Clean Sky 2 FRAMESプロジェクト、キセノンフラッシュランプAFP向け熱可塑性複合材料加熱シミュレーションを強化

2020年7月に開始されたClean Sky 2（CS2）プロジェクトFRAMESの主目的は、CS2大型旅客機（LPA）技術プラットフォームの一環としてドイツ航空宇宙センター（DLR）が製造する先進後部デモンストレーターの製造アプローチを検証することです。このデモンストレーターは、自動ファイバープレイスメント（AFP）中の加熱シミュレーションにおいて信頼性と競争力のあるソリューションを提供し、熱可塑性スティフナーの高速製造と、スキン-スティフナーアセンブリの共凝縮をサポートする自己加熱ツーリングを実現することを目指しています。

FRAMESが先進後部デモンストレータープロジェクトの目的の中でどのように位置づけられるかについては、本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システムの光学熱モデリング

カーボンファイバー強化熱可塑性（CFRTP）複合材料のAFPは、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PEKK（ポリエーテルケトンケトン）、LM-PAEK（低融点ポリアリールエーテルケトン）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達成するために、主にレーザー加熱に依存してきました。しかし、パルスキセノンフラッシュランプベースの新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・短時間パルスが、石英光ガイドによって収集・供給されます。AFPヘッドのニップポイント近くに配置された石英光ガイドが、光エネルギーを形作って位置決めし、基材と着信トウを加熱し、コンパクションローラー下で凝縮が達成されます。このキセノンフラッシュランプシステムは、レーザーの迅速な応答時間に匹敵し、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、キセノンフラッシュランプパルスは、速度と形状の変化を考慮して目標温度を維持するように制御する必要があります。これは、フラッシュランプパルスエネルギー、持続時間、周波数を変化させることで達成されます。これらのパラメータを最適化するために、光線追跡技術（各面での屈折/反射角の計算）を用いてフラッシュランプ源を特性評価し、有限要素解析（FEA）で結果の処理温度を予測する光学熱シミュレーションモデルが作成されました。これらのシミュレーションツールを使用することで、試行錯誤を回避し、高価で時間のかかる物理試験なしで、望ましい処理温度を達成するパルスパラメータを選択できます。

Heraeus Noblelight（英国、ケンブリッジ）が、自社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、測角測定（軸中心の回転）とスペクトル照度測定（表面が受ける光エネルギー）を用いたキセノンフラッシュランプ源の光学的特性評価が含まれ、これらを用いてスペクトルエネルギーレベル、空間分布、電気-放射エネルギー効率を決定します。

スペクトルエネルギーの測定

図1は、スペクトル照度測定を用いて、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セットアップを示しています。このシステムでは、キセノンフラッシュランプからの光が、設定距離（通常0.5〜1メートル、左下）にある検出器に入ります。その光は光ケーブルを通じてダブルモノクロメーターシステム（左下）に伝送され、特定波長での光強度を決定します。これにより、光源の詳細なスペクトル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）。

エネルギー効率の測定

システム効率は、ヘラエウス・ハナウ研究所（ドイツ）の積分球（図3）を用いて評価され、Humm3光ガイドから出射するスペクトルエネルギーを異なる電圧レベルで正確に決定しました。球体は高反射拡散面を備え、フラッシュランプヘッドから出射するほぼすべての光学エネルギーをダブルモノクロメーター検出器に導きます。与えられた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で、Humm3ヘッドから出射する平均光学出力を、フラッシュランプ電圧の範囲で波長の関数として測定します。

角度エネルギー分布の分析

AFPヘッド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、高品質複合材料積層を達成する上で重要な側面です。出力電力測定と並行して、光源からの角度に対するキセノンフラッシュランプ光強度の変化が測定されました。すべての測定値は、この時点で絶対出力ではなく角度エネルギー分布を調査するために正規化されました。これらの結果は、フラッシュランプのレイトレーシング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材、ニップポイント、着信トウの間でどのように分配されるかを予測するために使用されました。

光学レイトレーシング解析（図4）は、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、複合トウと基材の表面照度プロファイルを計算するために詳細化されました。これらの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。関連処理温度でのカーボンファイバー強化LM-PAEKテープの光学的および熱的挙動も特性評価され、モデルに供給されました。

物理試験による検証

検証ステップとして、Compositadour（フランス、バヨンヌ）で物理AFP試験が実施され、実際のAFP積層中に見られる温度値をシミュレーションが予測できる能力が示されました。赤外線サーモグラフィと複合積層内に埋め込まれた薄型熱電対が、AFP試験中の処理温度測定に使用されました。測定値は、ニップポイント付近の領域と厚み方向でも、予測温度プロファイルと合理的な一致を示すようです。

しかし、これらの測定は、最初の数プライにおける熱管理へのツーリングの影響も浮き彫りにしました。積層開始時、最初の数プライはツール表面に非常に近く、ヒートシンクとして作用します。このため、加熱ツーリングが使用されました。ツール温度はAFPニップポイント温度に強い影響を与えます。

この積層初期段階では、ニップポイント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、数プライが積層されると、積層が一種の断熱層となり、ツール温度の影響は減少します。この時点で、パルスパラメータのさらなる調整は不要です。

FRAMESプロジェクト検証試験では、AFP中の異なる処理温度を評価するために加熱ツーリングが使用されたと、Compositadourの複合プロジェクトチーフエンジニア、ギヨーム・フラージュ氏は説明します。「先進後部デモンストレーターの製造アプローチはまだ確定しておらず、プロセス時間、エネルギー消費、積層品質の適切なバランスを見つける目的で、スキン積層のさまざまなオプションを評価しています。ツール表面温度を変更するには、適切なニップポイント温度に達するために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、異なる積層条件下でのシミュレーションの信頼性と堅牢性を高めるのに役立ちます。」

このシミュレーションモデルは、CS2熱可塑性複合材料先進後部（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ツーリング構成に適応させられています。部品は2021年に製造され、2022年に組み立てられ、プロジェクト終了の2023年までにTRL 6達成を目指しています。並行して、AREデモンストレーターだけでなく、開発中の関連製造プロセスとツールについても、製造準備レベル（MRL）5/6の達成を目指しています。AREデモンストレータープロジェクトの全体目標には、コスト最大20%削減、コンポーネント重量最大20%削減、燃料消費最大1.5%削減、Clean Skyの環境目標に沿った空力改善が含まれます。

このプロジェクトは、助成金協定番号886549の下で、Clean Sky 2 Joint Undertaking（JU）から資金提供を受けています。JUは、欧州連合のHorizon 2020研究イノベーションプログラムと、欧州連合以外のClean Sky 2 JUメンバーから支援を受けています。

詳細については、ギヨーム・フラージュ（g.fourage@estia.fr）までお問い合わせください。