English
簡(jiǎn)體中文
為科里奧利復(fù)合材料公司的 SimuReal AFP 過(guò)程模擬軟件開(kāi)發(fā)的光學(xué)模型能夠驗(yàn)證 AFP過(guò)程中的能量分布，從而更好地定義加熱定律。
圖1. SimuReal 熱映射模擬。熱映射集成到科里奧利復(fù)合材料公司的 SimuReal 軟件中，通過(guò)使用激光加熱（綠松石錐）在熱塑性復(fù)合材料 AFP 零件（上面的多色矩形零件）上進(jìn)行彩色熱映射，校正紅外相機(jī)入射角（右上角可見(jiàn)的紅外相機(jī)），以識(shí)別非均勻性和關(guān)鍵區(qū)域
使用激光加熱的熱塑性復(fù)合材料 AFP 過(guò)程中的過(guò)程現(xiàn)象。
自動(dòng)纖維放置（AFP）是一種高效的工藝，可用于生產(chǎn)熱塑性基體復(fù)合材料零件。該過(guò)程涉及加熱、壓實(shí)和冷卻步驟，必須理解和控制這些步驟，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)零件的最佳制造。科里奧利復(fù)合材料公司（法國(guó)魁北克）提供 AFP 系統(tǒng)， 并與客戶(hù)合作， 使用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的 CADFiber、CATFiber 和 SimuReal 軟件工具模擬和優(yōu)化 AFP 工藝和生產(chǎn)的零件。
CADFiber 和 CATFiber 使層壓板堆疊和刀具路徑設(shè)計(jì)與有限元分析（FEA）和機(jī)器模擬相結(jié)合。然后， SimuReal 通過(guò)虛擬控制器和數(shù)字孿生模型，使用盡可能接近西門(mén)子 AFP 機(jī)器控制器和實(shí)際機(jī)器參數(shù)的算法，通過(guò)精確的速度變化來(lái)驗(yàn)證這些層壓板和刀具路徑設(shè)計(jì)。這最大限度地減少了試運(yùn)行的需要，并加快了從原型到生產(chǎn)的過(guò)渡。
一位客戶(hù)遇到了某個(gè)特定零件的性能問(wèn)題，這使得該零件更容易出現(xiàn)故障。科里奧利研究了這個(gè)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這是由 AFP 工藝參數(shù)引起的，這些參數(shù)由于零件的幾何形狀而在層壓板中產(chǎn)生了溫度峰值。科里奧利團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，可以通過(guò)提高在過(guò)程模擬和參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)量零件受熱表面的能力來(lái)糾正這個(gè)問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，科里奧利在其 SimuReal 軟件中開(kāi)發(fā)了一個(gè)熱映射數(shù)值函數(shù)，以更好地預(yù)測(cè) AFP 零件中的熱分布。
AFP工藝參數(shù)
對(duì)于熱塑性復(fù)合材料帶，AFP 系統(tǒng)通常使用激光進(jìn)行加熱，這提供了高能量密度以達(dá)到熔化聚合物所需的溫度，并在過(guò)程中進(jìn)行有效控制，從而可靠、可重復(fù)地生產(chǎn)高質(zhì)量零件 1。然而，AFP 疊層中的溫度分布可以通過(guò)工藝參數(shù)改變，包括激光功率、疊層速度和壓實(shí)力 2，3。
激光器和溫度測(cè)量設(shè)備（安裝在 AFP 機(jī)械臂上的緊湊型紅外（IR）相機(jī)）的幾何配置也需要考慮和優(yōu)化，以正確控制傳入膠帶鋪設(shè)在基板上的夾點(diǎn)處的熱通量分布（圖 1）。在幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，科里奧利測(cè)量了紅外相機(jī)入射角對(duì)夾點(diǎn)測(cè)量溫度的影響。根據(jù)結(jié)果，科里奧利根據(jù)紅外相機(jī)從 0°到 90°的入射角以及纖維在疊層基底中的取向，建立了測(cè)量溫度與預(yù)測(cè)溫度之間的偏差關(guān)系（在模擬和參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中）（圖 2），這也有影響。
顯示紅外相機(jī)的入射角和光纖在基板中的取向的圖。圖 2:影響溫度測(cè)量的因素。科里奧利進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以了解紅外相機(jī)和基底之間的入射角（α）以及基底中的纖維取向（β）的變化如何影響模擬和參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中疊層中的預(yù)測(cè)溫度與實(shí)際 AFP 過(guò)程中疊置中的測(cè)量溫度之間的偏差。
熱熱映射
為了說(shuō)明測(cè)量溫度與預(yù)測(cè)溫度之間的這種偏差，制定了一個(gè)修正系數(shù)，然后應(yīng)用該修正系數(shù)來(lái)確定疊層過(guò)程中夾點(diǎn)的實(shí)際溫度。根據(jù)上述觀察結(jié)果，并利用幾何分析，科里奧利開(kāi)發(fā)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)熱映射功能的光學(xué)模型。然后將其集成到該公司的 SimuReal AFP 過(guò)程模擬軟件中。
光學(xué)模型基于光線(xiàn)相交技術(shù)，這是一種通過(guò)物理元素和介質(zhì)追蹤光線(xiàn)以分析其相互作用和行為的數(shù)學(xué)模型。然后，該光學(xué)模型能夠驗(yàn)證 AFP 過(guò)程中的能量分布，并幫助 AFP 程序員更好地定義加熱定律，即與激光功率和鋪放速度相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)，以及識(shí)別過(guò)度暴露區(qū)域并提高加熱的均勻性。
SimuReal 中的光學(xué)模型是一種數(shù)字工具，通過(guò)預(yù)測(cè)陰影區(qū)域和非均勻加熱，使用加熱/功率分布的彩色圖正確識(shí)別關(guān)鍵區(qū)域，從而防止任何 AFP 零件出現(xiàn)加熱問(wèn)題。這使程序員能夠更準(zhǔn)確地優(yōu)化零件生產(chǎn)的 AFP 工藝，包括修改激光功率/鋪放速度的比率。
圖 3. 校正不均勻加熱
該圖顯示了客戶(hù)零件（頂部，A）疊層期間的溫度峰值。在底部的熱映射模擬中，這些可以在零件的角落中看到，該模擬用于校正必要的AFP 工藝參數(shù)，以提高零件疊層過(guò)程中的熱均勻性。
降低零件故障風(fēng)險(xiǎn)
科里奧利將該數(shù)字工具應(yīng)用于上述零件。模擬熱映射顯示了零件拐角處有四個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的非均勻加熱（圖 1 和 3）。在這些區(qū)域，與230°C 的理論均勻溫度相比，上籃期間的平均溫度達(dá)到251°C±46°C（圖 3）。
顏色映射顯示，調(diào)整角部的熱配置將緩解零件平坦區(qū)域的變化，從而產(chǎn)生所需的均勻加熱。確定了導(dǎo)致熱不均勻性的幾個(gè)工藝參數(shù)：紅外相機(jī)入射角、激光束角度、熱暴露時(shí)間和鋪放速度。紅外相機(jī)的入射角和激光加熱的角度在角部AFP鋪放過(guò)程中發(fā)生了變化，光學(xué)器件和表面之間的距離也發(fā)生了變化。這影響了材料吸收的能量和紅外相機(jī)的溫度測(cè)量。這導(dǎo)致在這些區(qū)域記錄的溫度和整個(gè)零件的熱均勻性存在顯著差異。
科里奧利致力于優(yōu)化這些參數(shù)，這些參數(shù)通過(guò)連續(xù)迭代得到解決。使用這種方法，科里奧利能夠糾正AFP過(guò)程，并在零件鋪放過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱均勻性，從而提高零件的穩(wěn)定性和質(zhì)量。
注：原文見(jiàn)，《 Heat mapping simulation to improve AFP parts 》2023.4.27