Revolucionando la entrega de energía para fabricación de compuestos eficiente

Este es mi segundo blog en esta serie pre-CAMX 2019 que destaca tecnologías clave que se exhibieron realmente en CAMX 2018. Este blog se centra en el nuevo sistema black.infrared de Heraeus Noblelight, un tipo novedoso de sistema para procesamiento de compuestos, y su tecnología humm3, que está reemplazando láseres y calentadores infrarrojos en máquinas de colocación automática de fibra (AFP).

 

Innovando con luz

Heraeus Noblelight innova una amplia gama de procesos industriales usando el poder de la luz. Para dar algo de contexto, toda la luz es radiación electromagnética (REM) y tiene una longitud de onda y frecuencia inherentes, como se puede ver en el diagrama abajo. Heraeus Noblelight desarrolla dispositivos que usan luz a lo largo de una gran porción de este espectro, desde emisores infrarrojos (IR) hasta lámparas LED y sistemas ultravioleta (UV), así como lámparas de arco y flash.

Luz a lo largo del Espectro Electromagnético usada para calentamiento y procesamiento. FUENTE: https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (izquierda) y Heraeus (derecha).

En compuestos, sistemas UV e infrarrojos (IR) se han usado por décadas, como se puede ver en el ejemplo abajo. El sistema black.infrared, sin embargo, es tecnología nueva.

• Sunrez desarrolló tecnología de curado UV para infusión de resina y reparación de compuestos en los 1990s.
• Recubrimientos epoxi curados UV son estándar en muchas industrias.
• Resina epoxi curada UV también está siendo usada por pioneros de impresión 3D de fibra continua como Continuous Composites y moi composites.
• Calentamiento IR es muy común en líneas de producción automatizadas de compuestos donde blanks 2D adaptados necesitan precalentarse antes de preformado y/o preformas necesitan precalentarse antes de estampado y sobremoldeo.

Sistema de calentamiento black.infrared de Heraeus Noblelight para compuestos. FUENTE: Heraeus Noblelight

 

Black.infrared

Heraeus Noblelight exhibió su nuevo sistema black.infrared en CAMX 2018. "Es un emisor IR de onda media que entrega mucha potencia en un volumen pequeño", explica Bruce Fricks, gerente senior de ventas para sistemas IR, Heraeus Noblelight America, LLC. Aunque Heraeus Noblelight tiene su sede en Hanau, Alemania, su división en EE. UU. para sistemas IR y lámparas flash está basada en Buford, Georgia mientras su división en EE. UU. para sistemas UV está basada en Gaithersburg, Maryland.

 

"Usualmente, para un emisor IR de onda media, estás más hacia una densidad de potencia de 60 kW/m²", dice Fricks, "pero 'Black IR' logra 200 kW/m². IR es un medio mucho más eficiente de obtener energía en un sustrato versus calentar todo el aire alrededor, pero Black IR es tres veces más eficiente comparado a un horno de convección. Para procesamiento en línea, eso significa que una cinta transportadora podría correr tres veces más rápido o acortarse para ocupar menos espacio. Por ejemplo, una cinta transportadora con un horno de 30 pies de largo podría reducirse a un horno de 10 pies usando Black IR."

Hasta la fecha, aplicaciones para sistemas black.infrared incluyen soldadura de plásticos y calentamiento de películas fotovoltaicas finas (micras de espesor) para celdas solares. "IR, en general, funciona muy bien para deposición a nivel atómico", nota Fricks, "por ejemplo, aplicando capas de galio o patrones en silicio para semiconductores. Nota, todas estas operaciones se hacen en vacío. Black IR también opera bien en vacío y a altas temperaturas."

Explica que los emisores black.infrared han sido diseñados para operar con una temperatura de superficie de 1000 °C. "Estos emisores son todos de estado sólido, así que puedes poner uno en un horno corriendo a 700-800 °C y no sufrirá. Sin embargo, si un proceso requiere temperaturas mucho más altas que esto, digamos 1500 °C o más, entonces IR de onda corta sería mejor."

Fricks explica que Black IR también es una tecnología de línea de vista. "Es mejor para superficies planas o convexas/cóncavas simples. El mayor problema es con piezas o materiales teniendo áreas internas o externas donde algo proyectará una sombra."

Un módulo black.infrared (izquierda) e imagen térmica mostrando uniformidad de temperatura (derecha). FUENTE: Heraeus Noblelight

 

Ventajas y aplicaciones potenciales de Black IR en compuestos

Fricks nota que black.infrared no es un emisor IR basado en filamento, que tiende a ser más brillante en el centro que en los lados. En su lugar, produce una energía muy uniforme a lo largo de la superficie planar 2D del emisor, que puede variar en tamaño de 40 milímetros por 400 milímetros hasta 100 milímetros por 100 milímetros. "También podemos teselar los emisores Black IR para crear un dispositivo planar hasta 400 milímetros por 400 milímetros", añade.

Porque black.infrared es un dispositivo IR de onda media, es relativamente ciego al color (blanco vs. oscuro), explica Fricks. "No cocinará materiales negros ni sub-calentará materiales amarillos o blancos." Y sin embargo, supuestamente tarda menos de 60 segundos en calentarse. "Vatio por vatio, no es terriblemente caro versus otras opciones IR", dice Fricks. "IR es más caro que un horno de convección, pero ofrece velocidad y eficiencia, así como la capacidad de proporcionar temperatura muy uniforme —es decir, variación menos de más o menos 5 grados."

Black IR podría potencialmente usarse en la producción de fibras, prepregs, cintas compuestas y posiblemente procesos de deposición química de vapor (CVD) como los usados para hacer grafeno y otros materiales nanocompuestos. Fricks busca discusiones con fabricantes y proveedores de materiales para explorar y desarrollar más aplicaciones en compuestos.

El sistema humm3 para colocación automática de fibra de termofijos, termoplásticos y compuestos de fibra seca. FUENTE: Heraeus Noblelight

 

humm3 reemplazando láseres en AFP

La otra tecnología que Heraeus Noblelight exhibió en CAMX 2018 fue su sistema humm3 para colocación automática de fibra (AFP) de prepreg termofijo, fibra seca y cintas compuestas termoplásticas. El sistema humm3 usa una lámpara de flash llena de xenón que pulsa múltiples veces por segundo. En la parte 2 de mi artículo de 2018 sobre consolidación in-situ de compuestos termoplásticos, describí en Fig. 2 cómo los láseres comúnmente usados en AFP termoplástico pueden distinguirse por su luz púrpura vs. la luz naranja de los calentadores infrarrojos (IR) típicamente usados en AFP de prepreg termofijo. Nota que la tecnología humm3 se diferencia de ambas por su luz blanca brillante.

FUENTE: Heraeus Noblelight

"Las lámparas infrarrojas son relativamente baratas, pero son lentas y no pueden alcanzar las altas temperaturas requeridas por termoplásticos aeroespaciales", dice Kyle Hudspeth, gerente de ventas para el sistema humm3 de Heraeus Noblelight en Norte y Sudamérica. "Por el otro lado, los láseres son muy rápidos para calentar y enfriar, pero son caros y requieren precauciones de seguridad significativas. Humm3 llena un hueco en el mercado para calentamiento rápido, seguro, compacto y rentable para AFP."

Hudspeth explica que humm3 entrega calor uniforme al punto nip de AFP sobre un amplio rango de temperaturas, desde tan bajo como 50 °C hasta el máximo medido actualmente de 600 °C. También puede controlarse precisamente usando tres parámetros programables:

Imagen térmica de lay-up PEEK en máquina AFP robótica. La óptica de entrega de cuarzo humm3 se ve a la derecha, apuntando al punto nip entre sustrato y material entrante. Se lograron velocidades de 6 metros por minuto con resultados de buena calidad. FUENTE: Heraeus Noblelight

• energía de pulso (qué tan grande),
• duración de pulso (cuánto tiempo)
• frecuencia de pulso (cuántas veces por segundo).

Añade que el tiempo de calentamiento y temperatura es aproximadamente el mismo que con un láser, "pero no se requiere cabina de protección láser, así que los técnicos pueden estar cerca del layup durante operación."

En pruebas para procesar laminados de polietereetercetona (PEEK) reforzados con fibra de carbono, Heraeus Noblelight demostró que humm3 puede producir laminados AFP termoplásticos de alta calidad con el ≈35% cristalinidad y <2% porosidad requeridos para estructuras compuestas aeroespaciales. Como parte del programa Clean Sky 2 de la UE, el Centro de Tecnología de Producción Ligera (ZLP, Stade, Alemania) está trabajando con Heraeus Noblelight para desarrollar humm3 en el sistema multi-robot GroFi en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Stade. El trabajo apunta a aumentar significativamente tasas AFP para estructuras compuestas termoplásticas mientras se cumplen estrictos requisitos de calidad.

Para laminados de fibra seca que se procesarán usando infusión de resina o moldeo por transferencia de resina (RTM), Hudspeth afirma que humm3 permite una velocidad de colocación de 1 metro por segundo y calentamiento uniforme a través de ocho o 16 cintas, cada una de 0,25 pulgadas de ancho. Calentamiento a lo largo de un ancho de 300 milímetros puede lograrse con una sola lámpara y coordinarse con la fuente de alimentación modular y diseño modular de humm3 para adaptar aún más un sistema AFP para zonas de calentamiento aún mayores. La óptica de entrega de cuarzo humm3 también es personalizable para lograr una forma precisa de zona de calor.

Un demostrador de pieza aeroespacial usando cinta de fibra seca HiTape de Hexcel (izquierda) y resina RTM6 (derecha). FUENTE: Heraeus Noblelight

El sistema humm3 se está desarrollando para otros procesamientos de compuestos, incluyendo soldadura termoplástica, devanado de filamento y tacleado de múltiples capas compuestas para preformas. Hudspeth nota que humm3 es una tecnología madura y bien probada, demostrada en el Centro Nacional de Compuestos (Bristol, Reino Unido) desde 2016 y ganadora del Premio de la Reina a la Innovación en el Reino Unido en 2015.

Para más detalles, visita Heraeus Noblelight en stand CAMX Y47.

FUENTE: Heraeus Noblelight