Инновационная доставка энергии для более эффективного производства композитов

Это мой второй блог в серии, предшествующей CAMX 2019, в которой освещаются ключевые технологии, которые были фактически представлены на CAMX 2018. Этот блог посвящен новому black.infrared от Heraeus Noblelight. система, новый тип системы для обработки композитов, и ее humm3 технология, которая заменяет лазерные и инфракрасные нагреватели в машинах для автоматической укладки волокон (AFP).

Инновации с помощью света

Heraeus Noblelight внедряет инновации в широкий спектр промышленных процессов, используя силу света. Чтобы дать некоторый фон, весь свет является электромагнитным излучением (ЭМИ) и имеет собственную длину волны и частоту, как показано на диаграмме ниже. Heraeus Noblelight разрабатывает устройства, которые используют свет в большей части этого спектра, от инфракрасных (ИК) излучателей до светодиодных ламп и ультрафиолетовых (УФ) систем, а также дуговых и импульсных ламп.

Свет вдоль электромагнитного спектра используется для нагрева и обработки.
ИСТОЧНИК | https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (слева) и Heraeus (справа).

В композитах УФ- и инфракрасные (ИК) системы используются на протяжении десятилетий, как видно из приведенного ниже примера. Однако система black.infrared - новая технология.

• Sunrez разработала технологию УФ-отверждения для вливания смолы и ремонта композитов в 1990-х годах.
• Эпоксидные покрытия, отверждаемые УФ-излучением, являются стандартом во многих отраслях промышленности.
• УФ-отверждаемая эпоксидная смола также используется первопроходцами в области трехмерной печати с непрерывным волокном, такими как непрерывные композиты и композиты moi.
• Инфракрасный нагрев очень распространен на автоматизированных линиях по производству композитов, где 2D-заготовки необходимо предварительно нагреть перед предварительным формованием и / или предварительно нагреть преформы перед штамповкой и формованием.

Система обогрева Black.infrared для композитных материалов Heraeus Noblelight. ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

Черный.инфракрасный

Heraeus Noblelight представила свой новый black.infrared на выставке CAMX 2018. «Это средневолновый ИК-излучатель, обеспечивающий большую мощность в небольшом объеме», - объясняет Брюс Фрикс, старший менеджер по продажам ИК-систем Heraeus Noblelight America, LLC. Хотя штаб-квартира Heraeus Noblelight находится в Ханау, Германия, ее подразделение в США, занимающееся системами инфракрасных и импульсных ламп, находится в Буфорде, штат Джорджия, а американское подразделение УФ-систем находится в Гейтерсбурге, штат Мэриленд.

«Обычно для средневолнового ИК-излучателя требуется плотность мощности 60 кВт / м ² . , - говорит Фрикс, - но «Black IR» достигает 200 кВт / м ² . ИК - гораздо более эффективный способ передачи энергии субстрату, чем нагрев всего воздуха вокруг него, но черный ИК в три раза эффективнее конвекционной печи. Для поточной обработки это означает, что конвейер может работать в три раза быстрее или быть укорочен, чтобы занимать меньше места. Например, конвейер с духовкой длиной 30 футов можно превратить в духовку длиной 10 футов с помощью Black IR ».

На сегодняшний день области применения черных инфракрасных систем включают сварку пластиков и нагрев тонких (толщиной в микрон) фотоэлектрических пленок для солнечных элементов. «ИК в целом очень хорошо работает для осаждения на атомном уровне, - отмечает Фрикс, - например, для нанесения слоев галлия или кремниевых узоров на полупроводники. Обратите внимание, все эти операции выполняются в вакууме. Black IR также хорошо работает в вакууме и при высоких температурах ».

Он объясняет, что излучатели в черном инфракрасном диапазоне были разработаны для работы при температуре поверхности 1000 ° C. «Эти излучатели все твердотельные, поэтому вы можете поместить один в духовку, работающую при температуре 700-800 ° C, и она не пострадает. Однако, если для процесса требуются температуры намного выше, чем это, скажем, 1500 ° C или выше, тогда лучше подойдет коротковолновое ИК-излучение ».

Фрикс объясняет, что Black IR - это еще и технология прямой видимости. «Лучше для плоских или простых выпуклых / вогнутых поверхностей. Самая большая проблема связана с деталями или материалами, имеющими внутренние или внешние области, где что-то будет отбрасывать тень ».

Модуль black.infrared ( левый ) и тепловизионное изображение, показывающее однородность температуры ( справа ).
ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

Преимущества Black IR и потенциальные возможности применения композитных материалов

Фрикс отмечает, что black.infrared - это не инфракрасный излучатель на основе нити накала, который имеет тенденцию быть ярче в центре, чем по бокам. Вместо этого он производит очень однородную энергию на двумерной плоской поверхности излучателя, размер которой может варьироваться от 40 на 400 миллиметров до 100 на 100 миллиметров. «Мы также можем расположить черные ИК-излучатели мозаикой, чтобы создать планарное устройство размером до 400 на 400 миллиметров», - добавляет он.

По словам Фрикс, поскольку black.infrared является средневолновым ИК-устройством, оно относительно не дает дальтонизма (белый или темный). «Он не будет готовить черные материалы или недогревать желтые или белые материалы». И все же, как сообщается, для нагрева требуется менее 60 секунд. «Ватт на ватт - это не слишком дорого по сравнению с другими ИК-устройствами», - говорит Фрикс. «ИК дороже, чем конвекционная печь, но она обеспечивает скорость и эффективность, а также способность обеспечивать очень равномерную температуру, то есть отклонение менее плюс-минус 5 градусов».

Black IR потенциально может быть использован в производстве волокон, препрегов, композитных лент и, возможно, в процессах химического осаждения из паровой фазы (CVD), подобных тем, которые используются для производства графена и других нанокомпозитных материалов. Компания Fricks стремится к обсуждениям с производителями и поставщиками материалов для изучения и разработки дальнейших приложений в композитах.

Система humm3 для автоматической укладки волокон из термореактивных, термопластичных и сухих волокнистых композитов. ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

humm3 заменяет лазеры в AFP

Еще одна технология, которую Heraeus Noblelight представила на выставке CAMX 2018, - это humm3 . система автоматической укладки волокон (AFP) из термореактивного препрега, сухого волокна и термопластичных композитных лент. В системе humm3 используется ксеноновая лампа-вспышка, которая излучает несколько импульсов в секунду. В части 2 моей статьи 2018 года о консолидации термопластичных композитов на месте я описал на рис. 2, как лазеры, обычно используемые в термопластичных AFP, можно отличить по пурпурному свету от оранжевого света обычно инфракрасных (ИК) нагревателей. используется в термореактивном препреге AFP. Обратите внимание, что технология humm3 отличается от обеих технологий своим ярким белым светом.

ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

«Инфракрасные лампы относительно недороги, но они медленные и не могут достичь высоких температур, необходимых для аэрокосмических термопластов», - говорит Кайл Хадспет, менеджер по продажам системы humm3 Heraeus Noblelight в Северной и Южной Америке. «С другой стороны, лазеры очень быстро нагреваются и охлаждаются, но они дороги и требуют серьезных мер безопасности. Humm3 заполняет пробел на рынке быстрого, безопасного, компактного и экономичного обогрева AFP ».

Хадспет объясняет, что humm3 равномерно нагревает точку контакта AFP в широком диапазоне температур, от 50 ° C до измеренного в настоящее время максимума 600 ° C. Его также можно точно контролировать с помощью трех программируемых параметров:

Тепловое изображение укладки PEEK на роботизированной машине AFP. Оптика подачи кварца humm3 видна справа, указывая на точку контакта между подложкой и поступающим материалом. Скорость 6 метров в минуту была достигнута с хорошими результатами.
ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

• импульс энергии (насколько большой),
• длительность импульса (как долго)
• импульс частота (сколько раз в секунду).

Он добавляет, что время нагрева и температура примерно такие же, как у лазера, «но не требуется защитная лазерная будка, поэтому технические специалисты могут находиться рядом с укладкой во время работы».

В испытаниях по обработке ламинатов из полиэфирэфиркетона (PEEK), армированного углеродным волокном, Heraeus Noblelight продемонстрировала, что humm3 может производить высококачественные термопластичные ламинаты AFP с кристалличностью ≈35% и пористостью <2%, необходимыми для аэрокосмических композитных структур. В рамках программы ЕС Clean Sky 2 Центр технологий легкого производства (ZLP, Stade, Германия) работает с Heraeus Noblelight над разработкой humm3 в системе GroFi с несколькими роботами в Немецком аэрокосмическом центре (DLR) в Штаде. Работа направлена ​​на значительное увеличение содержания AFP для термопластичных композитных конструкций при соблюдении строгих требований к качеству.

Для сухих волокнистых ламинатов, которые будут обрабатываться с использованием вливания смолы или литья с переносом смолы (RTM), Hudspeth утверждает, что humm3 обеспечивает скорость укладки 1 метр в секунду и равномерный нагрев восьми или 16 лент шириной 0,25 дюйма каждая. Обогрев шириной 300 миллиметров может быть достигнут с помощью одной лампы и согласован с модульным источником питания и модульной конструкцией humm3 для дальнейшей адаптации системы AFP для еще больших зон нагрева. Оптика подачи кварца humm3 также настраивается для достижения точной формы зоны нагрева.

Демонстрация аэрокосмической продукции с использованием сухой волокнистой ленты Hexcel HiTape (слева) и смолы RTM6 (справа). ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

Система humm3 разрабатывается для обработки других композитов, включая термопластическую сварку, намотку нитей и прихватку нескольких композитных слоев для преформ. Хадспет отмечает, что humm3 - это зрелая, хорошо зарекомендовавшая себя технология, продемонстрированная в Национальном центре композитов (Бристоль, Великобритания) с 2016 года и получившая премию Королевы за инновации в Великобритании в 2015 году.

Для получения дополнительной информации посетите Heraeus Noblelight на стенде CAMX Y47.

ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight