Projeto Clean Sky 2 FRAMES Aprimora Simulações de Aquecimento de Compósitos Termoplásticos para Colocação Automática de Fibra com Lâmpada de Flash de Xenônio

Photo Credit: Heraeus Noblelight and Compositadour

O objetivo principal do projeto Clean Sky 2 (CS2) FRAMES, iniciado em julho de 2020, é validar uma abordagem de manufatura usada para produzir o Demonstrador de Traseira Avançada fabricado pelo Centro Aeroespacial Alemão (DLR) como parte da plataforma tecnológica CS2 para aeronaves de passageiros grandes (LPA). Este demonstrador visa trazer soluções confiáveis e competitivas para simulação de aquecimento durante colocação automática de fibra (AFP) para alcançar manufatura de alta taxa de enrijecedores termoplásticos e ferramentas autoaquecidas para suportar co-consolidação de uma montagem pele-enrijecedor.

Para mais contexto de como o FRAMES se encaixa nos objetivos do projeto Demonstrador de Traseira Avançada, veja a última seção deste artigo.

Modelagem óptico-térmica do sistema de aquecimento por lâmpada de flash de xenônio

A AFP de compósitos termoplásticos reforçados com fibra de carbono (CFRTP) dependeu principalmente de aquecimento a laser para alcançar as altas temperaturas necessárias para processar materiais de matriz termoplástica de alto desempenho como PEEK (poliéteretercetona), PEKK (poliétercetonecetona) e LM-PAEK (poliariletercetona de baixo ponto de fusão). No entanto, uma nova tecnologia surgiu baseada em uma lâmpada de flash de xenônio pulsante. Neste método, pulsos de alta energia e curta duração entregues por uma fonte de calor broadband poderosa são coletados e entregues por um guia de luz de quartzo. Posicionado perto do ponto de nip do cabeçote AFP, o guia de luz de quartzo molda e posiciona a energia de luz para aquecer o substrato e tows entrantes antes que a consolidação seja alcançada sob um rolo de compactação. Este sistema de lâmpada de flash de xenônio mostrou igualar o tempo de resposta rápido de um laser e atingir as temperaturas necessárias para processar compósitos termoplásticos.

Durante o processamento AFP, o pulso da lâmpada de flash de xenônio deve ser controlado para levar em conta mudanças de velocidade e geometria e manter uma temperatura alvo. Isso é alcançado variando energia, duração e frequência do pulso da lâmpada. Para otimizar esses parâmetros, um modelo de simulação opto-térmico foi criado que usa técnicas de rastreamento de raios ópticos (calculando o ângulo de refração/reflexão em cada superfície) para caracterizar a fonte da lâmpada, bem como análise de elementos finitos (FEA) para prever a temperatura de processamento resultante. Usando essas ferramentas de simulação, tentativa e erro pode ser evitado; parâmetros de pulso podem ser escolhidos para alcançar uma temperatura de processamento desejada sem os ensaios físicos caros e demorados.

A Heraeus Noblelight (Cambridge, Reino Unido) está liderando o desenvolvimento do modelo óptico-térmico aplicado ao seu sistema de lâmpada Humm3. O processo para criar uma simulação confiável envolve a caracterização óptica da fonte da lâmpada de flash de xenônio usando medições goniométricas (rotação em torno de um eixo) e medições de irradiação espectral (energia de luz recebida pela superfície) que são então usadas para determinar níveis de energia espectral, distribuição espacial e eficiência de energia elétrica para radiativa da fonte.

Medição de energia espectral

A Fig. 1 abaixo mostra a configuração experimental projetada para determinar a emissão de energia de uma lâmpada de flash de xenônio em relação ao comprimento de onda usando medições de irradiação espectral. Neste sistema, a luz da lâmpada de flash de xenônio entra em um detector a uma distância predefinida (tipicamente 0,5 a 1 metro, à esquerda abaixo). Essa luz é então transportada via cabo óptico para um sistema de duplo monocromador (no canto inferior esquerdo abaixo) que determina a intensidade de luz em um comprimento de onda específico. Isso resulta em um gráfico detalhado de irradiação espectral da fonte de luz – neste caso, a curva de emissão completa da energia de luz de xenônio da lâmpada Humm3 é medida (Fig. 2).

Fig. 1. Configuração de teste de duplo monocromador usada para medições de irradiação espectral. Luz da lâmpada de flash de xenônio (canto superior direito) entra em um detector (canto superior esquerdo) que a transporta via cabo óptico para um duplo monocromador que mede a intensidade de luz em um comprimento de onda específico. Isso permite um gráfico detalhado ao longo do espectro da energia de luz emitida pela lâmpada. Photo Credit: Heraeus Noblelight

Fig. 2. Medidas de irradiação espectral da luz saindo da lâmpada de flash de xenônio Humm3. Photo Credit: Heraeus Noblelight

Medição de eficiência energética

Fig. 3. Esquema da esfera integradora usada para medições de potência radiante espectral. Photo Credit: Heraeus Noblelight

A eficiência do sistema também foi avaliada usando uma esfera integradora (Fig. 3) no laboratório da Heraeus em Hanau, Alemanha, para determinar com precisão a energia espectral saindo do guia de luz Humm3 em diferentes níveis de tensão. A esfera apresenta uma superfície difusa altamente reflexiva que direciona virtualmente toda a energia óptica saindo do cabeçote da lâmpada para um detector de duplo monocromador. Modulando a energia do pulso para uma duração e frequência de pulso dadas, a potência óptica média saindo do cabeçote Humm3 é medida como função do comprimento de onda para uma faixa de tensões da lâmpada.

Análise de distribuição angular de energia

A posição do cabeçote da lâmpada em relação ao ponto de nip do cabeçote AFP também é um aspecto crítico para alcançar uma colocação de compósitos de alta qualidade. Em paralelo às medições de potência de saída, a variação na intensidade de luz da lâmpada de flash de xenônio em relação ao seu ângulo da fonte foi medida. Todas as medições foram normalizadas para investigar a distribuição angular de energia em vez de potência de saída absoluta neste ponto. Esses resultados foram usados para validar uma simulação de rastreamento de raios da lâmpada para prever como a energia dos pulsos da lâmpada é distribuída entre o substrato, ponto de nip e tows entrantes.

A análise de rastreamento de raios ópticos (Fig. 4) – realizada usando software TracePro (Lambda Research Corp., Littleton, Massachusetts, EUA) – é então detalhada para calcular perfis de irradiação de superfície no tow e substrato compósitos. Esses perfis de irradiação são usados como condições de contorno de entrada para a simulação térmica. O comportamento óptico e térmico de fitas de LM-PAEK reforçadas com fibra de carbono também foi caracterizado para alimentar o modelo nas temperaturas de processamento relevantes.

Validação via ensaios físicos

Como etapa de validação, ensaios físicos de AFP foram realizados na Compositadour (Bayonne, França) para mostrar a capacidade da simulação de prever os valores de temperatura vistos durante a colocação AFP real. Termografia infravermelha e termopares finos embutidos dentro de colocações compósitas foram usados para medir temperaturas de processamento durante os ensaios AFP. As medições parecem mostrar concordância razoável com perfis de temperatura previstos na região próxima ao ponto de nip e também através da espessura.

Essas medições, no entanto, também destacam a influência da ferramenta no gerenciamento térmico para as primeiras camadas. No início da colocação, as primeiras camadas estão muito próximas da superfície da ferramenta, que pode atuar como um dissipador de calor. Por esse motivo, ferramentas aquecidas têm sido usadas. A temperatura da ferramenta tem uma forte influência na temperatura do ponto de nip AFP.

Durante esta fase inicial de colocação, parâmetros de pulso para a lâmpada de flash de xenônio precisam ser ajustados para manter a temperatura do ponto de nip constante. Mas uma vez que algumas camadas são colocadas, a colocação começa a se tornar uma espécie de camada isolante e a influência da temperatura da ferramenta diminui. Neste ponto do processo, não há necessidade de mais ajustes de parâmetros de pulso.

Durante os ensaios de validação do projeto FRAMES, ferramentas aquecidas foram usadas para avaliar diferentes temperaturas de processamento durante AFP, explica Guillaume Fourage, engenheiro-chefe de projetos compósitos na Compositadour. "A abordagem de manufatura para o demonstrador de traseira avançada ainda não está congelada e estamos avaliando diferentes opções para a colocação da pele com o objetivo de encontrar o equilíbrio certo entre tempo de processo, consumo de energia e qualidade da colocação. Mudar a temperatura da superfície da ferramenta nos exige ajustar os parâmetros de pulso de acordo para atingir a temperatura adequada do ponto de nip. Isso faz parte do plano de desenvolvimento do modelo óptico-térmico e nos ajuda a aumentar a confiabilidade e robustez da simulação sob diferentes condições de colocação."

Demonstrador de Traseira Avançada (ARE) de compósito termoplástico para Clean Sky 2. Photo Credit: (top) Airbus, (bottom) ESTIA-Compositadour

Este modelo de simulação agora está sendo adaptado para o sistema de aquecimento final e configuração de ferramentas que serão usados para fabricar o demonstrador de compósito termoplástico de Traseira Avançada (ARE) do CS2. Peças estão sendo fabricadas em 2021 para montagem em 2022 com o objetivo de atingir TRL 6 até o final do projeto em 2023. Em paralelo, um nível de prontidão de manufatura (MRL) de 5/6 está sendo buscado, não apenas para o demonstrador ARE, mas também para os processos e ferramentas de manufatura associados que estão sendo desenvolvidos. Objetivos gerais do projeto do demonstrador ARE incluem: Reduzir custos em até 20%, peso do componente em até 20% e consumo de combustível em até 1,5%, bem como melhorar a aerodinâmica alinhada com os objetivos ambientais do Clean Sky.

Este projeto recebeu financiamento da Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) sob acordo de subvenção No 886549. A JU recebe apoio do programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia e dos membros da Clean Sky 2 JU além da União.

Para mais informações, contate Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr