為科里奧利復合材料公司的 SimuReal AFP 過程模擬軟件開發的光學模型能夠驗證 AFP過程中的能量分布，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合材料公司的 SimuReal 軟件中，通過使用激光加熱（綠松石錐）在熱塑性復合材料 AFP 零件（上面的多色矩形零件）上進行彩色熱映射，校正紅外相機入射角（右上角可見的紅外相機），以識別非均勻性和關鍵區域

使用激光加熱的熱塑性復合材料 AFP 過程中的過程現象。

自動纖維放置（AFP）是一種高效的工藝，可用于生產熱塑性基體復合材料零件。該過程涉及加熱、壓實和冷卻步驟，必須理解和控制這些步驟，以實現結構零件的最佳制造?？评飱W利復合材料公司（法國魁北克）提供 AFP 系統， 并與客戶合作， 使用內部開發的 CADFiber、CATFiber 和 SimuReal 軟件工具模擬和優化 AFP 工藝和生產的零件。

CADFiber 和 CATFiber 使層壓板堆疊和刀具路徑設計與有限元分析（FEA）和機器模擬相結合。然后， SimuReal 通過虛擬控制器和數字孿生模型，使用盡可能接近西門子 AFP 機器控制器和實際機器參數的算法，通過精確的速度變化來驗證這些層壓板和刀具路徑設計。這最大限度地減少了試運行的需要，并加快了從原型到生產的過渡。

一位客戶遇到了某個特定零件的性能問題，這使得該零件更容易出現故障。科里奧利研究了這個問題，發現這是由 AFP 工藝參數引起的，這些參數由于零件的幾何形狀而在層壓板中產生了溫度峰值。科里奧利團隊認為，可以通過提高在過程模擬和參數優化過程中準確測量零件受熱表面的能力來糾正這個問題。為了實現這一點，科里奧利在其 SimuReal 軟件中開發了一個熱映射數值函數，以更好地預測 AFP 零件中的熱分布。

AFP工藝參數

 

對于熱塑性復合材料帶，AFP 系統通常使用激光進行加熱，這提供了高能量密度以達到熔化聚合物所需的溫度，并在過程中進行有效控制，從而可靠、可重復地生產高質量零件 1。然而，AFP 疊層中的溫度分布可以通過工藝參數改變，包括激光功率、疊層速度和壓實力 2，3。

激光器和溫度測量設備（安裝在 AFP 機械臂上的緊湊型紅外（IR）相機）的幾何配置也需要考慮和優化，以正確控制傳入膠帶鋪設在基板上的夾點處的熱通量分布（圖 1）。在幾個實驗中，科里奧利測量了紅外相機入射角對夾點測量溫度的影響。根據結果，科里奧利根據紅外相機從 0°到 90°的入射角以及纖維在疊層基底中的取向，建立了測量溫度與預測溫度之間的偏差關系（在模擬和參數優化過程中）（圖 2），這也有影響。

顯示紅外相機的入射角和光纖在基板中的取向的圖。圖 2:影響溫度測量的因素?？评飱W利進行了實驗，以了解紅外相機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優化過程中疊層中的預測溫度與實際 AFP 過程中疊置中的測量溫度之間的偏差。

熱熱映射

 

為了說明測量溫度與預測溫度之間的這種偏差，制定了一個修正系數，然后應用該修正系數來確定疊層過程中夾點的實際溫度。根據上述觀察結果，并利用幾何分析，科里奧利開發了一個能夠實現熱映射功能的光學模型。然后將其集成到該公司的 SimuReal AFP 過程模擬軟件中。

光學模型基于光線相交技術，這是一種通過物理元素和介質追蹤光線以分析其相互作用和行為的數學模型。然后，該光學模型能夠驗證 AFP 過程中的能量分布，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的數學函數，以及識別過度暴露區域并提高加熱的均勻性。

SimuReal 中的光學模型是一種數字工具，通過預測陰影區域和非均勻加熱，使用加熱/功率分布的彩色圖正確識別關鍵區域，從而防止任何 AFP 零件出現加熱問題。這使程序員能夠更準確地優化零件生產的 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，以提高零件疊層過程中的熱均勻性。

降低零件故障風險

 

科里奧利將該數字工具應用于上述零件。模擬熱映射顯示了零件拐角處有四個關鍵區域的非均勻加熱（圖 1 和 3）。在這些區域，與230°C 的理論均勻溫度相比，上籃期間的平均溫度達到251°C±46°C（圖 3）。

顏色映射顯示，調整角部的熱配置將緩解零件平坦區域的變化，從而產生所需的均勻加熱。確定了導致熱不均勻性的幾個工藝參數：紅外相機入射角、激光束角度、熱暴露時間和鋪放速度。紅外相機的入射角和激光加熱的角度在角部AFP鋪放過程中發生了變化，光學器件和表面之間的距離也發生了變化。這影響了材料吸收的能量和紅外相機的溫度測量。這導致在這些區域記錄的溫度和整個零件的熱均勻性存在顯著差異。

科里奧利致力于優化這些參數，這些參數通過連續迭代得到解決。使用這種方法，科里奧利能夠糾正AFP過程，并在零件鋪放過程中實現熱均勻性，從而提高零件的穩定性和質量。

注：原文見，《 Heat mapping simulation to improve AFP parts 》2023.4.27