Clean Sky 2 FRAMES mejora simulaciones de calentamiento termoplástico para colocación automática de fibra con lámpara de xenón

El objetivo principal del proyecto Clean Sky 2 (CS2) FRAMES, que comenzó en julio de 2020, es validar un enfoque de fabricación utilizado para producir el Demostrador de Parte Trasera Avanzada fabricado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) como parte de la plataforma tecnológica CS2 para aviones de pasajeros grandes (LPA). Este demostrador tiene como objetivo aportar soluciones fiables y competitivas para la simulación de calentamiento durante la colocación automática de fibra (AFP) para lograr fabricación a alta cadencia de refuerzos termoplásticos y utillaje autocalentado para apoyar la co-consolidación de un ensamblaje piel-refuerzo.

Para más contexto de cómo FRAMES encaja en los objetivos del proyecto Advanced Rear End Demonstrator, véase la última sección de este artículo.

Modelado óptico-térmico de sistema de calentamiento con lámpara de xenón

La AFP de compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono (CFRTP) ha dependido mayormente del calentamiento láser para alcanzar las altas temperaturas necesarias para procesar materiales de matriz termoplástica de alto rendimiento como PEEK (poliéteretercetona), PEKK (poliétercetona-cetona) y LM-PAEK (poliariletercetona de bajo punto de fusión). Sin embargo, ha surgido una nueva tecnología basada en una lámpara de xenón pulsante. En este método, pulsos de alta energía y corta duración entregados por una potente fuente de calor de banda ancha son recogidos y entregados por una guía de luz de cuarzo. Posicionada cerca del punto de nip del cabezal AFP, la guía de luz de cuarzo forma y posiciona la energía lumínica para calentar el sustrato y los tows entrantes antes de que la consolidación se logre bajo un rodillo de compactación. Este sistema de lámpara de xenón ha demostrado igualar el tiempo de respuesta rápido de un láser y alcanzar las temperaturas requeridas para procesar compuestos termoplásticos.

Durante el procesamiento AFP, el pulso de la lámpara de xenón debe controlarse para tener en cuenta cambios en velocidad y geometría y mantener una temperatura objetivo. Esto se logra variando la energía, duración y frecuencia del pulso de la lámpara. Para optimizar estos parámetros, se ha creado un modelo de simulación opto-térmico que usa técnicas de trazado de rayos ópticos (calculando el ángulo de refracción/reflexión en cada superficie) para caracterizar la fuente de la lámpara, así como análisis de elementos finitos (FEA) para predecir la temperatura de procesamiento resultante. Usando estas herramientas de simulación, se puede evitar el ensayo-error; los parámetros de pulso pueden elegirse para lograr una temperatura de procesamiento deseada sin costosos y lentos ensayos físicos.

Heraeus Noblelight (Cambridge, Reino Unido) lidera el desarrollo del modelo óptico-térmico aplicado a su sistema de lámpara Humm3. El proceso para crear una simulación fiable implica la caracterización óptica de la fuente de lámpara de xenón usando mediciones goniométricas (rotación sobre un eje) e irradiancia espectral (energía lumínica recibida por la superficie) que se usan para determinar los niveles de energía espectral, distribución espacial y eficiencia de conversión energía eléctrica-radiativa de la fuente.

Medición de energía espectral

La Fig. 1 muestra la configuración experimental ideada para determinar la emisión de energía de una lámpara de xenón con respecto a la longitud de onda usando mediciones de irradiancia espectral. En este sistema, la luz de la lámpara de xenón entra en un detector a una distancia preestablecida (típicamente 0,5 a 1 metro, a la izquierda abajo). Esa luz se transporta vía cable óptico a un sistema de doble monocromador (abajo izquierda) que determina la intensidad lumínica en una longitud de onda específica. Esto resulta en un gráfico detallado de irradiancia espectral de la fuente de luz – en este caso, toda la curva de emisión de energía lumínica de xenón de la lámpara Humm3 se mide (Fig. 2).

Medición de eficiencia energética

La eficiencia del sistema también se ha evaluado usando una esfera integradora (Fig. 3) en el laboratorio de Heraeus en Hanau, Alemania para determinar con precisión la energía espectral que sale de la guía de luz Humm3 a diferentes niveles de voltaje. La esfera presenta una superficie difusa altamente reflectante que dirige virtualmente toda la energía óptica que sale del cabezal de la lámpara a un detector de doble monocromador. Modulando la energía del pulso para una duración y frecuencia de pulso dadas, la potencia óptica media que sale del cabezal Humm3 se mide como función de la longitud de onda para un rango de voltajes de la lámpara.

Análisis de distribución angular de energía

La posición del cabezal de la lámpara relativo al punto de nip del cabezal AFP es también un aspecto crítico para lograr una colocación de compuestos de alta calidad. En paralelo a las mediciones de potencia de salida, se ha medido la variación en la intensidad de luz de la lámpara de xenón con respecto a su ángulo desde la fuente. Todas las mediciones se normalizaron para investigar la distribución angular de energía en lugar de la potencia de salida absoluta en este punto. Esos resultados se usaron para validar una simulación de trazado de rayos de la lámpara para predecir cómo la energía de los pulsos de la lámpara se distribuye entre el sustrato, punto de nip y tows entrantes.

El análisis de trazado de rayos ópticos (Fig. 4) – logrado usando software TracePro (Lambda Research Corp., Littleton, Massachusetts, EE. UU.) – se detalla para calcular perfiles de irradiancia en la superficie del tow y sustrato compuestos. Estos perfiles de irradiancia se usan como condiciones de contorno de entrada para la simulación térmica. El comportamiento óptico y térmico de cintas de LM-PAEK reforzadas con fibra de carbono también se ha caracterizado para alimentar el modelo a las temperaturas de procesamiento relevantes.

Validación mediante ensayos físicos

Como paso de validación, se han realizado ensayos físicos de AFP en Compositadour (Bayona, Francia) para mostrar la capacidad de la simulación para predecir los valores de temperatura vistos durante la colocación AFP real. Termografía infrarroja y termopares finos embebidos dentro de colocaciones compuestas se usaron para medir temperaturas de procesamiento durante los ensayos AFP. Las mediciones parecen mostrar acuerdo razonable con perfiles de temperatura predichos en la región cercana al punto de nip y también a través del espesor.

Estas mediciones, sin embargo, también destacan la influencia del utillaje en la gestión térmica para las primeras capas. Al principio de la colocación, las primeras capas están muy cerca de la superficie de la herramienta, que puede actuar como sumidero de calor. Por esta razón, se ha usado utillaje calentado. La temperatura de la herramienta tiene una fuerte influencia en la temperatura del punto de nip AFP.

Durante esta fase inicial de colocación, los parámetros de pulso para la lámpara de xenón necesitan ajustarse para mantener constante la temperatura del punto de nip. Pero una vez que se colocan unas pocas capas, la colocación empieza a convertirse en una especie de capa aislante y la influencia de la temperatura de la herramienta disminuye. En este punto del proceso, no hay necesidad de más ajustes de parámetros de pulso.

Durante los ensayos de validación del proyecto FRAMES, se ha usado utillaje calentado para evaluar diferentes temperaturas de procesamiento durante AFP, explica Guillaume Fourage, ingeniero jefe de proyectos compuestos en Compositadour. "El enfoque de fabricación para el demostrador de parte trasera avanzada no está aún congelado y estamos evaluando diferentes opciones para la colocación de la piel con el objetivo de encontrar el equilibrio correcto entre tiempo de proceso, consumo de energía y calidad de colocación. Cambiar la temperatura de la superficie de la herramienta nos requiere ajustar los parámetros de pulso en consecuencia para alcanzar la temperatura adecuada del punto de nip. Esto es parte del plan de desarrollo del modelo óptico-térmico y nos ayuda a aumentar la fiabilidad y robustez de la simulación bajo diferentes condiciones de colocación."

Este modelo de simulación ahora se está adaptando a la configuración final del sistema de calentamiento y utillaje que se usará para fabricar el demostrador de compuesto termoplástico Advanced Rear End (ARE) de CS2. Las piezas se están fabricando en 2021 para ensamblaje en 2022 con el objetivo de alcanzar TRL 6 para finales del proyecto en 2023. En paralelo, se persigue un nivel de madurez de fabricación (MRL) de 5/6, no solo para el demostrador ARE, sino también para los procesos y herramientas de fabricación asociados que se están desarrollando. Los objetivos generales del proyecto del demostrador ARE incluyen: Reducir costes hasta 20%, peso de componente hasta 20% y consumo de combustible hasta 1,5%, así como mejorar la aerodinámica en línea con los objetivos ambientales de Clean Sky.

Este proyecto ha recibido financiación de Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) bajo acuerdo de subvención No 886549. El JU recibe apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea y los miembros de Clean Sky 2 JU distintos de la Unión.

Para más información, contacte a Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr