Proyecto Clean Sky 2 FRAMES: Simulación Térmica Óptica para Colocación Automática de Fibra con Lámpara Xenon

Modelado Térmico Óptico del Sistema de Calentamiento con Lámpara Xenon

El proyecto Clean Sky 2 (CS2) FRAMES, iniciado en julio 2020, valida un enfoque de fabricación para el Advanced Rear End Demonstrator del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) dentro de la plataforma tecnológica CS2 para aviones de gran capacidad (LPA). El objetivo: simulación fiable y competitiva del calentamiento durante la colocación automática de fibra (AFP) para fabricación a alta cadencia de rigidizadores termoplásticos y utillaje autocalentado que soporte co-consolidación de ensamblajes piel-rigidizador.

La AFP de compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono (CFRTP) ha dependido tradicionalmente del calentamiento láser para alcanzar las altas temperaturas necesarias en matrices de alto rendimiento como PEEK, PEKK y LM-PAEK. Sin embargo, ha surgido una nueva tecnología basada en lámpara de destello xenon pulsada. Pulsos de alta energía y corta duración de una fuente broadband potente se recogen y entregan mediante una guía de luz de cuarzo. Posicionada cerca del punto de nip del cabezal AFP, la guía moldea y posiciona la energía lumínica para calentar sustrato y tows entrantes antes de la consolidación bajo rodillo de compactación. Este sistema iguala el tiempo de respuesta rápido del láser y alcanza las temperaturas requeridas.

Durante el procesamiento AFP, el pulso xenon debe controlarse para compensar cambios de velocidad y geometría manteniendo temperatura objetivo. Esto se logra variando energía, duración y frecuencia del pulso. Para optimizar estos parámetros, se ha creado un modelo de simulación opto-térmica que usa:

• Trazado de rayos óptico (cálculo ángulos refracción/reflexión en cada superficie) para caracterizar la fuente xenon.
• Análisis de Elementos Finitos (FEA) para predecir temperatura de procesamiento resultante.

Estas herramientas evitan ensayos físicos costosos y lentos: los parámetros de pulso se eligen para lograr la temperatura deseada.

Desarrollo del Modelo por Heraeus Noblelight

Heraeus Noblelight (Cambridge, UK) lidera el modelo óptico-térmico aplicado a su sistema Humm3. El proceso implica:

1. Caracterización óptica de la fuente xenon mediante mediciones goniométricas (rotación sobre eje) e irradiancia espectral (energía lumínica recibida por superficie).
2. Determinación de niveles de energía espectral, distribución espacial y eficiencia energía eléctrica-radiativa.

Medición de Energía Espectral

Fig. 1: Configuración experimental con doble monocromador. Luz xenon → detector a distancia preset (0.5-1m) → cable óptico → doble monocromador → intensidad por longitud de onda. Resultado: curva de emisión completa del Humm3 (Fig. 2).

Medición de Eficiencia Energética

Fig. 3: Esfera integradora en laboratorio Heraeus (Hanau, Alemania) para potencia radiante espectral. Superficie reflectante difusa dirige toda la energía óptica al detector. Modulando energía de pulso para duración/frecuencia dadas, se mide potencia óptica media vs longitud de onda para rango de voltajes.

Análisis de Distribución Angular de Energía

La posición del cabezal flashlamp respecto al punto nip AFP es crítica. Se midió variación de intensidad vs ángulo (normalizado para distribución angular, no potencia absoluta). Resultados validan simulación de trazado de rayos para predecir distribución de energía entre sustrato, punto nip y tows entrantes.

Análisis trazado de rayos óptico (Fig. 4, software TracePro, Lambda Research) calcula perfiles de irradiancia superficial en tow y sustrato. Estos perfiles son condiciones de contorno para simulación térmica. También se caracterizó comportamiento óptico/térmico de cintas LM-PAEK reforzadas con fibra de carbono a temperaturas de procesamiento.

Validación mediante Ensayos Físicos

Ensayos AFP en Compositadour (Bayona, Francia) validan la capacidad predictiva del modelo. Termografía infrarroja y termopares finos embebidos midieron temperaturas durante el layup. Los resultados muestran concordancia razonable con perfiles predichos cerca del punto nip y a través del espesor.

Influencia del utillaje: Las primeras capas están cerca de la herramienta, que actúa como disipador térmico. Por eso se usa utillaje calentado. La temperatura de la herramienta influye fuertemente en la temperatura del punto nip inicial. Guillaume Fourage (Compositadour): "Evaluamos diferentes temperaturas de procesamiento durante AFP. Cambiar la temperatura superficial de la herramienta requiere ajustar parámetros de pulso para mantener temperatura nip correcta. Esto aumenta fiabilidad y robustez de la simulación bajo distintas condiciones."

Una vez colocadas unas pocas capas, el layup se vuelve aislante y la influencia de la herramienta disminuye; no se necesitan más ajustes de pulso.

Demostrador Advanced Rear End (ARE) Termoplástico

El modelo se adapta ahora al sistema de calentamiento y configuración de utillaje final para fabricar el demostrador ARE termoplástico CS2. Piezas en fabricación 2021, ensamblaje 2022, objetivo TRL 6 fin proyecto 2023. Paralelamente se persigue MRL 5/6 para procesos y herramientas asociadas.

Objetivos globales ARE: Reducir costes ≤20%, peso componente ≤20%, consumo combustible ≤1.5%, mejorar aerodinámica según objetivos ambientales Clean Sky.

Financiado por Clean Sky 2 JU (grant agreement No 886549) con apoyo Horizonte 2020 UE.

Contacto: Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr