革新能量传递赋能高效复合材料制造

这是我CAMX 2019前瞻系列第二篇博客，聚焦2018年CAMX实际展出的关键技术。本文围绕Heraeus Noblelight新型black.infrared系统——一种用于复合材料加工的新型系统，及其humm3技术——正取代自动化铺丝（AFP）设备中的激光和红外加热器。

以光创新

Heraeus Noblelight利用光的力量创新广泛工业过程。背景知识：所有光均为电磁辐射（EMR），具有固有波长和频率，如下图所示。Heraeus Noblelight开发设备利用光谱大部分范围，从红外（IR）发射器到LED灯、紫外（UV）系统，以及电弧灯和闪光灯。

复合材料领域，UV和红外（IR）系统已用数十年，如下例所示。但black.infrared系统属新技术。

• Sunrez 1990年代开发UV固化技术用于树脂灌注和复合修补。
• UV固化环氧涂料在许多行业成标配。
• UV固化环氧树脂也被连续纤维3D打印先驱如Continuous Composites和moi composites采用。
• IR加热在自动化复合生产线常见，用于2D定制坯料预热前成型、或预成型件预热前冲压/包覆。

Heraeus Noblelight black.infrared复合材料加热系统。来源：Heraeus Noblelight

Black.infrared

Heraeus Noblelight在CAMX 2018展出新型black.infrared系统。“这是一种中波红外发射器，在小体积内释放大功率，”Heraeus Noblelight America LLC红外系统高级销售经理Bruce Fricks解释。虽总部在德国哈瑙，其美国红外与闪光灯系统部门设于佐治亚州Buford，UV系统部门设于马里兰州盖特斯堡。

“通常中波红外发射器功率密度约60 kW/m²，”Fricks说，“但‘Black IR’达200 kW/m²。红外将能量导入基材比加热周围空气高效得多，Black IR较对流炉效率高三倍。对在线加工意味着传送带可提速三倍或缩短三分之二长度。例如30英尺长炉可缩至10英尺。”

目前black.infrared应用包括塑料焊接和加热微米级光伏薄膜制太阳能电池。“红外总体上很适合原子层沉积，”Fricks注记，“如半导体镓层或硅图案沉积。注：所有操作在真空下进行。Black IR也适应真空和高温环境。”

Fricks解释black.infrared发射器设计表面温度1000°C。“全固态，可置入700-800°C炉中不损坏。若工艺需远高于此，如1500°C以上，短波红外更适合。”

Fricks说明Black IR属视线技术。“适合平面或简单凸/凹表面。最大问题是零件或材料有内部/外部区域会产生阴影遮挡。”

black.infrared模块（左）及温度均匀性热成像（右）。来源：Heraeus Noblelight

Black IR优势与潜在复合应用

Fricks指出black.infrared非灯丝式红外发射器（中心亮两侧暗），而是在发射器二维平面表面产生极均匀能量，尺寸范围40×400毫米至100×100毫米。“我们还可拼接Black IR发射器制成最大400×400毫米平面器件。”

因属中波红外设备，相对不敏感颜色（白与深色），Fricks解释。“不会烧焦黑色材料或欠热黄/白材料。”且升温不足60秒。“瓦特对瓦特，成本不比其他红外选项高得多，”Fricks说。“红外比对流炉贵，但提供速度效率，且能实现极均匀温度——波动小于±5度。”

Black IR潜在应用于纤维、预浸料、复合预浸带生产，以及制备石烯等纳米复合材料的化学气相沉积（CVD）工艺。Fricks寻求与制造商和材料供应商探讨开发复合领域更多应用。

用于热固性预浸料、干纤维和热塑性复合预浸带自动化铺丝（AFP）的humm3系统。来源：Heraeus Noblelight

humm3取代AFP激光器

Heraeus Noblelight在CAMX 2018展出的另一技术是用于热固性预浸料、干纤维和热塑性复合预浸带自动化铺丝（AFP）的humm3系统。humm3采用氙气填充闪光灯，每秒脉冲多次。在2018年热塑性复合材料原位固结系列文章第二部分图2中，我描述了热塑性AFP常用激光的紫光与热固性预浸料AFP常用红外加热器的橙光区别。注意humm3技术以亮白光区别于两者。

来源：Heraeus Noblelight

“红外灯相对便宜但较慢，无法达到航空航天热塑性材料所需高温，”Heraeus Noblelight北美和南美humm3销售经理Kyle Hudspeth说。“激光升降温极快但昂贵且需严格安全防护。Humm3填补市场空白，为AFP提供快速、安全、紧凑、高性价比加热。”

Hudspeth解释humm3在50°C至目前实测最高600°C宽温域内向AFP压实点提供均匀热量。可通过三个可编程参数精确控制：

• 脉冲能量（强度）
• 脉冲持续时间（时长）
• 脉冲频率（每秒次数）

他补充称加热时间和温度与激光大致相当，“但无需防护激光间，技术人员可贴近铺层作业。”

碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）层压板加工测试中，Heraeus Noblelight证明humm3可生产满足航空航天复合结构要求约35%结晶度和<2%孔隙率的高质量热塑性AFP层压板。作为欧盟Clean Sky 2计划一部分，轻量化生产技术中心（ZLP，德国施塔德）与Heraeus Noblelight合作在德国航空航天中心（DLR）施塔德多机器人GroFi系统开发humm3，旨在大幅提升热塑性复合结构AFP速率同时满足严苛质量要求。

针对将经树脂灌注或树脂传递模塑（RTM）加工的干纤维层压板，Hudspeth称humm3实现1米/秒铺设速度，跨8或16条0.25英寸宽预浸带均匀加热。单灯可实现300毫米宽加热，配合humm3模块化电源和模块化设计可进一步定制AFP系统以适配更大加热区。humm3石英输出光学器件可定制以实现精确热区形状。

采用Hexcel HiTape干纤维预浸带（左）和RTM6树脂（右）的航空航天部件演示件。来源：Heraeus Noblelight

humm3系统正拓展至其他复合加工，含热塑性焊接、绕丝成型和多层预成型件点胶固定。Hudspeth注记humm3为成熟、充分验证技术，自2016年起在国家复合材料中心（英国布里斯托尔）演示，2015年获英国女王创新奖。

更多详情请访问CAMX Y47展位Heraeus Noblelight。