より効率的な複合材料製造のための革新的なエネルギー供給
これは、CAMX2018で実際に展示された主要なテクノロジーに焦点を当てたこのCAMX2019以前のシリーズの2番目のブログです。このブログは、HeraeusNoblelightの新しい black.infrared を中心にしています。 システム、複合材料処理用の新しいタイプのシステム、およびその humm3 自動ファイバー配置（AFP）マシンのレーザーおよび赤外線ヒーターに取って代わるテクノロジー。
光で革新する
Heraeus Noblelightは、光の力を使用して幅広い産業プロセスを革新します。下の図に示すように、背景を説明するために、すべての光は電磁放射（EMR）であり、固有の波長と周波数を持っています。 Heraeus Noblelightは、赤外線（IR）エミッターからLEDランプ、紫外線（UV）システム、アークランプ、フラッシュランプに至るまで、このスペクトルの大部分に沿って光を使用するデバイスを開発しています。
電磁スペクトルに沿った光は、加熱と処理に使用されます。
ソース| https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram（左）とHeraeus（右）。
複合材料では、以下の例に示すように、UVおよび赤外線（IR）システムが数十年にわたって使用されてきました。ただし、black.infraredシステムは新しいテクノロジーです。
- Sunrezは、1990年代に樹脂注入と複合材修復のためのUV硬化技術を開発しました。
- UV硬化エポキシコーティングは多くの業界で標準となっています。
- UV硬化エポキシ樹脂は、ContinuousCompositeやmoiCompositeなどの連続繊維3D印刷のパイオニアにも使用されています。
- IR加熱は、2Dテーラードブランクをプリフォームする前に予熱する必要がある、および/またはプリフォームをスタンピングおよびオーバーモールドする前に予熱する必要がある自動複合材料生産ラインで非常に一般的です。
HeraeusNoblelightの複合材料用のblack.infrared加熱システム。ソース|ヘレウスノーブルライト
Black.infrared
HeraeusNoblelightは新しい black.infrared を展示しました 「これは、少量で大量の電力を供給する中波IRエミッターです」と、Heraeus Noblelight America、LLCのIRシステムのシニアセールスマネージャーであるBruceFricks氏は説明します。 Heraeus Noblelightはドイツのハーナウに本社を置いていますが、IRおよびフラッシュランプシステムの米国部門はジョージア州ビュフォードにあり、UVシステムの米国部門はメリーランド州ゲーサーズバーグにあります。
「通常、中波IRエミッターの場合、電力密度は60 kW / m 2 になります。 」とFricks氏は言います。「しかし、「BlackIR」は200 kW / m 2 を達成します。 。 IRは、周囲のすべての空気を加熱するよりも、基板にエネルギーを取り込むためのはるかに効率的な手段ですが、Black IRは、対流式オーブンと比較して3倍効率的です。インライン処理の場合、これは、コンベヤーが3倍速く実行されるか、短縮されて占有スペースが少なくなる可能性があることを意味します。たとえば、30フィートの長さのオーブンを備えたコンベヤーは、BlackIRを使用して10フィートのオーブンに縮小できます。」
現在まで、black.infraredシステムの用途には、プラスチックの溶接や太陽電池用の薄い（ミクロン厚の）光起電性フィルムの加熱が含まれます。 「一般に、IRは原子レベルの堆積に非常に適しています」と、Fricks氏は述べています。「たとえば、半導体用のシリコンにガリウムの層やパターンを適用します。これらの操作はすべて真空中で行われることに注意してください。 Black IRは、真空中および高温でも良好に動作します。」
彼は、black.infraredエミッターは1000°Cの表面温度で動作するように設計されていると説明しています。 「これらのエミッターはすべてソリッドステートであるため、700〜800°Cで動作するオーブンに入れることができ、問題は発生しません。ただし、プロセスでこれよりはるかに高い温度、たとえば1500°C以上が必要な場合は、短波IRの方が適しています。」
Fricksは、BlackIRも見通し内技術であると説明しています。 「平らな、または単純な凸面/凹面に適しています。最大の問題は、何かが影を落とす内部または外部領域を持つ部品または材料にあります。」
black.infraredモジュール（左 ）および温度の均一性を示す熱画像（右 ）。
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ブラックIRの利点と潜在的なコンポジットアプリケーション
Fricksは、black.infraredはフィラメントベースのIRエミッターではなく、側面よりも中央が明るくなる傾向があると述べています。代わりに、エミッターの2D平面表面全体に非常に均一なエネルギーを生成します。このエネルギーのサイズは、40ミリメートル×400ミリメートルから100ミリメートル×100ミリメートルの範囲です。 「黒のIRエミッターを並べて、最大400ミリメートル×400ミリメートルの平面デバイスを作成することもできます」と彼は付け加えます。
black.infraredは中波IRデバイスであるため、比較的色覚異常（白と暗）であるとFricks氏は説明します。 「黒い材料を調理したり、黄色や白い材料を過熱したりすることはありません。」それでも、伝えられるところによると、加熱には60秒もかかりません。 「ワット単位で、他のIRオプションと比べてそれほど高価ではありません」とFricks氏は言います。 「IRは対流式オーブンよりも高価ですが、速度と効率に加えて、非常に均一な温度、つまりプラスマイナス5度未満の変動を提供する機能を提供します。」
黒IRは、繊維、プリプレグ、複合テープの製造、およびグラフェンやその他のナノ複合材料の製造に使用されるような化学蒸着（CVD）プロセスで使用される可能性があります。 Fricksは、複合材料のさらなるアプリケーションを調査および開発するために、メーカーおよび材料サプライヤーとの話し合いを求めています。
熱硬化性、熱可塑性、および乾燥繊維複合材料の自動繊維配置用のhumm3システム。ソース|ヘレウスノーブルライト
AFPのレーザーを置き換えるhumm3
HeraeusNoblelightがCAMX2018で展示した他のテクノロジーは、その humm3 熱硬化性プリプレグ、乾式繊維、熱可塑性複合テープの自動繊維配置（AFP）システム。 humm3システムは、1秒間に複数回パルスされるキセノンで満たされたフラッシュランプを使用します。熱可塑性複合材料のその場での固化に関する2018年の記事のパート2では、図2で、熱可塑性AFPで一般的に使用されるレーザーを、赤外線（IR）ヒーターの紫色の光とオレンジ色の光で区別する方法について説明しました。熱硬化性プリプレグAFPで使用されます。 humm3テクノロジーは、明るい白色光によってこれらの両方と区別されていることに注意してください。
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「赤外線ランプは比較的安価ですが、低速であり、航空宇宙用熱可塑性プラスチックに必要な高温に到達できません」と、HeraeusNoblelightの北米および南米のhumm3システムのセールスマネージャーであるKyleHudspeth氏は述べています。 「反対に、レーザーは加熱と冷却が非常に高速ですが、高価であり、安全上の重要な予防措置が必要です。 Humm3は、AFPの高速、安全、コンパクトで費用効果の高い暖房の市場のギャップを埋めます。」
Hudspethは、humm3は、最低50°Cから現在測定されている最高600°Cまでの幅広い温度で、AFPニップポイントに均一な熱を供給すると説明しています。また、3つのプログラム可能なパラメーターを使用して正確に制御することもできます。
ロボットAFPマシンでのPEEKレイアップの熱画像。 humm3クォーツデリバリーオプティックは右側にあり、基板と入ってくる材料の間のニップポイントを指しています。毎分6メートルの速度が達成され、高品質の結果が得られました。
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- パルスエネルギー （大きさ）、
- パルス持続時間 （どのくらい）
- パルス周波数 （1秒間に何回）。
彼は、加熱時間と温度はレーザーの場合とほぼ同じであると付け加えています。「ただし、保護レーザーブースは必要ないため、技術者は操作中にレイアップに近づくことができます。」
炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）ラミネートを処理するためのテストで、Heraeus Noblelightは、humm3が航空宇宙複合構造に必要な結晶化度が約35％、多孔度が2％未満の高品質の熱可塑性AFPラミネートを製造できることを実証しました。 EUのCleanSky 2プログラムの一環として、軽量生産技術センター（ZLP、シュターデ、ドイツ）は、シュターデのドイツ航空宇宙センター（DLR）にあるマルチロボットGroFiシステムでhumm3を開発するためにHeraeusNoblelightと協力しています。この作業は、厳しい品質要件を満たしながら、熱可塑性複合構造のAFP率を大幅に向上させることを目的としています。
樹脂注入または樹脂トランスファー成形（RTM）を使用して処理される乾式繊維ラミネートの場合、Hudspethは、humm3により、毎秒1メートルのレイアップ速度と、それぞれ幅0.25インチの8本または16本のテープで均一な加熱が可能になると主張しています。 300ミリメートルの幅にわたる加熱は、単一のランプで実現でき、humm3のモジュラー電源およびモジュラー設計と調整して、さらに大きな加熱ゾーン用にAFPシステムをさらに調整できます。 humm3クォーツデリバリーオプティックは、正確なヒートゾーン形状を実現するためにカスタマイズすることもできます。
HexcelのHiTapeドライファイバーテープ（左）とRTM6樹脂（右）を使用した航空宇宙部品のデモンストレーター。ソース|ヘレウスノーブルライト
humm3システムは、熱可塑性溶接、フィラメントワインディング、プリフォーム用の複数の複合層のタッキングなど、他の複合材料処理用に開発されています。 Hudspeth氏は、humm3は成熟した、実績のあるテクノロジーであり、2016年からNational Composites Center（英国、ブリストル）で実証され、2015年に英国の女王賞を受賞しました。
詳細については、CAMXブースY47のHeraeusNoblelightをご覧ください。
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樹脂