光博學(xué)堂 - 揭秘航空航天先進(jìn)材料加熱工藝

      賀利氏特種光源(英國(guó)劍橋)正帶領(lǐng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用于humm3®閃光燈系統(tǒng)的光學(xué)熱學(xué)模型。創(chuàng)建可靠模擬的過(guò)程包括了使用角度測(cè)量(繞軸旋轉(zhuǎn))和光譜輻照度(表面接收到的光能)測(cè)量的氙閃燈光源的光學(xué)特性，然后測(cè)量光譜能量級(jí)別、光源的空間分布和光電轉(zhuǎn)換能源效率。

測(cè)量光譜能量

      下面的圖1顯示了配備光譜輻照度，來(lái)測(cè)量氙燈關(guān)于波長(zhǎng)的能量輻射實(shí)驗(yàn)裝置。這個(gè)系統(tǒng)中，氙閃燈發(fā)出的光進(jìn)入一個(gè)預(yù)先設(shè)定的距離(通常是0.5到1米，見(jiàn)左下圖)的探測(cè)器。然后，光通過(guò)光纜傳輸?shù)诫p單色儀系統(tǒng)(見(jiàn)最下面的左圖)，該系統(tǒng)測(cè)量特定波長(zhǎng)的光強(qiáng)度。這就得到了光源的詳細(xì)光譜輻照度圖——這種情況下，測(cè)量到了humm3^®閃光燈發(fā)出的氙氣光能量的整個(gè)發(fā)射曲線(圖2)。

圖1

用于光譜輻照度測(cè)量的雙單色儀測(cè)試裝置。氙燈發(fā)出的光(右上)進(jìn)入探測(cè)器(左上)，探測(cè)器通過(guò)光纜將光傳輸?shù)诫p單色儀，雙單色儀測(cè)量特定波長(zhǎng)的光強(qiáng)度。這樣就可以繪制出閃光燈發(fā)射光能的光譜細(xì)節(jié)圖。

圖2

humm3®氙閃燈出光的光譜輻照度測(cè)量

圖片來(lái)源:賀利氏特種光源

測(cè)量能效

圖3

       德國(guó)哈瑙的賀利氏驗(yàn)室中，通過(guò)積分球(圖3)對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)行了評(píng)估，以準(zhǔn)確地確定在不同電壓水平下從humm3®導(dǎo)光塊輸出的光譜能量。球體的特點(diǎn)是具有高度反射的漫反射表面，引導(dǎo)幾乎所有的光學(xué)能量從閃光燈模塊頭發(fā)出到雙單色儀探測(cè)器。通過(guò)對(duì)給定脈寬和頻率的脈沖能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)閃光燈對(duì)應(yīng)的電壓范圍，可以測(cè)量出humm3®模塊頭發(fā)出的平均光學(xué)功率。

分析角能量分布

      為了達(dá)到高質(zhì)量的復(fù)合材料鋪疊，閃光燈模塊頭對(duì)于自動(dòng)鋪絲(AFP)的起軋點(diǎn)的位置也是極其重要的因素。與此同時(shí)，為了測(cè)量輸出能量，我們也測(cè)量了氙閃燈光強(qiáng)隨著光源角度的變化情況。所有研究角能量分布的測(cè)量都是標(biāo)準(zhǔn)化的，而不是測(cè)某個(gè)點(diǎn)的能量。這些測(cè)量結(jié)果用于閃光燈的光線追蹤模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)預(yù)測(cè)氙燈的脈沖能量在基材、起軋點(diǎn)和進(jìn)來(lái)的絲束之間是如何分布的。

圖4

Noblelight 用TracePro軟件的光學(xué)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖片來(lái)源:賀利氏特種光源

光學(xué)光線追蹤分析（圖4）-----使用了TracePro 軟件 (Lambda Research Corp., Littleton, Mass., U.S.)----詳盡的計(jì)算了復(fù)合材料絲束和基材的表面輻照度輪廓。這些輻照度輪廓，用于熱學(xué)模擬邊界條件的參考意見(jiàn)。碳纖維增強(qiáng)LM-PAEK(低熔點(diǎn)聚醚酮)帶的光學(xué)和熱學(xué)性能，也給相關(guān)的加工溫度提供了模型。

物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

       作為驗(yàn)證步驟，自動(dòng)鋪絲(AFP)物理實(shí)驗(yàn)也在法國(guó)工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(Compositadour (Bayonne, France))進(jìn)行。以此來(lái)展示用模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際自動(dòng)鋪絲(AFP)鋪疊溫度值的能力。紅外溫度記錄儀，和鋪放復(fù)合材料內(nèi)的嵌入式薄熱電偶，用于測(cè)量自動(dòng)鋪絲(AFP)實(shí)驗(yàn)加工溫度。測(cè)量看得出，和接近起軋點(diǎn)區(qū)域和沿著厚度方向的預(yù)測(cè)溫度輪廓，有相當(dāng)?shù)囊恢滦浴?/span>

      但是，測(cè)量強(qiáng)調(diào)了熱學(xué)管理模具對(duì)于一開(kāi)始幾層的材料影響。在鋪疊的開(kāi)始，一開(kāi)始的幾層非常接近于模具表面。模具形成了散熱板。因此，我們使用了被加熱的模具。模具的溫度對(duì)于自動(dòng)鋪絲(AFP)起軋點(diǎn)的溫度有著強(qiáng)烈的影響。

      圖5

用humm3®氙閃燈加熱系統(tǒng)的熱塑性復(fù)合材料鋪疊實(shí)驗(yàn)。

圖片來(lái)源：法國(guó)工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(Compositadour)

      在鋪疊的初始階段，為了保持起軋點(diǎn)溫度的恒定，氙閃燈的脈沖參數(shù)需要調(diào)節(jié)。但是只要有幾層材料被鋪疊，這幾層就開(kāi)始變成一種隔熱層，模具溫度的影響減少。這點(diǎn)在工藝上，無(wú)需在做進(jìn)一步的脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)。

      在FRAMES項(xiàng)目驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)期間，加熱的模具用于驗(yàn)證不同的自動(dòng)鋪絲(AFP)加工溫度。  Guillaume Fourage(法國(guó)工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(Compositadour)工程師)解釋道，先進(jìn)尾部展示器的制造方法并非一成不變的。我們?cè)隍?yàn)證的方法來(lái)做表面鋪疊，目的是找到工藝時(shí)間、能量消耗和鋪疊質(zhì)量的平衡。改變模具表面的溫度需要我們根據(jù)達(dá)到適合的起軋點(diǎn)溫度，來(lái)調(diào)整脈沖的參數(shù)。這是光學(xué)了些模型開(kāi)發(fā)計(jì)劃的一部分。這幫助我們?cè)黾釉诓煌伅B條件下的模擬的可靠性和穩(wěn)定性。

       這些模擬模型也應(yīng)用到最終的加熱系統(tǒng)和清潔天空2熱塑性復(fù)合材料先進(jìn)尾部展示器模具構(gòu)造。零件將于2021年生產(chǎn)、2022年組裝，目的是在2023年項(xiàng)目結(jié)束前達(dá)到技術(shù)就緒等級(jí)(TRL)6。同時(shí)，生產(chǎn)就緒等級(jí)(MRL)已達(dá)到5/6。不僅是為了先進(jìn)尾部展示器，也為了相關(guān)的正在開(kāi)發(fā)中制造工藝和模具?？傮w先進(jìn)尾部展示器項(xiàng)目的目標(biāo)包括：成本減少達(dá)20%、復(fù)合材料重量減少達(dá)20%、燃料消耗減少達(dá)1.5%，同時(shí)改善空氣動(dòng)力學(xué)符合清潔天空的環(huán)境目標(biāo)。

      此項(xiàng)目得到了清潔天空2聯(lián)合企業(yè)在撥款協(xié)議編號(hào)886549下的資助。聯(lián)合企業(yè)得到了歐盟的地平線2020研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目的支持，除歐盟之外，清潔天空2聯(lián)合企業(yè)成員也給與了大力支持。