Projet Clean Sky 2 FRAMES : simulations thermiques AFP améliorées pour composites thermoplastiques avec lampe flash xénon

L'objectif principal du projet Clean Sky 2 (CS2) FRAMES, débuté en juillet 2020, est de valider une approche de fabrication utilisée pour produire le Démonstrateur Arrière Avancé fabriqué par le Centre aérospatial allemand (DLR) dans le cadre de la plateforme technologique CS2 pour avions gros porteurs (LPA). Ce démonstrateur vise à apporter des solutions fiables et compétitives pour la simulation de chauffage pendant le placement automatisé de fibres (AFP) afin d'atteindre une fabrication à haut cadence de raidisseurs thermoplastiques et d'outillage auto-chauffant pour soutenir la co-consolidation d'un assemblage peau-raidisseur.

Pour plus de contexte sur comment FRAMES s'inscrit dans les objectifs du projet Démonstrateur Arrière Avancé, voir la dernière section de cet article.

Modélisation optico-thermique du système de chauffage par lampe flash xénon

L'AFP de composites thermoplastiques renforcés fibres de carbone (CFRTP) a principalement reposé sur le chauffage laser pour atteindre les hautes températures nécessaires au traitement de matériaux à matrice thermoplastique haute performance tels que PEEK (polyétheréthercétone), PEKK (polyéthercétonecétone) et LM-PAEK (polyaryléthercétone bas-fusion). Cependant, une nouvelle technologie a émergé, basée sur une lampe flash xénon pulsée. Dans cette méthode, des impulsions de haute énergie et courte durée délivrées par une source de chaleur broadband puissante sont collectées et délivrées par un guide de lumière en quartz. Positionné près du point de nip de la tête AFP, le guide de lumière en quartz forme et positionne l'énergie lumineuse pour chauffer le substrat et les tows entrants avant la consolidation sous un rouleau de compactage. Ce système de lampe flash xénon a démontré qu'il égalait le temps de réponse rapide d'un laser et atteignait les températures requises pour traiter les composites thermoplastiques.

Pendant le traitement AFP, l'impulsion de la lampe flash xénon doit être contrôlée pour tenir compte des changements de vitesse et géométrie et maintenir une température cible. Cela est réalisé en variant l'énergie, la durée et la fréquence de l'impulsion de la lampe flash. Pour optimiser ces paramètres, un modèle de simulation optico-thermique a été créé qui utilise des techniques de traçage de rayons optiques (calcul de l'angle de réfraction/réflexion à chaque surface) pour caractériser la source de lampe flash, ainsi que l'analyse par éléments finis (FEA) pour prédire la température de traitement résultante. En utilisant ces outils de simulation, l'essai-erreur peut être évité ; les paramètres d'impulsion peuvent être choisis pour atteindre une température de traitement désirée sans essais physiques coûteux et chronophages.

Heraeus Noblelight (Cambridge, Royaume-Uni) dirige le développement du modèle optico-thermique appliqué à son système de lampe flash Humm3. Le processus pour créer une simulation fiable implique la caractérisation optique de la source de lampe flash xénon utilisant des mesures goniométriques (rotation autour d'un axe) et des mesures d'irradiance spectrale (énergie lumineuse reçue par la surface) qui sont ensuite utilisées pour déterminer les niveaux d'énergie spectrale, la distribution spatiale et l'efficacité énergétique électrique-radiative de la source.

Mesure de l'énergie spectrale

La Fig. 1 ci-dessous montre le dispositif expérimental conçu pour déterminer l'émission d'énergie d'une lampe flash xénon par rapport à la longueur d'onde en utilisant des mesures d'irradiance spectrale. Dans ce système, la lumière de la lampe flash xénon va dans un détecteur à une distance prédéfinie (typiquement 0,5 à 1 mètre, à gauche ci-dessous). Cette lumière est ensuite transportée via un câble optique dans un système double-monochromateur (en bas à gauche ci-dessous) qui détermine l'intensité lumineuse à une longueur d'onde spécifique. Cela résulte en un tracé détaillé d'irradiance spectrale de la source lumineuse – dans ce cas, la courbe d'émission complète de l'énergie lumineuse xénon de la lampe flash Humm3 est mesurée (Fig. 2).

Mesure de l'efficacité énergétique

L'efficacité du système a également été évaluée en utilisant une sphère intégrante (Fig. 3) au laboratoire Heraeus à Hanau, Allemagne pour déterminer avec précision l'énergie spectrale sortant du guide de lumière Humm3 à différents niveaux de tension. La sphère présente une surface diffuse hautement réfléchissante qui dirige pratiquement toute l'énergie optique sortant de la tête de lampe flash vers un détecteur double-monochromateur. En modulant l'énergie d'impulsion pour une durée et fréquence d'impulsion données, la puissance optique moyenne sortant de la tête Humm3 est mesurée en fonction de la longueur d'onde pour une gamme de tensions de lampe flash.

Analyse de la distribution angulaire de l'énergie

La position de la tête de lampe flash par rapport au point de nip de la tête AFP est aussi un aspect critique pour atteindre une stratification composites de haute qualité. En parallèle aux mesures de puissance de sortie, la variation d'intensité lumineuse de la lampe flash xénon par rapport à son angle depuis la source a été mesurée. Toutes les mesures ont été normalisées pour étudier la distribution angulaire de l'énergie plutôt que la puissance de sortie absolue à ce stade. Ces résultats ont été utilisés pour valider une simulation de traçage de rayons de la lampe flash pour prédire comment l'énergie des impulsions de lampe flash est distribuée entre le substrat, le point de nip et les tows entrants.

L'analyse de traçage de rayons optiques (Fig. 4) – réalisée avec le logiciel TracePro (Lambda Research Corp., Littleton, Massachusetts, États-Unis) – est ensuite détaillée pour calculer les profils d'irradiance de surface sur le tow et le substrat composites. Ces profils d'irradiance sont utilisés comme conditions aux limites d'entrée pour la simulation thermique. Le comportement optique et thermique des bandes LM-PAEK renforcées fibres de carbone a également été caractérisé pour alimenter le modèle aux températures de traitement pertinentes.

Validation par essais physiques

En étape de validation, des essais AFP physiques ont été réalisés chez Compositadour (Bayonne, France) pour montrer la capacité de la simulation à prédire les valeurs de température observées pendant le dépôt AFP réel. La thermographie infrarouge et des thermocouples minces intégrés dans les stratifiés composites ont été utilisés pour mesurer les températures de traitement pendant les essais AFP. Les mesures semblent montrer un accord raisonnable avec les profils de température prédits dans la région proche du point de nip et à travers l'épaisseur.

Ces mesures mettent cependant en évidence l'influence de l'outillage sur la gestion thermique pour les premiers plis. Au début de la stratification, les premiers plis sont très proches de la surface de l'outil, qui peut agir comme un puits de chaleur. Pour cette raison, un outillage chauffé a été utilisé. La température de l'outil a une forte influence sur la température du point de nip AFP.

Pendant cette phase initiale de stratification, les paramètres d'impulsion pour la lampe flash xénon doivent être ajustés pour maintenir la température du point de nip constante. Mais une fois quelques plis déposés, la stratification commence à devenir une sorte de couche isolante et l'influence de la température de l'outil diminue. À ce stade du procédé, il n'y a plus besoin d'ajustements supplémentaires des paramètres d'impulsion.

Pendant les essais de validation du projet FRAMES, un outillage chauffé a été utilisé pour évaluer différentes températures de traitement pendant l'AFP, explique Guillaume Fourage, ingénieur en chef projets composites chez Compositadour. « L'approche de fabrication pour le démonstrateur arrière avancé n'est pas encore figée et nous évaluons différentes options pour la stratification de la peau dans le but de trouver le bon équilibre entre temps de procédé, consommation d'énergie et qualité de stratification. Changer la température de surface de l'outil nous oblige à ajuster les paramètres d'impulsion en conséquence pour atteindre la bonne température du point de nip. Cela fait partie du plan de développement du modèle optico-thermique et nous aide à augmenter la fiabilité et la robustesse de la simulation sous différentes conditions de stratification. »

Ce modèle de simulation est maintenant adapté à la configuration finale du système de chauffage et d'outillage qui sera utilisée pour fabriquer le démonstrateur composite thermoplastique Arrière Avancé (ARE) CS2. Les pièces sont fabriquées en 2021 pour assemblage en 2022 avec l'objectif d'atteindre TRL 6 d'ici la fin du projet en 2023. En parallèle, un niveau de maturité de fabrication (MRL) de 5/6 est visé, non seulement pour le démonstrateur ARE, mais aussi pour les procédés et outils de fabrication associés en développement. Les objectifs globaux du projet démonstrateur ARE incluent : Réduire les coûts jusqu'à 20%, le poids des composants jusqu'à 20% et la consommation de carburant jusqu'à 1,5%, ainsi qu'améliorer l'aérodynamique en ligne avec les objectifs environnementaux de Clean Sky.

Ce projet a reçu un financement de l'Entreprise Commune Clean Sky 2 (JU) sous accord de subvention No 886549. La JU reçoit le soutien du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union Européenne et des membres de Clean Sky 2 JU autres que l'Union.

Pour plus d'informations, contacter Guillaume Fourage, g.fourage@estia.fr