为科里奥利复合材料公司的 SimuReal AFP 过程模拟软件开发的光学模型能够验证 AFP过程中的能量分布，从而更好地定义加热定律。

图1. SimuReal 热映射模拟。热映射集成到科里奥利复合材料公司的 SimuReal 软件中，通过使用激光加热（绿松石锥）在热塑性复合材料 AFP 零件（上面的多色矩形零件）上进行彩色热映射，校正红外相机入射角（右上角可见的红外相机），以识别非均匀性和关键区域

使用激光加热的热塑性复合材料 AFP 过程中的过程现象。

自动纤维放置（AFP）是一种高效的工艺，可用于生产热塑性基体复合材料零件。该过程涉及加热、压实和冷却步骤，必须理解和控制这些步骤，以实现结构零件的最佳制造。科里奥利复合材料公司（法国魁北克）提供 AFP 系统， 并与客户合作， 使用内部开发的 CADFiber、CATFiber 和 SimuReal 软件工具模拟和优化 AFP 工艺和生产的零件。

CADFiber 和 CATFiber 使层压板堆叠和刀具路径设计与有限元分析（FEA）和机器模拟相结合。然后， SimuReal 通过虚拟控制器和数字孪生模型，使用尽可能接近西门子 AFP 机器控制器和实际机器参数的算法，通过精确的速度变化来验证这些层压板和刀具路径设计。这最大限度地减少了试运行的需要，并加快了从原型到生产的过渡。

一位客户遇到了某个特定零件的性能问题，这使得该零件更容易出现故障。科里奥利研究了这个问题，发现这是由 AFP 工艺参数引起的，这些参数由于零件的几何形状而在层压板中产生了温度峰值。科里奥利团队认为，可以通过提高在过程模拟和参数优化过程中准确测量零件受热表面的能力来纠正这个问题。为了实现这一点，科里奥利在其 SimuReal 软件中开发了一个热映射数值函数，以更好地预测 AFP 零件中的热分布。

AFP工艺参数

 

对于热塑性复合材料带，AFP 系统通常使用激光进行加热，这提供了高能量密度以达到熔化聚合物所需的温度，并在过程中进行有效控制，从而可靠、可重复地生产高质量零件 1。然而，AFP 叠层中的温度分布可以通过工艺参数改变，包括激光功率、叠层速度和压实力 2，3。

激光器和温度测量设备（安装在 AFP 机械臂上的紧凑型红外（IR）相机）的几何配置也需要考虑和优化，以正确控制传入胶带铺设在基板上的夹点处的热通量分布（图 1）。在几个实验中，科里奥利测量了红外相机入射角对夹点测量温度的影响。根据结果，科里奥利根据红外相机从 0°到 90°的入射角以及纤维在叠层基底中的取向，建立了测量温度与预测温度之间的偏差关系（在模拟和参数优化过程中）（图 2），这也有影响。

显示红外相机的入射角和光纤在基板中的取向的图。图 2:影响温度测量的因素。科里奥利进行了实验，以了解红外相机和基底之间的入射角（α）以及基底中的纤维取向（β）的变化如何影响模拟和参数优化过程中叠层中的预测温度与实际 AFP 过程中叠置中的测量温度之间的偏差。

热热映射

 

为了说明测量温度与预测温度之间的这种偏差，制定了一个修正系数，然后应用该修正系数来确定叠层过程中夹点的实际温度。根据上述观察结果，并利用几何分析，科里奥利开发了一个能够实现热映射功能的光学模型。然后将其集成到该公司的 SimuReal AFP 过程模拟软件中。

光学模型基于光线相交技术，这是一种通过物理元素和介质追踪光线以分析其相互作用和行为的数学模型。然后，该光学模型能够验证 AFP 过程中的能量分布，并帮助 AFP 程序员更好地定义加热定律，即与激光功率和铺放速度相关的数学函数，以及识别过度暴露区域并提高加热的均匀性。

SimuReal 中的光学模型是一种数字工具，通过预测阴影区域和非均匀加热，使用加热/功率分布的彩色图正确识别关键区域，从而防止任何 AFP 零件出现加热问题。这使程序员能够更准确地优化零件生产的 AFP 工艺，包括修改激光功率/铺放速度的比率。

图 3. 校正不均匀加热

该图显示了客户零件（顶部，A）叠层期间的温度峰值。在底部的热映射模拟中，这些可以在零件的角落中看到，该模拟用于校正必要的AFP 工艺参数，以提高零件叠层过程中的热均匀性。

降低零件故障风险

 

科里奥利将该数字工具应用于上述零件。模拟热映射显示了零件拐角处有四个关键区域的非均匀加热（图 1 和 3）。在这些区域，与230°C 的理论均匀温度相比，上篮期间的平均温度达到251°C±46°C（图 3）。

颜色映射显示，调整角部的热配置将缓解零件平坦区域的变化，从而产生所需的均匀加热。确定了导致热不均匀性的几个工艺参数：红外相机入射角、激光束角度、热暴露时间和铺放速度。红外相机的入射角和激光加热的角度在角部AFP铺放过程中发生了变化，光学器件和表面之间的距离也发生了变化。这影响了材料吸收的能量和红外相机的温度测量。这导致在这些区域记录的温度和整个零件的热均匀性存在显著差异。

科里奥利致力于优化这些参数，这些参数通过连续迭代得到解决。使用这种方法，科里奥利能够纠正AFP过程，并在零件铺放过程中实现热均匀性，从而提高零件的稳定性和质量。

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