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揭秘航空航天先进材料加热工艺

作者:XYC 来源: 时间:2022-06-02 分类:行业新闻

氙闪灯加热系统的光学热模型:

碳纤维增强热塑性(CFRTP)复合材料的自动铺丝技术主要依靠激光加热来达到加工高性能热塑性

基体材料所需的高温,如PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮)和LM-PAEK(低熔点聚醚酮)。然而,一

种基于脉冲氙闪灯的新技术已经出现。这种技术是强大的宽光谱加热源输出,并由石英导光块收

集和传送的高能量、短脉宽脉冲。自动铺丝模块头的起轧点附近的石英导光块,使光能成形并引

导定位,在压实滚筒实现固化前,来加热基底和传入的丝束。这种氙闪灯系统已经被证实可以匹

配激光的快速响应时间,并达到加工热塑性复合材料所需的温度。

在自动铺丝处理过程中,氙闪灯脉冲必须被控制,来适应速度和几何形状的变化,并保持目标温度。

这是通过改变闪光灯脉冲能量、脉宽和频率来实现的。为了优化这些参数,我们建立了一个光热模

拟模型。使用光线追踪技术(计算每个表面的折射角/反射角)来描述闪光灯光源特性,以及有限元素

分析(FEA)来预测最终的加工温度。使用这些模拟工具,可以避免反复试验;可以选择脉冲参数来实

现所需的加工温度,而无需昂贵和耗时的物理试验。

贺利氏特种光源(英国剑桥)正带领开发应用于humm3闪光灯系统的光学热学模型。创建可靠模拟

的过程包括了使用角度测量(绕轴旋转)和光谱辐照度(表面接收到的光能)测量的氙闪灯光源的光学特

性,然后测量光谱能量级别、光源的空间分布和光电转换能源效率。

测量光谱能量

下面的图中显示了配备光谱辐照度,来测量氙灯关于波长的能量辐射实验装置。这个系统中,氙闪灯发

出的光进入一个预先设定的距离(通常是0.5到1米,见左下图)的探测器。然后,光通过光缆传输到双单

色仪系统(见最下面的左图),该系统测量特定波长的光强度。这就得到了光源的详细光谱辐照度图—

—这种情况下,测量到了humm3闪光灯发出的氙气光能量的整个发射曲线(图2)。

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用于光谱辐照度测量的双单色仪测试装置。氙灯发出的光(右上)进入探测器(左上),探测器通过光缆将光

传输到双单色仪,双单色仪测量特定波长的光强度。这样就可以绘制出闪光灯发射光能的光谱细节图。

humm3氙闪灯出光的光谱辐照度测量通过积分球对系统效率进行了评估,以准确地确定在不同电压水平下

从humm3导光块输出的光谱能量。球体的特点是具有高度反射的漫反射表面,引导几乎所有的光学能量从闪光灯模块头发出到双单色

仪探测器。通过对给定脉宽和频率的脉冲能量进行调节,根据闪光灯对应的电压范围,可以测量出humm3模块头发出的平均光学功率。

分析角能量分布

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 为了达到高质量的复合材料铺叠,闪光灯模块头对于自动铺丝(AFP)的起轧点的位置也是极其重要的因素。

与此同时,为了测量输出能量,我们也测量了氙闪灯光强随着光源角度的变化情况。所有研究角能量分布的

测量都是标准化的,而不是测某个点的能量。这些测量结果用于闪光灯的光线追踪模拟实验,来预测氙灯的

脉冲能量在基材、起轧点和进来的丝束之间是如何分布的。

光学模型实验结果:

光学光线追踪分析中详尽的计算了复合材料丝束和基材的表面辐照度轮廓。这些辐照度轮廓,用于热学模拟边界条件的参考意见

碳纤维增强LM-PAEK(低熔点聚醚酮)带的光学和热学性能,也给相关的加工温度提供了模型。

物理实验验证

作为验证步骤,自动铺丝(AFP)物理实验也在法国工程师学院复合工业材料实验平台进行。以此来展示用模拟实验来预测实际自动

铺丝(AFP)铺叠温度值的能力。红外温度记录仪,和铺放复合材料内的嵌入式薄热电偶,用于测量自动铺丝(AFP)实验加工温度。

测量看得出,和接近起轧点区域和沿着厚度方向的预测温度轮廓,有相当的一致性