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埃賽力達(dá)特種光源（原賀利氏特種光源）
主營產(chǎn)品： PID燈,真空紫外燈,氙氣閃光燈模塊,氙閃燈,太陽能模擬器氙燈 |
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埃賽力達(dá)特種光源（原賀利氏特種光源）
主營產(chǎn)品： PID燈,真空紫外燈,氙氣閃光燈模塊,氙閃燈,太陽能模擬器氙燈 |
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2022-3-18 閱讀(556)
全球氣候正呈現(xiàn)出逐漸變暖的趨勢，歐盟航空業(yè)需要為降低飛機(jī)的溫室氣體排放和噪音作出努力。而“清潔天空"計(jì)劃就是歐盟委員會為配合新環(huán)保要求針對歐洲航空業(yè)設(shè)計(jì)的大型科技研發(fā)計(jì)劃。
歐洲清潔天空二階段計(jì)劃（Clean Sky 2 FRAMES，以下簡稱CS2）于 2020 年 7 月開始，其主要目標(biāo)是驗(yàn)證用于生產(chǎn)由德國航空航天中心 (DLR) 制造的先進(jìn)后端演示器的制造方法，并作為用于大型客機(jī)（LPA）的CS2技術(shù)平臺。該演示器旨在為自動纖維鋪放 (AFP) 期間的加熱模擬提供可靠且具有競爭力的解決方案，以實(shí)現(xiàn)熱塑性加強(qiáng)板和自加熱摸具的高速制造，以支持表皮加強(qiáng)板組裝的穩(wěn)固。
氙閃燈加熱系統(tǒng)的光學(xué)熱模型
碳纖維增強(qiáng)熱塑性(CFRTP)復(fù)合材料的自動鋪絲技術(shù)主要依靠激光加熱來達(dá)到加工高性能熱塑性基體材料所需的高溫，如PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮)和LM-PAEK(低熔點(diǎn)聚醚酮)。然而，一種基于脈沖氙閃燈的新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。這種技術(shù)是強(qiáng)大的寬光譜加熱源輸出，并由石英導(dǎo)光塊收集和傳送的高能量、短脈寬脈沖。自動鋪絲模塊頭的起軋點(diǎn)附近的石英導(dǎo)光塊，使光能成形并引導(dǎo)定位，在壓實(shí)滾筒實(shí)現(xiàn)固化前，來加熱基底和傳入的絲束。這種氙閃燈系統(tǒng)已經(jīng)被證實(shí)可以匹配激光的快速響應(yīng)時間，并達(dá)到加工熱塑性復(fù)合材料所需的溫度。
在自動鋪絲處理過程中，氙閃燈脈沖必須被控制，來適應(yīng)速度和幾何形狀的變化，并保持目標(biāo)溫度。這是通過改變閃光燈脈沖能量、脈寬和頻率來實(shí)現(xiàn)的。為了優(yōu)化這些參數(shù)，我們建立了一個光熱模擬模型。使用光線追蹤技術(shù)(計(jì)算每個表面的折射角/反射角)來描述閃光燈光源特性，以及有限元素分析(FEA)來預(yù)測最終的加工溫度。使用這些模擬工具，可以避免反復(fù)試驗(yàn);可以選擇脈沖參數(shù)來實(shí)現(xiàn)所需的加工溫度，而無需昂貴和耗時的物理試驗(yàn)。
賀利氏特種光源(英國劍橋)正帶領(lǐng)開發(fā)應(yīng)用于humm3®閃光燈系統(tǒng)的光學(xué)熱學(xué)模型。創(chuàng)建可靠模擬的過程包括了使用角度測量(繞軸旋轉(zhuǎn))和光譜輻照度(表面接收到的光能)測量的氙閃燈光源的光學(xué)特性，然后測量光譜能量級別、光源的空間分布和光電轉(zhuǎn)換能源效率。
測量光譜能量
下面的圖1顯示了配備光譜輻照度，來測量氙燈關(guān)于波長的能量輻射實(shí)驗(yàn)裝置。這個系統(tǒng)中，氙閃燈發(fā)出的光進(jìn)入一個預(yù)先設(shè)定的距離(通常是0.5到1米，見左下圖)的探測器。然后，光通過光纜傳輸?shù)诫p單色儀系統(tǒng)(見最下面的左圖)，該系統(tǒng)測量特定波長的光強(qiáng)度。這就得到了光源的詳細(xì)光譜輻照度圖——這種情況下，測量到了humm3®閃光燈發(fā)出的氙氣光能量的整個發(fā)射曲線(圖2)。
圖1
用于光譜輻照度測量的雙單色儀測試裝置。氙燈發(fā)出的光(右上)進(jìn)入探測器(左上)，探測器通過光纜將光傳輸?shù)诫p單色儀，雙單色儀測量特定波長的光強(qiáng)度。這樣就可以繪制出閃光燈發(fā)射光能的光譜細(xì)節(jié)圖。
圖2
humm3®氙閃燈出光的光譜輻照度測量
圖片來源:賀利氏特種光源
測量能效
圖3
德國哈瑙的賀利氏驗(yàn)室中，通過積分球(圖3)對系統(tǒng)效率進(jìn)行了評估，以準(zhǔn)確地確定在不同電壓水平下從humm3®導(dǎo)光塊輸出的光譜能量。球體的特點(diǎn)是具有高度反射的漫反射表面，引導(dǎo)幾乎所有的光學(xué)能量從閃光燈模塊頭發(fā)出到雙單色儀探測器。通過對給定脈寬和頻率的脈沖能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)閃光燈對應(yīng)的電壓范圍，可以測量出humm3®模塊頭發(fā)出的平均光學(xué)功率。
分析角能量分布
為了達(dá)到高質(zhì)量的復(fù)合材料鋪疊，閃光燈模塊頭對于自動鋪絲(AFP)的起軋點(diǎn)的位置也是極其重要的因素。與此同時，為了測量輸出能量，我們也測量了氙閃燈光強(qiáng)隨著光源角度的變化情況。所有研究角能量分布的測量都是標(biāo)準(zhǔn)化的，而不是測某個點(diǎn)的能量。這些測量結(jié)果用于閃光燈的光線追蹤模擬實(shí)驗(yàn)，來預(yù)測氙燈的脈沖能量在基材、起軋點(diǎn)和進(jìn)來的絲束之間是如何分布的。
圖4
Noblelight 用TracePro軟件的光學(xué)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖片來源:賀利氏特種光源
光學(xué)光線追蹤分析（圖4）-----使用了TracePro 軟件 (Lambda Research Corp., Littleton, Mass., U.S.)----詳盡的計(jì)算了復(fù)合材料絲束和基材的表面輻照度輪廓。這些輻照度輪廓，用于熱學(xué)模擬邊界條件的參考意見。碳纖維增強(qiáng)LM-PAEK(低熔點(diǎn)聚醚酮)帶的光學(xué)和熱學(xué)性能，也給相關(guān)的加工溫度提供了模型。
物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
作為驗(yàn)證步驟，自動鋪絲(AFP)物理實(shí)驗(yàn)也在法國工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實(shí)驗(yàn)平臺(Compositadour (Bayonne, France))進(jìn)行。以此來展示用模擬實(shí)驗(yàn)來預(yù)測實(shí)際自動鋪絲(AFP)鋪疊溫度值的能力。紅外溫度記錄儀，和鋪放復(fù)合材料內(nèi)的嵌入式薄熱電偶，用于測量自動鋪絲(AFP)實(shí)驗(yàn)加工溫度。測量看得出，和接近起軋點(diǎn)區(qū)域和沿著厚度方向的預(yù)測溫度輪廓，有相當(dāng)?shù)囊恢滦浴?/span>
但是，測量強(qiáng)調(diào)了熱學(xué)管理模具對于一開始幾層的材料影響。在鋪疊的開始，一開始的幾層非常接近于模具表面。模具形成了散熱板。因此，我們使用了被加熱的模具。模具的溫度對于自動鋪絲(AFP)起軋點(diǎn)的溫度有著強(qiáng)烈的影響。
圖5
用humm3®氙閃燈加熱系統(tǒng)的熱塑性復(fù)合材料鋪疊實(shí)驗(yàn)。
圖片來源：法國工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實(shí)驗(yàn)平臺(Compositadour)
在鋪疊的初始階段，為了保持起軋點(diǎn)溫度的恒定，氙閃燈的脈沖參數(shù)需要調(diào)節(jié)。但是只要有幾層材料被鋪疊，這幾層就開始變成一種隔熱層，模具溫度的影響減少。這點(diǎn)在工藝上，無需在做進(jìn)一步的脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)。
在FRAMES項(xiàng)目驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)期間，加熱的模具用于驗(yàn)證不同的自動鋪絲(AFP)加工溫度。 Guillaume Fourage(法國工程師學(xué)院復(fù)合工業(yè)材料實(shí)驗(yàn)平臺(Compositadour)工程師)解釋道，先進(jìn)尾部展示器的制造方法并非一成不變的。我們在驗(yàn)證的方法來做表面鋪疊，目的是找到工藝時間、能量消耗和鋪疊質(zhì)量的平衡。改變模具表面的溫度需要我們根據(jù)達(dá)到適合的起軋點(diǎn)溫度，來調(diào)整脈沖的參數(shù)。這是光學(xué)了些模型開發(fā)計(jì)劃的一部分。這幫助我們增加在不同鋪疊條件下的模擬的可靠性和穩(wěn)定性。
這些模擬模型也應(yīng)用到最終的加熱系統(tǒng)和清潔天空2熱塑性復(fù)合材料先進(jìn)尾部展示器模具構(gòu)造。零件將于2021年生產(chǎn)、2022年組裝，目的是在2023年項(xiàng)目結(jié)束前達(dá)到技術(shù)就緒等級(TRL)6。同時，生產(chǎn)就緒等級(MRL)已達(dá)到5/6。不僅是為了先進(jìn)尾部展示器，也為了相關(guān)的正在開發(fā)中制造工藝和模具?？傮w先進(jìn)尾部展示器項(xiàng)目的目標(biāo)包括：成本減少達(dá)20%、復(fù)合材料重量減少達(dá)20%、燃料消耗減少達(dá)1.5%，同時改善空氣動力學(xué)符合清潔天空的環(huán)境目標(biāo)。
此項(xiàng)目得到了清潔天空2聯(lián)合企業(yè)在撥款協(xié)議編號886549下的資助。聯(lián)合企業(yè)得到了歐盟的地平線2020研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目的支持，除歐盟之外，清潔天空2聯(lián)合企業(yè)成員也給與了大力支持。
