Революция в подаче энергии для эффективного производства композитов

Это мой второй блог в этой серии перед CAMX 2019, который подчеркивает ключевые технологии, которые фактически выставлялись на CAMX 2018. Этот блог центрируется на новой системе black.infrared компании Heraeus Noblelight, новом типе системы для обработки композитов, и ее технологии humm3, которая заменяет лазерные и инфракрасные нагреватели в машинах автоматической укладки волокна (AFP).

Инновации со светом

Heraeus Noblelight инновирует широкий спектр промышленных процессов, используя силу света. Для фона, весь свет — это электромагнитное излучение (ЭМИ) и имеет внутреннюю длину волны и частоту, как видно на диаграмме ниже. Heraeus Noblelight разрабатывает устройства, использующие свет на большой части этого спектра, от инфракрасных (ИК) излучателей до LED ламп и ультрафиолетовых (УФ) систем, а также дуговых и вспышечных ламп.

Свет по электромагнитному спектру 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 использовались десятилетиями, как видно в примере ниже. Система black.infrared, однако, — новая технология.

• Sunrez разработала УФ-отверждающую технологию для инфузии смолы и композитного ремонта в 1990-х.
• УФ-отверждающие эпоксидные покрытия стандартны во многих отраслях.
• УФ-отверждающая эпоксидная смола также используется пионерами непрерывного волокнистого 3D-печати, такими как Continuous Composites и moi composites.
• ИК нагрев очень распространен в автоматизированных производственных линиях композитов, где 2D адаптированные заготовки нужно предварительно нагреть до преформинга и/или преформы нужно предварительно нагреть до штамповки и переливки.

Система нагрева black.infrared Heraeus Noblelight для композитов. ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

Black.infrared

Heraeus Noblelight представила свою новую систему black.infrared на CAMX 2018. «Это средневолновой ИК излучатель, который доставляет много мощности в малом объеме», — объясняет Брюс Фрикс, старший менеджер по продажам ИК систем, Heraeus Noblelight America, LLC. Хотя Heraeus Noblelight имеет штаб-квартиру в Ханау, Германия, ее американский дивизион для ИК и вспышечных систем находится в Баффорде, Джорджия, а американский дивизион для УФ систем — в Гейтерсбурге, Мэриленд.

«Обычно для средневолнового ИК излучателя вы больше к плотности мощности 60 кВт/м²», — говорит Фрикс, — «но "Black IR" достигает 200 кВт/м². ИК — гораздо более эффективное средство ввода энергии в субстрат против нагрева всего воздуха вокруг него, но Black IR в три раза более эффективен по сравнению с конвекционной печью. Для инлайн-обработки это означает, что конвейер может работать в три раза быстрее или быть сокращен, чтобы занимать меньше места. Например, конвейер с 30-футовой печью может быть сокращен до 10-футовой печи с использованием Black IR».

На сегодня приложения для систем black.infrared включают сварку пластиков и нагрев тонких (микронных) фотоэлектрических пленок для солнечных элементов. «ИК, в целом, работает очень хорошо для атомного осаждения», — отмечает Фрикс, — «например, нанося слои галлия или узоры в кремнии для полупроводников. Обратите внимание, все эти операции выполняются в вакууме. Black IR также хорошо работает в вакууме и при высоких температурах».

Он объясняет, что излучатели black.infrared разработаны для работы с температурой поверхности 1000 °C. «Эти излучатели полностью твердотельные, так что вы можете положить один в печь, работающую при 700–800 °C, и он не пострадает. Однако если процесс требует температур гораздо выше этого, скажем 1500 °C или выше, то коротковолновой ИК был бы лучшим выбором».

Фрикс объясняет, что Black IR также является технологией прямой видимости. «Она лучше для плоских или простых выпуклых/вогнутых поверхностей. Самая большая проблема — с деталями или материалами, имеющими внутренние или внешние области, где что-то отбрасывает тень».

Модуль black.infrared (слева) и термическое изображение, показывающее равномерность температуры (справа). Источник | Heraeus Noblelight

Преимущества Black IR и потенциальные композитные применения

Фрикс отмечает, что black.infrared не является нитевым ИК излучателем, который склонен быть ярче в центре, чем по краям. Вместо этого она производит очень равномерную энергию по 2D плоской поверхности излучателя, которая может варьироваться от 40 мм на 400 мм до 100 мм на 100 мм. «Мы также можем плитовать Black IR излучатели для создания планарного устройства до 400 мм на 400 мм», — добавляет он.

Поскольку black.infrared — средневолновое ИК устройство, оно относительно нечувствительно к цвету (белое против темного), объясняет Фрикс. «Оно не перегреет черные материалы или недогреет желтые или белые материалы». И тем не менее, оно сообщенно разогревается менее чем за 60 секунд. «Ватт-за-ватт, это не terribely дорого по сравнению с другими ИК опциями», — говорит Фрикс. «ИК дороже конвекционной печи, но предлагает скорость и эффективность, а также способность обеспечивать очень равномерную температуру — то есть вариацию менее плюс-минус 5 градусов».

Black IR потенциально может использоваться в производстве волокон, препрегов, композитных лент и возможно процессах химического осаждения из паровой фазы (CVD), таких как используемые для производства графена и других нанокомпозитных материалов. Фрикс ищет дискуссии с производителями и поставщиками материалов для исследования и разработки дальнейших применений в композитах.

Система humm3 для автоматической укладки волокна термореактивных, термопластиковых и сухих волокнистых композитов. ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

humm3 заменяет лазеры в AFP

Другая технология, которую Heraeus Noblelight представила на CAMX 2018, — это ее система humm3 для автоматической укладки волокна (AFP) термореактивных препрегов, сухого волокна и термопластиковых композитных лент. Система humm3 использует ксенон-заполненную вспышечную лампу, которая пульсирует множество раз в секунду. В части 2 моей 2018 статьи о in-situ консолидации термопластиковых композитов я описал в Рис. 2, как лазеры, обычно используемые в термопластиковом AFP, можно отличить по их фиолетовому свету против оранжевого света инфракрасных (ИК) нагревателей, обычно используемых в термореактивном препрег AFP. Обратите внимание, что технология humm3 дифференцируется от обоих этих своим ярким белым светом.

ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

«Инфракрасные лампы относительно недороги, но они медленные и не могут достичь высоких температур, требуемых аэрокосмическими термопластиками», — говорит Кайл Хадспес, менеджер по продажам системы humm3 Heraeus Noblelight в Северной и Южной Америке. «С другой стороны, лазеры очень быстрые на нагрев и охлаждение, но они дорогие и требуют значительных мер безопасности. Humm3 заполняет пробел на рынке для быстрого, безопасного, компактного и экономичного нагрева для AFP».

Хадспес объясняет, что humm3 доставляет равномерный нагрев в точку контакта AFP на широком диапазоне температур, от 50 °C до текущего измеренного максимума 600 °C. Она также может быть точно контролирована с тремя программируемыми параметрами:

Термическое изображение укладки PEEK на роботизированной AFP машине. Кварцевая оптика доставки humm3 видна справа, направленная в точку контакта между субстратом и входящим материалом. Скорости 6 метров в минуту были достигнуты с хорошими качественными результатами. ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

• пульс энергии (как большой),
• пульс длительности (как долго)
• пульс частоты (сколько раз в секунду).

Он добавляет, что время нагрева и температура примерно те же, что и с лазером, «но не требуется защитная лазерная будка, так что техники могут быть близко к укладке во время операции».

В тестах на обработку углеродоволокнисто-усиленных полиэтериэтеркетон (PEEK) ламинатов, Heraeus Noblelight продемонстрировала, что humm3 может производить высококачественные термопластиковые AFP ламинаты с ≈35% кристалличностью и <2% пористостью, требуемыми для аэрокосмических композитных структур. Как часть программы Clean Sky 2 ЕС, Центр технологий легкого производства (ZLP, Стаде, Германия) работает с Heraeus Noblelight для разработки humm3 в мультироботной системе GroFi в Немецком аэрокосмическом центре (DLR) в Стаде. Работа направлена на значительное увеличение скоростей AFP для термопластиковых композитных структур при выполнении строгих требований качества.

Для сухих волокнистых ламинатов, которые будут обработаны с использованием инфузии смолы или формования переносом смолы (RTM), Хадспес заявляет, что humm3 обеспечивает скорость укладки 1 метр в секунду и равномерный нагрев через восемь или 16 лент, каждая 0,25 дюйма шириной. Нагрев через ширину 300 мм может быть достигнут с одной лампой и координирован с модульным блоком питания и модульным дизайном humm3 для дальнейшей адаптации AFP системы для еще более крупных нагревательных зон. Кварцевая оптика доставки humm3 также настраиваема для достижения точной формы зоны нагрева.

Демонстратор авиационной детали с использованием сухой ленты HiTape Hexcel (слева) и смолы RTM6 (справа). ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight

Система humm3 разрабатывается для других композитных процессов, включая термопластиковую сварку, намотку нити и приклеивание множественных композитных слоев для преформ. Хадспес отмечает, что humm3 — зрелая, хорошо проверенная технология, демонстрируемая в Национальном композитном центре (Бристоль, Великобритания) с 2016 года и победительница Queen's Award for Innovation в Великобритании в 2015 году.

Для дополнительных деталей посетите Heraeus Noblelight на стенде CAMX Y47.

ИСТОЧНИК | Heraeus Noblelight