清洁天空2 FRAMES项目推进热塑性复合材料AFP氙闪光灯加热仿真

清洁天空2 FRAMES项目验证先进后机身演示机制造方法

清洁天空2（CS2）FRAMES项目于2020年7月启动，主要目标是验证用于生产先进后机身演示机的制造方法，该演示机由德国航空航天中心（DLR）作为CS2大型客机（LPA）技术平台一部分制造。该演示机旨在为自动化铺丝（AFP）加热仿真带来可靠且有竞争力的解决方案，实现热塑性加强筋高速制造，以及自加热工装支持蒙皮-加强筋组件共固化。

关于FRAMES如何融入先进后机身演示机项目目标的更多背景，见本文最后一节。

氙闪光灯加热系统光热建模

碳纤维增强热塑性（CFRTP）复合材料的AFP主要依赖激光加热，以达到处理PEEK（聚醚醚酮）、PEKK（聚醚酮酮）和LM-PAEK（低熔点聚芳醚酮）等高性能热塑性基体材料所需的高温。然而，一种基于脉冲氙闪光灯的新技术已出现。该方法利用强大宽带热源发射的高能量、短脉冲，经石英光导收集和传递。石英光导置于AFP头压点附近，成形并定位光能以在压实辊下固化前加热基材和来料丝束。该氙闪光灯系统已显示出匹配激光的快速响应时间，并能达到处理热塑性复合材料所需温度。

AFP加工期间，氙闪光灯脉冲必须受控以适应速度和几何变化并维持目标温度。通过调节闪光灯脉冲能量、持续时间和频率实现。为优化这些参数，创建了光热仿真模型，利用光线追踪技术（计算各表面折射/反射角）表征闪光灯源，以及有限元分析（FEA）预测所得加工温度。使用这些仿真工具，可避免试错；可选择脉冲参数以达成目标加工温度，无需昂贵耗时的物理试验。

Heraeus Noblelight（英国剑桥）领导其Humm3闪光灯系统的光热模型开发。创建可靠仿真的过程涉及使用测角（绕轴旋转）测量和光谱辐照度（表面接收光能）测量对氙闪光灯源进行光学表征，以确定光谱能量水平、空间分布和电-辐射能量效率。

测量光谱能量

图1展示了为确定氙闪光灯随波长的能量发射而设计的实验装置，使用光谱辐照度测量。该系统中，氙闪光灯光进入预设距离（通常0.5-1米，左下）处的探测器。光再经光缆进入双独色仪系统（左下），确定特定波长光强度。结果得到光源详细光谱辐照度图——本例中测得Humm3闪光灯发射光能的完整发射曲线（图2）。

图1. 用于光谱辐照度测量的双独色仪测试装置。氙闪光灯光（右上）进入探测器（左上），经光缆进入双独色仪测量特定波长光强度。可得闪光灯发射光能跨光谱的详细图。 图片来源：Heraeus Noblelight

图2. Humm3氙闪光灯发射光的光谱辐照度测量。 图片来源：Heraeus Noblelight

测量能量效率

图3. 用于光谱辐射功率测量的积分球示意图。 图片来源：Heraeus Noblelight

系统效率也通过德国哈瑙Heraeus实验室的积分球（图3）评估，以准确确定不同电压下Humm3光导输出的光谱能量。球体具有高反射漫反射表面，将闪光灯头输出的几乎所有光学能量导向双独色仪探测器。通过调节给定脉冲持续时间和频率下的脉冲能量，测量Humm3头输出的平均光功率作为波长函数，覆盖一系列闪光灯电压。

分析角度能量分布

闪光灯头相对AFP头压点的位置对实现高质量复合材料铺层也至关重要。并行于输出功率测量，测量了氙闪光灯光强度随源角度的变化。所有测量归一化以研究角度能量分布而非绝对功率输出。这些结果用于验证闪光灯光线追踪仿真，预测闪光灯脉冲能量如何分布在基材、压点和来料丝束之间。

光线追踪分析（图4）——使用TracePro软件（美国Lambda Research Corp.）实现——进而详细计算复合丝束和基材上的表面辐照度分布。这些辐照度分布用作热仿真的输入边界条件。碳纤维增强LM-PAEK带材的光学和热行为也在相关加工温度下表征以馈入模型。

物理试验验证

作为验证步骤，在Compositadour（法国巴约讷）进行物理AFP试验，展示仿真预测实际AFP铺层中温度值的能力。红外热成像和嵌入复合铺层内的薄热电偶用于测量AFP试验中的加工温度。测量显示在压点附近区域及厚度方向上，预测温度分形与实测合理一致。

然而这些测量也凸显工装对前几层热管理的影响。铺层开始时，前几层极靠近工具表面，可作为热沉。因此使用了加热工装。工具温度对AFP压点温度有强影响。

此初始铺层阶段，需调整氙闪光灯脉冲参数以保持压点温度恒定。但铺上几层后，铺层开始成为一种绝缘层，工具温度影响降低。此时工艺无需进一步脉冲参数调整。

FRAMES项目验证试验中使用加热工装评估AFP不同加工温度，Compositadour复合项目首席工程师Guillaume Fourage解释：“先进后机身演示机制造方法尚未冻结，我们正评估蒙皮铺层不同选项，旨在在工艺时间、能耗和铺层质量间找到平衡。改变工具表面温度要求相应调整脉冲参数以达标压点温度。这是光热模型开发计划的一部分，帮助我们在不同铺层条件下提高仿真可靠性和稳健性。”

清洁天空2热塑性复合材料先进后机身（ARE）演示机。图片来源：（上）空客，（下） ESTIA-Compositadour

该仿真模型现正适配将用于制造CS2热塑性复合材料先进后机身（ARE）演示机的最终加热系统和工装配置。零件2021年制造，2022年组装，目标项目结束（2023年）达TRL 6。并行追求制造就绪等级（MRL）5/6，不仅针对ARE演示机，也针对正在开发的相关制造工艺和工具。ARE演示机项目总体目标包括：成本降低达20%、部件重量降低达20%、燃油消耗降低达1.5%，以及按清洁天空环境目标改善气动性能。

该项目获清洁天空2联合承担（JU）资助，资助协议编号886549。JU获欧盟地平线2020研究创新计划及清洁天空2 JU非欧盟成员支持。

更多信息请联系Guillaume Fourage，g.fourage@estia.fr