Entrega de energia inovadora para fabricação de compósitos mais eficiente

Este é o meu segundo blog nesta série pré-CAMX 2019 que destaca as principais tecnologias que foram realmente exibidas no CAMX 2018. Este blog é centrado no novo black.infrared da Heraeus Noblelight sistema, um novo tipo de sistema para processamento de compósitos, e seu humm3 tecnologia, que está substituindo aquecedores de laser e infravermelho em máquinas de colocação automática de fibra (AFP).

Inovando com luz

A Heraeus Noblelight inova uma ampla gama de processos industriais usando o poder da luz. Para dar uma ideia geral, toda luz é radiação eletromagnética (EMR) e tem um comprimento de onda e uma frequência inerentes, como pode ser visto no diagrama abaixo. A Heraeus Noblelight desenvolve dispositivos que usam luz ao longo de uma grande parte deste espectro, variando de emissores infravermelhos (IR) a lâmpadas LED e sistemas ultravioleta (UV), bem como lâmpadas de arco e flash.

A luz ao longo do espectro eletromagnético é usada para aquecimento e processamento.
FONTE | https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (à esquerda) e Heraeus (à direita).

Em compósitos, os sistemas UV e infravermelho (IR) são usados ​​há décadas, como pode ser visto no exemplo abaixo. O sistema black.infrared, no entanto, é uma nova tecnologia.

• Sunrez desenvolveu tecnologia de cura por UV para infusão de resina e reparo de compósitos na década de 1990.
• Os revestimentos epóxi curados por UV são padrão em muitos setores.
• A resina epóxi curada por UV também está sendo usada pelos pioneiros da impressão 3D de fibra contínua, como Continuous Composites e moi composites.
• O aquecimento infravermelho é muito comum em linhas de produção de compostos automatizados, onde os blanks personalizados em 2D precisam ser pré-aquecidos antes da pré-forma e / ou os pré-moldados precisam ser pré-aquecidos antes da estampagem e sobremoldagem.

Sistema de aquecimento infravermelho preto da Heraeus Noblelight para compósitos. FONTE | Heraeus Noblelight

Black.infrared

A Heraeus Noblelight exibiu seu novo black.infrared no CAMX 2018. “É um emissor de infravermelho de onda média que fornece muita energia em um pequeno volume”, explica Bruce Fricks, gerente sênior de vendas de sistemas de infravermelho, Heraeus Noblelight America, LLC. Embora a Heraeus Noblelight esteja sediada em Hanau, Alemanha, sua divisão dos EUA para sistemas de infravermelho e lâmpadas flash está baseada em Buford, Geórgia, enquanto sua divisão dos EUA para sistemas UV está baseada em Gaithersburg, Maryland.



“Normalmente, para um emissor de infravermelho de onda média, você está mais próximo de uma densidade de potência de 60 kW / m ² , ”Diz Fricks,“ mas ‘Black IR’ atinge 200 kW / m ² . IR é um meio muito mais eficiente de obter energia para um substrato do que aquecer todo o ar ao seu redor, mas o Black IR é três vezes mais eficiente em comparação com um forno de convecção. Para processamento em linha, isso significa que um transportador pode operar três vezes mais rápido ou ser reduzido para ocupar menos espaço. Por exemplo, um transportador com um forno de 30 pés de comprimento poderia ser reduzido a um forno de 10 pés usando Black IR. ”

Até o momento, as aplicações dos sistemas de infravermelho preto incluem soldagem de plásticos e aquecimento de películas fotovoltaicas finas (microns de espessura) para células solares. “IR, em geral, funciona muito bem para deposição em nível atômico”, observa Fricks, “por exemplo, aplicando camadas de gálio ou padrões em silício para semicondutores. Observe que todas essas operações são feitas no vácuo. Black IR também opera bem no vácuo e em altas temperaturas. ”

Ele explica que os emissores infravermelhos pretos foram projetados para operar com uma temperatura de superfície de 1000 ° C. “Esses emissores são todos de estado sólido, então você pode colocar um em um forno funcionando a 700-800 ° C e ele não sofrerá. No entanto, se um processo requer temperaturas muito mais altas do que isso, digamos 1500 ° C ou mais, então o infravermelho de onda curta seria um melhor ajuste. ”

Fricks explica que Black IR também é uma tecnologia de linha de visão. “É melhor para superfícies planas ou simples convexas / côncavas. O maior problema é com peças ou materiais com áreas internas ou externas onde algo vai lançar uma sombra. ”

Um módulo black.infrared ( esquerdo ) e imagem térmica mostrando uniformidade de temperatura ( direita )
FONTE | Heraeus Noblelight

Vantagens do Black IR e possíveis aplicações de compostos

Fricks observa que o black.infrared não é um emissor de infravermelho baseado em filamentos, que tende a ser mais brilhante no centro do que nas laterais. Em vez disso, ele produz uma energia muito uniforme em toda a superfície 2D plana do emissor, que pode variar em tamanho de 40 milímetros por 400 milímetros a 100 milímetros por 100 milímetros. “Também podemos lado a lado os emissores Black IR para criar um dispositivo plano de até 400 milímetros por 400 milímetros”, acrescenta.

Como black.infrared é um dispositivo de infravermelho de onda média, é relativamente daltônico (branco x escuro), explica Fricks. “Ele não cozinha materiais pretos ou subaquece materiais amarelos ou brancos.” E, no entanto, ele leva menos de 60 segundos para esquentar. “Watt-por-watt, não é terrivelmente caro em comparação com outras opções de infravermelho”, diz Fricks. “IR é mais caro do que um forno de convecção, mas oferece velocidade e eficiência, bem como a capacidade de fornecer temperatura muito uniforme - ou seja, variação inferior a mais ou menos 5 graus.”

Black IR poderia ser potencialmente usado na produção de fibras, prepregs, fitas compostas e, possivelmente, processos de deposição de vapor químico (CVD) como aqueles usados ​​para fazer grafeno e outros materiais nanocompósitos. Fricks está buscando discussões com fabricantes e fornecedores de materiais para explorar e desenvolver outras aplicações em compósitos.

O sistema humm3 para colocação automática de fibra de compostos termofixos, termoplásticos e de fibra seca. FONTE | Heraeus Noblelight

humm3 substituindo lasers em AFP

A outra tecnologia que a Heraeus Noblelight exibiu no CAMX 2018 foi o humm3 sistema para colocação automática de fibra (AFP) de prepreg termofixo, fibra seca e fitas compostas termoplásticas. O sistema humm3 usa uma lâmpada de flash preenchida com xenônio que é pulsada várias vezes por segundo. Na parte 2 do meu artigo de 2018 sobre consolidação in-situ de compósitos termoplásticos, descrevi na Fig. 2 como os lasers comumente usados ​​em AFP termoplástico podem ser distinguidos por sua luz roxa vs. a luz laranja dos aquecedores infravermelhos (IR) tipicamente usado em termofixo prepreg AFP. Observe que a tecnologia humm3 se diferencia de ambas por sua luz branca brilhante.

FONTE | Heraeus Noblelight


“As lâmpadas infravermelhas são relativamente baratas, mas são lentas e não podem atingir as altas temperaturas exigidas pelos termoplásticos aeroespaciais”, disse Kyle Hudspeth, gerente de vendas do sistema humm3 da Heraeus Noblelight na América do Norte e do Sul. “Por outro lado, os lasers são muito rápidos para aquecer e resfriar, mas são caros e exigem precauções de segurança significativas. O Humm3 preenche uma lacuna no mercado de aquecimento rápido, seguro, compacto e econômico para AFP. ”

Hudspeth explica que humm3 fornece calor uniforme para o ponto de nip AFP em uma ampla gama de temperaturas, de tão baixo quanto 50 ° C ao máximo medido atualmente de 600 ° C. Também pode ser controlado com precisão usando três parâmetros programáveis:

Imagem térmica do lay-up PEEK em uma máquina AFP robótica. A óptica de entrega de quartzo humm3 é vista à direita, apontando para o ponto de estreitamento entre o substrato e o material de entrada. Velocidades de 6 metros por minuto foram alcançadas com resultados de boa qualidade.
FONTE | Heraeus Noblelight

• pulsar energia (quão grande),
• pulso duração (quanto tempo)
• pulsar frequência (quantas vezes por segundo).

Ele acrescenta que o tempo de aquecimento e a temperatura são praticamente os mesmos de um laser, “mas nenhuma cabine de proteção a laser é necessária, então os técnicos podem estar próximos da colocação durante a operação”.

Em testes de processamento de laminados de polieteretercetona reforçada com fibra de carbono (PEEK), a Heraeus Noblelight demonstrou que humm3 pode produzir laminados AFP termoplásticos de alta qualidade com ≈35% de cristalinidade e <2% de porosidade necessária para estruturas compostas aeroespaciais. Como parte do programa Clean Sky 2 da UE, o Center for Lightweight Production Technology (ZLP, Stade, Alemanha) está trabalhando com a Heraeus Noblelight para desenvolver humm3 no sistema multi-robô GroFi no German Aerospace Center (DLR) em Stade. O trabalho tem como objetivo aumentar significativamente as taxas de AFP para estruturas compostas termoplásticas, ao mesmo tempo em que atende aos rigorosos requisitos de qualidade.

Para laminados de fibra seca que serão processados ​​usando infusão de resina ou moldagem por transferência de resina (RTM), Hudspeth afirma que humm3 permite uma velocidade de layup de 1 metro por segundo e aquecimento uniforme em oito ou 16 fitas, cada uma com 0,25 polegada de largura. O aquecimento em uma largura de 300 milímetros pode ser alcançado com uma única lâmpada e coordenado com a fonte de alimentação modular do humm3 e design modular para personalizar ainda mais um sistema AFP para zonas aquecidas ainda maiores. A óptica de entrega de quartzo humm3 também é personalizável para obter um formato de zona de calor preciso.

Um demonstrador de peça aeroespacial usando fita de fibra seca HiTape da Hexcel (esquerda) e resina RTM6 (direita). FONTE | Heraeus Noblelight

O sistema humm3 está sendo desenvolvido para processamento de outros compósitos, incluindo soldagem termoplástica, enrolamento de filamento e aderência de múltiplas camadas de compósitos para pré-formas. Hudspeth observa que humm3 é uma tecnologia madura e bem comprovada, demonstrada no National Composites Centre (Bristol, Reino Unido) desde 2016 e vencedora do Prêmio da Rainha para Inovação no Reino Unido em 2015.

Para obter mais detalhes, visite Heraeus Noblelight no estande Y47 da CAMX.

FONTE | Heraeus Noblelight