden. Allerdings ist eine neue Technologie aufgetaucht, die auf einer gepulsten Xenon-Blitzlampe basiert. Bei dieser Methode werden hochenergetische, kurzdauernde Pulse, geliefert von einer leistungsstarken Breitbandwärmequelle, durch einen Quarzlichtleiter gesammelt und geleitet. In der Nähe des Nip-Punkts des AFP-Kopfs positioniert, formt und positioniert der Quarzlichtleiter die Lichtenergie, um Substrat und eingehende Tows vor der Konsolidierung unter einer Kompaktionswalze zu erwärmen. Dieses Xenon-Blitzlampensystem hat gezeigt, dass es die schnelle Ansprechzeit eines Lasers matcht und die Temperaturen erreicht, die zur Verarbeitung von Thermoplast-Composites erforderlich sind.

Während der AFP-Verarbeitung muss der Xenon-Blitzlampenpuls kontrolliert werden, um Änderungen in Geschwindigkeit und Geometrie zu berücksichtigen und eine Zieltemperatur beizubehalten. Dies wird durch Variation von Blitzlampenpulsenenergie, -dauer und -frequenz erreicht. Um diese Parameter zu optimieren, wurde ein optisch-thermisches Simulationsmodell erstellt, das optische Raytracing-Techniken (Berechnung des Brechungs-/Reflexionswinkels an jeder Oberfläche) nutzt, um die Blitzlampenquelle zu charakterisieren, sowie Finite-Elemente-Analyse (FEA), um die resultierende Verarbeitungstemperatur vorherzusagen. Mit diesen Simulationswerkzeugen kann Trial-and-Error vermieden werden; Pulparameter können gewählt werden, um eine gewünschte Verarbeitungstemperatur ohne teure und zeitaufwändige physische Versuche zu erreichen.

Heraeus Noblelight (Cambridge, UK) leitet die Entwicklung des optisch-thermischen Modells, angewendet auf sein Humm3-Blitzlampensystem. Der Prozess zur Erstellung einer zuverlässigen Simulation beinhaltet die optische Charakterisierung der Xenon-Blitzlampenquelle mittels goniometrischer (Rotation um eine Achse) Messungen und spektraler Bestrahlungsstärke (vom Empfang der Lichtenergie an der Oberfläche) Messungen, die dann verwendet werden, um die spektralen Energieniveaus, räumliche Verteilung und elektrische-zu-strahlende Energieeffizienz der Quelle zu bestimmen.

 

Messung spektraler Energie

Abb. 1 unten zeigt den experimentellen Aufbau, der entwickelt wurde, um die Energieemission einer Xenon-Blitzlampe in Abhängigkeit von der Wellenlänge mittels spektraler Bestrahlungsstärkemessungen zu bestimmen. In diesem System geht das Licht der Xenon-Blitzlampe in einen Detektor auf einer voreingestellten Distanz (typischerweise 0,5 bis 1 Meter, links unten). Dieses Licht wird dann über ein optisches Kabel in ein Doppelmonochromator-System (unten links) transportiert, das die Lichtintensität bei einer spezifischen Wellenlänge bestimmt. Dies resultiert in einem detaillierten spektralen Bestrahlungsstärkeplot der Lichtquelle – in diesem Fall wird die gesamte Emissionskurve der Xenon-Lichtenergie vom Humm3-Blitzlampen gemessen (Abb. 2).

Abb. 1. Doppelmonochromator-Testaufbau für spektrale Bestrahlungsstärkemessungen. Licht von der Xenon-Blitzlampe (oben rechts) geht in einen Detektor (oben links), der es über ein optisches Kabel in einen Doppelmonochromator transportiert, der die Lichtintensität bei einer spezifischen Wellenlänge misst. Dies ermöglicht einen detaillierten Plot über das Spektrum der emittierten Lichtenergie der Blitzlampe. Foto: Heraeus Noblelight

Abb. 2. Spektrale Bestrahlungsstärkemessungen des Lichts, das den Humm3 Xenon-Blitzlampen verlässt. Foto: Heraeus Noblelight

 

Messung Energieeffizienz

Abb. 3. Schematik der Integrating Sphere für spektrale Strahlleistungsmessungen. Foto: Heraeus Noblelight

Systemeffizienz wurde auch mittels Integrating Sphere (Abb. 3) im Heraeus-Labor in Hanau, Deutschland, evaluiert, um die spektrale Energie, die den Humm3-Lichtleiter bei verschiedenen Spannungsniveaus verlässt, genau zu bestimmen. Die Sphäre verfügt über eine hochreflektierende diffuse Oberfläche, die praktisch die gesamte optische Energie, die den Blitzlampenkopf verlässt, zu einem Doppelmonochromator-Detektor leitet. Durch Modulation der Pulsenenergie für eine gegebene Pulsdauer und -frequenz wird die durchschnittliche optische Leistung, die den Humm3-Kopf verlässt, als Funktion der Wellenlänge für einen Bereich von Blitzlampenspannungen gemessen.

 

Analyse winkliger Energieverteilung

Die Position des Blitzlampenkopfs relativ zum AFP-Kopf-Nip-Punkt ist auch ein kritischer Aspekt für eine hochwertige Composite-Ablage. Parallel zu Messungen der Ausgangsleistung wurde die Variation der Xenon-Blitzlampen-Lichtintensität in Abhängigkeit vom Winkel zur Quelle gemessen. Alle Messungen wurden normalisiert, um die winklige Energieverteilung statt absoluter Leistungsausgabe an diesem Punkt zu untersuchen. Diese Ergebnisse wurden verwendet, um ein Raytracing-Simulation der Blitzlampe zu validieren, um vorherzusagen, wie die Energie der Blitzlampenpulse zwischen Substrat, Nip-Punkt und eingehenden Tows verteilt wird.

Die optische Raytracing-Analyse (Abb. 4) – erreicht mit TracePro Software (Lambda Research Corp., Littleton, Massachusetts, USA) – wird dann detailliert, um Oberflächenbestrahlungsstärkeprofile auf dem Composite-Tow und Substrat zu berechnen. Diese Bestrahlungsstärkeprofile werden als Eingangs-Randbedingungen für die thermische Simulation verwendet. Optisches und thermisches Verhalten von kohlefaserverstärkten LM-PAEK-Bändern wurde ebenfalls charakterisiert, um das Modell bei relevanten Verarbeitungstemperaturen zu füttern.

 

Validierung durch physische Versuche

Als Validierungsschritt wurden physische AFP-Versuche bei Compositadour (Bayonne, Frankreich) durchgeführt, um die Fähigkeit der Simulation zu zeigen, die Temperaturwerte während tatsächlicher AFP-Ablage vorherzusagen. Infrarotthermografie und eingebettete Dünnschicht-Thermoelemente innerhalb von Composite-Ablagen wurden verwendet, um Verarbeitungstemperaturen während der AFP-Versuche zu messen. Messungen scheinen eine vernünftige Übereinstimmung mit vorhergesagten Temperaturprofilen im Bereich nahe dem Nip-Punkt und auch durch die Dicke zu zeigen.

Diese Messungen heben jedoch auch den Einfluss des Werkzeugs auf das Thermomanagement für die ersten Lagen hervor. Am Anfang der Ablage sind die ersten Lagen sehr nah an der Werkzeugoberfläche, die als Wärmesenke wirken kann. Aus diesem Grund wurde beheiztes Werkzeug verwendet. Die Werkzeugtemperatur hat einen starken Einfluss auf die AFP-Nip-Punkt-Temperatur.

Während dieser Anfangsphase der Ablage müssen Pulparameter für die Xenon-Blitzlampe angepasst werden, um die Nip-Punkt-Temperatur konstant zu halten. Aber sobald einige Lagen abgelegt sind, beginnt die Ablage, eine Art Isolierschicht zu werden, und der Einfluss der Werkzeugtemperatur nimmt ab. An diesem Punkt im Prozess sind keine weiteren Pulparameteranpassungen mehr nötig.

Während der FRAMES-Projektvalidierungsversuche wurde beheiztes Werkzeug verwendet, um verschiedene Verarbeitungstemperaturen während der AFP zu evaluieren, erklärt Guillaume Fourage, Chefingenieur für Composite-Projekte bei Compositadour. „Der Fertigungsansatz für den Advanced Rear End Demonstrator ist noch nicht finalisiert und wir evaluieren verschiedene Optionen für die Außenhaut-Ablage mit dem Ziel, das richtige Gleichgewicht zwischen Prozesszeit, Energieverbrauch und Ablagequalität zu finden. Die Änderung der Werkzeugoberflächentemperatur erfordert, dass wir die Pulparameter entsprechend anpassen, um die richtige Nip-Punkt-Temperatur zu erreichen. Dies ist Teil des Entwicklungsplans des optisch-thermischen Modells und hilft uns, Zuverlässigkeit und Robustheit der Simulation unter verschiedenen Ablagebedingungen zu erhöhen.“

Thermoplast-Composite Advanced Rear End (ARE) Demonstrator für Clean Sky 2. Foto: (oben) Airbus, (unten) ESTIA-Compositadour

Dieses Simulationsmodell wird nun an das finale Heizsystem und Werkzeugkonfiguration angepasst, das zur Herstellung des CS2 Thermoplast-Composite Advanced Rear End (ARE) Demonstrators verwendet wird. Bauteile werden 2021 für Montage 2022 gefertigt mit dem Ziel, TRL 6 bis Projektende 2023 zu erreichen. Parallel wird ein Manufacturing Readiness Level (MRL) von 5/6 angestrebt, nicht nur für den ARE-Demonstrator, sondern auch für die zugehörigen Fertigungsprozesse und -werkzeuge. Gesamte Ziele des ARE-Demonstrator-Projekts umfassen: Kostenreduktion um bis zu 20 %, Bauteilgewicht um bis zu 20 % und Treibstoffverbrauch um bis zu 1,5 %, sowie Verbesserung der Aerodynamik im Einklang mit Clean Skys Umweltzielen.

Dieses Projekt erhielt Finanzierung vom Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) unter Grant Agreement Nr. 886549. Das JU erhält Unterstützung aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union und den Clean Sky 2 JU Mitgliedern außer der Union.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr