Clean Sky 2 FRAMES 프로젝트는 크세논 플래시 램프가 있는 열가소성 복합 AFP의 가열 시뮬레이션을 발전시킵니다.

사진 제공:Heraeus Noblelight 및 Compositadour

2020년 7월에 시작된 Clean Sky 2(CS2) 프로젝트 FRAMES의 주요 목표는 CS2 기술의 일부로 German Aerospace Center(DLR)에서 제조한 Advanced Rear End Demonstrator를 생산하는 데 사용되는 제조 방식을 검증하는 것입니다. 대형 여객기(LPA) 플랫폼. 이 시연자는 AFP(Automated Fiber Placement) 중 가열 시뮬레이션을 위한 안정적이고 경쟁력 있는 솔루션을 제공하여 열가소성 보강재의 고속 제조와 스킨-스티프너 어셈블리의 공동 통합을 지원하는 자체 가열 툴링을 달성하는 것을 목표로 합니다.

FRAMES가 Advanced Rear End Demonstrator 프로젝트의 목표에 어떻게 부합하는지에 대한 자세한 내용은 이 문서의 마지막 섹션을 참조하세요.

크세논 플래시 램프 가열의 광학 열 모델링 시스템

탄소 섬유 강화 열가소성(CFRTP) 복합 재료의 AFP는 PEEK(폴리에테르에테르케톤), PEKK(폴리에테르케톤케톤) 및 LM-PAEK(저융점)와 같은 고성능 열가소성 매트릭스 재료를 처리하는 데 필요한 고온을 달성하기 위해 대부분 레이저 가열에 의존해 왔습니다. 폴리아릴에테르케톤). 그러나 펄스 크세논 플래시 램프를 기반으로 하는 새로운 기술이 등장했습니다. 이 방법에서는 강력한 광대역 열원에 의해 전달되는 고에너지, 짧은 지속 시간 펄스가 석영 광 가이드에 의해 수집되고 전달됩니다. AFP 헤드의 닙 포인트 근처에 위치한 석영 도광판은 압축 롤러 아래에서 통합이 이루어지기 전에 기판과 들어오는 토우를 가열하기 위해 빛 에너지를 형성하고 배치합니다. 이 크세논 플래시램프 시스템은 레이저의 빠른 응답 시간과 일치하고 열가소성 복합 재료를 처리하는 데 필요한 온도에 도달하는 것으로 나타났습니다.

AFP 처리 중에 제논 플래시 램프 펄스는 속도와 기하학의 변화를 설명하고 목표 온도를 유지하도록 제어되어야 합니다. 이것은 플래시 램프 펄스 에너지, 지속 시간 및 주파수를 변경하여 달성됩니다. 이러한 매개변수를 최적화하기 위해 광학 광선 추적 기술(각 표면에서 굴절/반사 각도 계산)을 사용하여 플래시 램프 소스를 특성화하고 유한 요소 분석(FEA)을 사용하여 예측하는 광열 시뮬레이션 모델이 생성되었습니다. 결과 처리 온도. 이러한 시뮬레이션 도구를 사용하면 시행착오를 피할 수 있습니다. 펄스 매개변수는 값비싸고 시간 소모적인 물리적 시도 없이 원하는 처리 온도를 달성하도록 선택할 수 있습니다.

Heraeus Noblelight(영국 케임브리지 소재)는 Humm3 플래시램프 시스템에 적용된 광학 열 모델 개발을 주도하고 있습니다. 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 생성하는 프로세스에는 각도 측정(축을 중심으로 한 회전) 측정 및 스펙트럼 방사조도(표면이 받는 빛 에너지) 측정을 사용한 크세논 플래시 램프 소스의 광학적 특성화가 포함되며, 이러한 측정은 스펙트럼 에너지 수준, 공간 분포를 결정하는 데 사용됩니다. 및 소스의 전기-방사 에너지 효율.

스펙트럼 에너지 측정

아래 그림 1은 스펙트럼 복사 조도 측정을 사용하여 파장에 대한 크세논 플래시 램프의 에너지 방출을 결정하기 위해 고안된 실험 설정을 보여줍니다. 이 시스템에서 크세논 플래시 램프의 빛은 미리 설정된 거리에서 감지기로 들어갑니다(일반적으로 왼쪽 아래에서 0.5~1m). 그런 다음 그 빛은 광 케이블을 통해 특정 파장에서 빛의 강도를 결정하는 이중 모노크로메이터 시스템(아래 왼쪽 하단)으로 전송됩니다. 그 결과 광원의 상세한 스펙트럼 방사조도 플롯이 생성됩니다. 이 경우 Humm3 플래시 램프에서 나오는 크세논 광 에너지의 전체 방출 곡선이 측정됩니다(그림 2).

그림. 1. 스펙트럼 방사조도 측정에 사용되는 이중 모노크로메이터 테스트 설정. 크세논 플래시램프(오른쪽 위)의 빛은 감지기(왼쪽 위)로 들어가 광 케이블을 통해 특정 파장에서 빛의 강도를 측정하는 이중 모노크로메이터로 전달합니다. 이것은 플래시 램프의 방출된 빛 에너지의 스펙트럼에 걸쳐 상세한 플롯을 가능하게 합니다. 사진 제공:Heraeus Noblelight

그림. 2. Humm3 크세논 플래시 램프에서 나오는 빛의 스펙트럼 복사 조도 측정. 사진 제공:Heraeus Noblelight

에너지 효율 측정

그림. 3. 스펙트럼 복사 전력 측정에 사용되는 적분구의 개략도. 사진 제공:Heraeus Noblelight

시스템 효율은 또한 독일 Hanau에 있는 Heraeus 연구소에서 적분구(그림 3)를 사용하여 평가되어 다양한 전압 수준에서 Humm3 라이트 가이드에서 나오는 스펙트럼 에너지를 정확하게 결정합니다. 구체는 플래시램프 헤드에서 나오는 거의 모든 광학 에너지를 이중 모노크로메이터 검출기로 향하게 하는 반사율이 높은 확산 표면을 특징으로 합니다. 주어진 펄스 지속 시간과 주파수에 대한 펄스 에너지를 변조함으로써 Humm3 헤드에서 나가는 평균 광 전력은 플래시 램프 전압 범위에 대한 파장의 함수로 측정됩니다.

각 에너지 분포 분석

AFP 헤드 닙 포인트에 대한 플래시 램프 헤드의 위치도 고품질 복합 재료 레이업을 달성하기 위한 중요한 측면입니다. 출력 전력 측정과 병행하여 소스에서 각도에 따른 크세논 플래시 램프 광도의 변화가 측정되었습니다. 모든 측정은 이 시점에서 절대 전력 출력보다는 각 에너지 분포를 조사하기 위해 정규화되었습니다. 이러한 결과는 플래시램프 펄스의 에너지가 기판, 닙 포인트 및 유입 토우 사이에 어떻게 분포되는지 예측하기 위해 플래시램프의 광선 추적 시뮬레이션을 검증하는 데 사용되었습니다.

그런 다음 TracePro 소프트웨어(Lambda Research Corp., Littleton, Mass., U.S.)를 사용하여 얻은 광학 광선 추적 분석(그림 4)을 자세히 분석하여 복합 재료 토우와 기판의 표면 조도 프로파일을 계산합니다. 이러한 복사 조도 프로파일은 열 시뮬레이션을 위한 입력 경계 조건으로 사용됩니다. 탄소 섬유 강화 LM-PAEK 테이프의 광학 및 열 거동도 관련 처리 온도에서 모델을 공급하도록 특성화되었습니다.

물리적 시험을 통한 검증

검증 단계로 실제 AFP 레이업 동안 나타나는 온도 값을 예측하는 시뮬레이션의 능력을 보여주기 위해 Compositadour(프랑스 바욘)에서 물리적 AFP 시험이 수행되었습니다. 적외선 열화상 및 복합 레이업 내부에 내장된 얇은 열전쌍을 사용하여 AFP 시험 중 처리 온도를 측정했습니다. 측정은 닙 포인트를 닫기 위한 영역과 두께를 통해 예측된 온도 프로파일과 합당한 일치를 보이는 것으로 보입니다.

그러나 이러한 측정은 또한 처음 몇 플라이에 대한 열 관리에 대한 툴링의 영향을 강조합니다. 레이업이 시작될 때 처음 몇 개의 플라이는 방열판 역할을 할 수 있는 도구 표면에 매우 가깝습니다. 이러한 이유로 가열된 툴링이 사용되었습니다. 공구 온도는 AFP 닙 포인트 온도에 강한 영향을 미칩니다.

레이업의 이 시작 단계에서 크세논 플래시 램프의 펄스 매개변수는 닙 포인트 온도를 일정하게 유지하기 위해 조정되어야 합니다. 그러나 몇 개의 플라이가 적층되면 적층은 일종의 절연층이 되기 시작하고 공구 온도의 영향이 감소합니다. 프로세스의 이 시점에서 추가 펄스 매개변수 조정이 필요하지 않습니다.

FRAMES 프로젝트 검증 시도 동안 가열된 툴링은 AFP 동안 다양한 처리 온도를 평가하는 데 사용되었다고 Compositadour의 복합 프로젝트 수석 엔지니어인 Guillaume Fourage는 설명합니다. “고급 리어 엔드 데모를 위한 제조 방식은 아직 고정되지 않았으며 우리는 공정 시간, 에너지 소비 및 레이업 품질 사이의 올바른 균형을 찾는 것을 목표로 스킨 레이업에 대한 다양한 옵션을 평가하고 있습니다. 도구 표면 온도를 변경하려면 적절한 닙 포인트 온도에 도달하도록 펄스 매개변수를 적절하게 조정해야 합니다. 이것은 광학 열 모델 개발 계획의 일부이며 다양한 레이업 조건에서 시뮬레이션의 신뢰성과 견고성을 높이는 데 도움이 됩니다.”

Clean Sky 2용 열가소성 합성물 Advanced Rear End(ARE) 시연기. 사진 제공: (상단) 에어버스, (하단) ESTIA-Compositadour

이 시뮬레이션 모델은 이제 CS2 열가소성 합성물 Advanced Rear End(ARE) 데모를 제조하는 데 사용할 최종 가열 시스템 및 도구 구성에 적용되고 있습니다. 2023년 프로젝트가 끝날 때까지 TRL 6에 도달하는 것을 목표로 2022년 조립을 위해 2021년에 부품을 제조하고 있습니다. 이와 병행하여 ARE 데모뿐만 아니라 5/6의 제조 준비 수준(MRL)을 추구하고 있습니다. , 뿐만 아니라 개발 중인 관련 제조 프로세스 및 도구에도 적용됩니다. ARE 데모 프로젝트의 전체 목표는 다음과 같습니다. 비용을 최대 20%, 구성 요소 중량을 최대 20%, 연료 소모량을 최대 1.5% 줄이고 Clean Sky의 환경 목표에 따라 공기 역학을 개선합니다.

이 프로젝트는 보조금 계약 번호 886549에 따라 Clean Sky 2 공동 사업(JU)으로부터 자금 지원을 받았습니다. JU는 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램과 유럽 연합 이외의 Clean Sky 2 JU 회원으로부터 지원을 받습니다.

자세한 내용은 Guillaume Fourage, [email protected]

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