Clean Sky 2 FRAMESプロジェクトは、キセノンフラッシュランプを備えた熱可塑性複合AFPの加熱シミュレーションを前進させます

写真提供者：Heraeus Noblelight and Compositadour

2020年7月に開始されたCleanSky 2（CS2）プロジェクトFRAMESの主な目的は、CS2テクノロジーの一部としてドイツ航空宇宙センター（DLR）によって製造された高度なリアエンドデモンストレーターの製造に使用されている製造アプローチを検証することです。大型旅客機（LPA）用のプラットフォーム。このデモンストレーターは、自動繊維配置（AFP）中の加熱のシミュレーションに信頼性が高く競争力のあるソリューションを提供し、熱可塑性硬化剤と自己加熱工具の高速製造を実現して、皮膚硬化剤アセンブリの同時統合をサポートすることを目的としています。

FRAMESがAdvancedRear End Demonstratorプロジェクトの目的にどのように適合するかについての詳細は、この記事の最後のセクションを参照してください。

キセノンフラッシュランプ加熱の光学的熱モデリング システム

炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）複合材料のAFPは、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PEKK（ポリエーテルエーテルケトンケトン）、LM-PAEK（低溶融物）などの高性能熱可塑性マトリックス材料の処理に必要な高温を実現するために、主にレーザー加熱に依存しています。ポリアリールエーテルケトン）。しかし、パルスキセノンフラッシュランプに基づく新しい技術が登場しました。この方法では、強力な広帯域熱源によって供給される高エネルギーで短時間のパルスが収集され、石英ライトガイドによって供給されます。 AFPヘッドのニップポイントの近くに配置されたクォーツライトガイドは、圧縮ローラーの下で圧密が達成される前に、基板と入ってくるトウを加熱するために光エネルギーを成形および配置します。このキセノンフラッシュランプシステムは、レーザーの高速応答時間に適合し、熱可塑性複合材料の処理に必要な温度に達することが示されています。

AFP処理中は、速度と形状の変化を考慮して目標温度を維持するために、キセノンフラッシュランプパルスを制御する必要があります。これは、フラッシュランプのパルスエネルギー、持続時間、周波数を変えることで実現されます。これらのパラメータを最適化するために、光線追跡技術（各表面での屈折/反射の角度を計算）を使用してフラッシュランプソースを特徴付け、有限要素解析（FEA）を使用して予測する光熱シミュレーションモデルが作成されました。結果として生じる処理温度。これらのシミュレーションツールを使用すると、試行錯誤を回避できます。パルスパラメータは、費用と時間のかかる物理的な試行なしに、目的の処理温度を達成するように選択できます。

Heraeus Noblelight（ケンブリッジ、英国）は、Humm3フラッシュランプシステムに適用される光学熱モデルの開発を主導しています。信頼性の高いシミュレーションを作成するプロセスには、ゴニオメトリック（軸を中心とした回転）測定とスペクトル放射（表面が受け取る光エネルギー）測定を使用したキセノンフラッシュランプ光源の光学的特性評価が含まれます。これらの測定は、スペクトルエネルギーレベル、空間分布を決定するために使用されます。光源の電気から放射へのエネルギー効率。

スペクトルエネルギーの測定

下の図1は、スペクトル放射照度測定を使用して、波長に対するキセノンフラッシュランプのエネルギー放出を決定するために考案された実験装置を示しています。このシステムでは、キセノンフラッシュランプからの光は、事前設定された距離（通常は0.5〜1メートル、左下）で検出器に入射します。次に、その光は光ケーブルを介して、特定の波長での光強度を決定するダブルモノクロメーターシステム（左下）に送られます。これにより、光源の詳細なスペクトル放射照度プロットが得られます。この場合、Humm3フラッシュランプからのキセノン光エネルギーの放出曲線全体が測定されます（図2）。

図。 1。 スペクトル放射照度測定に使用されるダブルモノクロメータテストセットアップ。キセノンフラッシュランプ（右上）からの光は、検出器（左上）に入り、光ケーブルを介して特定の波長の光強度を測定するダブルモノクロメーターに送られます。これにより、フラッシュランプの放出された光エネルギーのスペクトル全体にわたる詳細なプロットが可能になります。写真提供者：Heraeus Noblelight

図。 2。 Humm3キセノンフラッシュランプを出る光のスペクトル放射照度測定。写真提供者：Heraeus Noblelight

エネルギー効率の測定

図。 3。 スペクトル放射パワー測定に使用される積分球の概略図。写真提供者：Heraeus Noblelight

システム効率は、ドイツのハーナウにあるHeraeus研究所で積分球（図3）を使用して評価され、さまざまな電圧レベルでHumm3ライトガイドを出るスペクトルエネルギーを正確に決定しています。球体は、フラッシュランプヘッドを出る実質的にすべての光エネルギーをダブルモノクロメーター検出器に向ける反射率の高い拡散面を備えています。所定のパルス持続時間と周波数でパルスエネルギーを変調することにより、Humm3ヘッドを出る平均光パワーが、ある範囲のフラッシュランプ電圧の波長の関数として測定されます。

角エネルギー分布の分析

AFPヘッドのニップポイントに対するフラッシュランプヘッドの位置も、高品質の複合材レイアップを実現するための重要な側面です。出力パワーの測定と並行して、光源からの角度に対するキセノンフラッシュランプの光強度の変化が測定されました。この時点での絶対出力ではなく、角エネルギー分布を調査するために、すべての測定値が正規化されました。これらの結果を使用して、フラッシュランプの光線追跡シミュレーションを検証し、フラッシュランプパルスのエネルギーが基板、ニップポイント、および入力トウの間でどのように分布するかを予測しました。

次に、TraceProソフトウェア（Lambda Research Corp.、米国マサチューセッツ州リトルトン）を使用して達成された光線追跡分析（図4）を詳細に説明し、複合トウと基板の表面放射照度プロファイルを計算します。これらの放射照度プロファイルは、熱シミュレーションの入力境界条件として使用されます。炭素繊維強化LM-PAEKテープの光学的および熱的挙動も、関連する処理温度でモデルに供給するように特性化されています。

物理的試験による検証

検証ステップとして、Compositadour（フランス、バイヨンヌ）で物理的なAFPトライアルが実行され、実際のAFPレイアップ中に見られる温度値を予測するシミュレーションの能力が示されました。赤外線サーモグラフィと複合レイアップ内に埋め込まれた薄い熱電対を使用して、AFP試験中の処理温度を測定しました。測定値は、ニップポイントを閉じるための領域および厚さ全体の予測温度プロファイルと合理的に一致しているように見えます。

ただし、これらの測定値は、最初の数プライの熱管理に対する工具の影響も浮き彫りにします。レイアップの開始時、最初の数枚の層はツールの表面に非常に近く、ヒートシンクとして機能します。このため、加熱工具が使用されています。工具温度は、AFPニップポイント温度に大きく影響します。

レイアップのこの開始段階では、ニップポイントの温度を一定に保つためにキセノンフラッシュランプのパルスパラメータを調整する必要があります。しかし、数枚の層をレイアップすると、レイアップは一種の絶縁層になり始め、工具温度の影響は減少します。プロセスのこの時点では、パルスパラメータをさらに調整する必要はありません。

FRAMESプロジェクトの検証試験では、加熱工具を使用してAFP中のさまざまな処理温度を評価しました、とCompositadourの複合プロジェクトのチーフエンジニアであるGuillaumeFourageは説明します。 「高度なリアエンドデモンストレーターの製造アプローチはまだ凍結されていません。プロセス時間、エネルギー消費、レイアップ品質の適切なバランスを見つけることを目的として、スキンレイアップのさまざまなオプションを評価しています。ツールの表面温度を変更するには、適切なニップポイント温度に到達するようにそれに応じてパルスパラメータを調整する必要があります。これは、光学熱モデルの開発計画の一部であり、さまざまなレイアップ条件下でのシミュレーションの信頼性と堅牢性を向上させるのに役立ちます。」

Clean Sky 2用の熱可塑性複合材アドバンストリアエンド（ARE）デモンストレーター。写真提供者：（上） エアバス、（下） ESTIA-Compositadour

このシミュレーションモデルは現在、CS2熱可塑性複合材アドバンストリアエンド（ARE）デモンストレーターの製造に使用される最終的な加熱システムと工具構成に適合しています。部品は2021年に製造され、2022年に組み立てられます。2023年のプロジェクトの終わりまでにTRL 6に到達することを目標としています。並行して、AREデモンストレーターだけでなく、5/6の製造準備レベル（MRL）が追求されています。だけでなく、開発中の関連する製造プロセスやツールにも使用できます。 AREデモンストレータープロジェクトの全体的な目標には、コストを最大20％削減し、コンポーネントの重量を最大20％削減し、燃料の燃焼を最大1.5％削減するとともに、CleanSkyの環境目標に沿って空気力学を改善することが含まれます。

このプロジェクトは、助成金契約No886549に基づいてCleanSky 2 Joint Undertaking（JU）から資金提供を受けています。JUは、欧州連合のHorizo​​n2020研究およびイノベーションプログラムとEU以外のCleanSky 2JUメンバーからのサポートを受けています。

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詳細については、Guillaume Fourage、g.fourage @ estia.fr

にお問い合わせください。