创新能源输送，实现更高效的复合材料制造

这是我在 CAMX 2019 之前的系列中的第二篇博客，重点介绍了在 CAMX 2018 上实际展出的关键技术。该博客以 Heraeus Noblelight 的新型 black.infrared 为中心 一种新型复合材料加工系统及其humm3 技术，正在取代自动纤维铺放 (AFP) 机器中的激光和红外线加热器。

用光创新

Heraeus Noblelight 利用光的力量对各种工业流程进行创新。提供一些背景知识，所有光都是电磁辐射 (EMR)，并且具有固有的波长和频率，如下图所示。 Heraeus Noblelight 开发的设备可以使用大部分光谱中的光，从红外线 (IR) 发射器到 LED 灯和紫外线 (UV) 系统，以及弧光灯和闪光灯。

沿电磁光谱的光用于加热和处理。
来源 | https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram（左）和 Heraeus（右）。

在复合材料中，紫外线和红外线 (IR) 系统已经使用了数十年，如下面的示例所示。然而，黑红外系统是一项新技术。

• Sunrez 在 1990 年代开发了用于树脂灌注和复合材料修复的紫外线固化技术。
• 紫外线固化环氧涂料是许多行业的标准。
• 连续纤维 3D 打印先驱也正在使用紫外线固化环氧树脂，例如连续复合材料和 moi 复合材料。
• 红外加热在自动化复合材料生产线中非常普遍，其中 2D 定制坯料需要在预成型之前预热和/或预成型件需要在冲压和二次成型之前预热。

Heraeus Noblelight 用于复合材料的黑色红外加热系统。来源 |贺利氏特种光源

黑.红外

Heraeus Noblelight 展出其全新的black.infrared 2018 年 CAMX 上的系统。“它是一种中波红外发射器，可在小体积中提供大量功率，”Heraeus Noblelight America, LLC 红外系统高级销售经理 Bruce Fricks 解释说。尽管 Heraeus Noblelight 总部位于德国哈瑙，但其美国红外线和闪光灯系统部门位于佐治亚州布福德，而其美国紫外线系统部门则位于马里兰州盖瑟斯堡。

“通常，对于中波红外发射器，您更倾向于 60 kW/m ² ，”弗里克斯说，“但‘黑色红外’达到 200 kW/m ² .与加热周围的所有空气相比，IR 是一种更有效的将能量注入基板的方法，但与对流烤箱相比，黑色 IR 的效率要高出三倍。对于在线处理，这意味着传送带的运行速度可以提高三倍或缩短以占用更少的空间。例如，使用 Black IR 可以将带有 30 英尺长烤箱的传送带减少到 10 英尺长的烤箱。”

迄今为止，黑色红外系统的应用包括焊接塑料和加热太阳能电池的薄（微米厚）光伏薄膜。 “一般来说，IR 非常适用于原子级沉积，”弗里克斯指出，“例如，在半导体中应用镓层或硅中的图案。请注意，所有这些操作都是在真空中完成的。 Black IR 在真空和高温下也能很好地工作。”

他解释说，黑色红外发射器设计用于在 1000°C 的表面温度下工作。 “这些发射器都是固态的，所以你可以把一个放在 700-800°C 的烤箱里，它不会受到影响。然而，如果一个过程需要比这高得多的温度，比如 1500°C 或更高，那么短波红外将更适合。”

Fricks 解释说 Black IR 也是一种视线技术。 “它更适合平坦或简单的凸/凹表面。最大的问题是零件或材料的内部或外部区域会产生阴影。”

一个 black.infrared 模块（左 ) 和显示温度均匀性的热图像（右 ）。
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黑色红外的优势和复合材料的潜在应用

Fricks 指出 black.infrared 不是基于灯丝的 IR 发射器，它的中心往往比两侧更亮。相反，它会在发射器的二维平面上产生非常均匀的能量，发射器的尺寸范围可以从 40 毫米 x 400 毫米到 100 毫米 x 100 毫米。 “我们还可以将黑色红外发射器平铺，以创建最大 400 x 400 毫米的平面设备，”他补充道。

Fricks 解释说，因为 black.infrared 是一种中波红外设备，所以它是相对色盲的（白色与深色）。 “它不会煮黑色材料，也不会加热黄色或白色材料。”然而，据报道，加热时间不到 60 秒。 “与其他 IR 选项相比，它并不是特别昂贵，”弗里克斯说。 “IR 比对流烤箱更昂贵，但它提供速度和效率，以及提供非常均匀的温度的能力——即变化小于正负 5 度。”

Black IR 可用于生产纤维、预浸料、复合带和可能的化学气相沉积 (CVD) 工艺，例如用于制造石墨烯和其他纳米复合材料的工艺。 Fricks 正在寻求与制造商和材料供应商的讨论，以探索和开发复合材料的进一步应用。

humm3 系统，用于热固性、热塑性和干纤维复合材料的自动纤维铺放。来源 |贺利氏特种光源

humm3 取代法新社中的激光

Heraeus Noblelight 在 CAMX 2018 上展示的另一项技术是 humm3 用于热固性预浸料、干纤维和热塑性复合带的自动纤维铺放 (AFP) 系统。 humm3 系统使用每秒脉冲多次的氙气闪光灯。在我 2018 年关于热塑性复合材料原位固结的文章的第 2 部分中，我在图 2 中描述了热塑性 AFP 中常用的激光器如何通过紫色光与红外 (IR) 加热器通常的橙色光进行区分用于热固性预浸料 AFP。请注意，humm3 技术与这两种技术的区别在于其明亮的白光。

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Heraeus Noblelight humm3 系统在北美和南美的销售经理 Kyle Hudspeth 说：“红外灯相对便宜，但速度慢，无法达到航空热塑性塑料所需的高温。” “另一方面，激光的加热和冷却速度非常快，但它们很昂贵，并且需要采取重要的安全预防措施。 Humm3 填补了市场上为 AFP 提供快速、安全、紧凑且经济高效的加热的空白。”

Hudspeth 解释说，humm3 在很宽的温度范围内（从低至 50°C 到目前测得的最高温度 600°C）向 AFP 咬合点提供均匀的热量。它也可以使用三个可编程参数进行精确控制：

机器人 AFP 机器上 PEEK 叠层的热图像。 humm3 石英传输光学元件在右侧看到，指向基板和传入材料之间的咬合点。以每分钟 6 米的速度实现了良好的质量结果。
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• 脉冲能量 （多大），
• 脉冲持续时间 （多长时间）
• 脉冲频率 （每秒多少次）。

他补充说，加热时间和温度与激光大致相同，“但不需要保护激光室，因此技术人员可以在操作过程中靠近叠层。”

在加工碳纤维增强聚醚醚酮 (PEEK) 层压板的测试中，Heraeus Noblelight 证明 humm3 可以生产具有 ≈35% 结晶度和 <2% 孔隙率的高质量热塑性 AFP 层压板，这是航空复合材料结构所需的。作为欧盟 Clean Sky 2 计划的一部分，轻型生产技术中心（ZLP，德国施塔德）正在与 Heraeus Noblelight 合作，在施塔德的德国航空航天中心 (DLR) 的多机器人 GroFi 系统中开发 humm3。这项工作旨在显着提高热塑性复合材料结构的 AFP 率，同时满足严格的质量要求。

Hudspeth 称，对于将使用树脂灌注或树脂传递模塑 (RTM) 处理的干纤维层压板，humm3 可实现每秒 1 米的铺设速度，并在 8 或 16 条带子上均匀加热，每条带子 0.25 英寸宽。单个灯可实现 300 毫米宽度的加热，并与 humm3 的模块化电源和模块化设计相协调，以进一步为更大的加热区域定制 AFP 系统。 humm3 石英传输光学器件也可定制，以实现精确的加热区形状。

使用 Hexcel 的 HiTape 干纤维胶带（左）和 RTM6 树脂（右）的航空零件演示器。来源 |贺利氏特种光源

humm3 系统正在开发用于其他复合材料加工，包括热塑性塑料焊接、纤维缠绕和预制件多层复合材料的定位。 Hudspeth 指出，humm3 是一项成熟且经过充分验证的技术，自 2016 年起在国家复合材料中心（英国布里斯托尔）进行展示，并于 2015 年获得英国女王创新奖。

欲了解更多详情，请访问 CAMX Y47 展位的 Heraeus Noblelight。

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