文章摘要

热塑自动纤维铺放（AFP）原位固结质量高度依赖铺放头热输入，传统红外、激光热源存在热场不均、能耗高、材料吸收匹配差等痛点。本文搭建搭载氙弧闪光加热系统的六轴机器人 CF/PAEK 热塑 AFP 试验平台，开发水冷热流传感器、红外测温一体化多维度表征方案，系统研究灯管功率、石英导光块结构、物料距离三大变量对辐照热流分布的影响；基于实测热流数据建立瞬态有限元热仿真模型，区分加热、冷却两大阶段对流换热差异，仿真温度场与红外实测结果高度吻合。研究揭示石英五面导光块形成非对称立体热流包络，中心区域辐照强度远高于两端；加热阶段材料温度对对流系数不敏感，冷却阶段换热条件显著影响降温速率。整套表征 + 仿真体系可精准预判任意曲面铺层温度演化，无需大量试铺即可完成氙灯加热工艺参数优化，为高温热塑构件原位固结提质降本提供全新热源设计与工艺开发工具。

正文

一、核心突破

突破 1：全球系统性完成氙弧闪光灯 AFP 热源三维热流定量表征

现有 AFP 热研究集中于激光、红外热源，针对氙气脉冲闪光加热的量化试验极为稀缺。本文首创三轴移动热流测试工装，完成全空间多点辐照采集，构建立体热流分布包络，量化导光块各辐照面能量差异，填补新型脉冲式复合热源测试数据空白。

突破 2：区分加热 / 冷却阶段传热差异化规律，纠正单一换热系数建模误区

行业热仿真普遍采用统一对流换热系数，本文证实：0.2s 超短脉冲加热阶段热流占绝对主导，对流影响可忽略；长达 30s 冷却阶段空气对流成为控温核心，水平、竖直物料换热系数存在明显差值，分段建模大幅提升仿真预测精度。

突破 3：建立实测热流驱动的高精度瞬态热仿真标定体系

摒弃传统固定热载荷假设，将试验采集三维插值辐照场作为仿真边界条件，结合材料 DSC、激光闪测热物性参数完成模型校准，仿真升温、降温曲线与红外实测误差极小，实现任意铺放曲面温度提前预判。

突破 4：证实氙灯广谱辐射适配非均质碳纤复材

激光为单一窄带波长，易出现纤维 / 树脂吸收失衡；氙灯覆盖紫外 - 近红外全光谱，碳丝与 PAEK 基体同步高效吸热，铺层熔融更均匀，大幅减少局部欠熔、树脂降解缺陷，拓宽热塑工艺窗口。

二、技术创新

创新 1 多传感协同原位热流测试试验平台

核心硬件：六轴 AFP 机器人 + 氙弧闪光加热单元，配套三轴精密移动工装、水冷 Gardner 热流传感器（最高 1MW/m² 量程）、高速红外热像仪；
变量梯度试验：1240W/4132W/7025W 三档灯管功率，6/12/18mm 物料距离，分两层截面采集上百组空间热流数据；
标定方案：棋盘格红外校准，消除拍摄角度带来测温偏差，保证全幅温度测量一致性。

创新 2 五面体石英导光块立体辐照解析技术

导光结构创新：五斜面石英内部反射聚光，2/4 号辐照面能量最高，1/5 两端面辐照强度显著衰减；
RBF 径向基插值算法，由离散测点生成连续三维热流包络，可快速计算任意曲面上入射辐照数值；
距离衰减量化：随物料远离导光块，辐照强度非线性快速下降，高功率工况衰减幅度更大。

创新 3 CF/PAEK 全套热物性标准化测试流程

LFA 激光闪射仪测试热扩散系数，结合密度、DSC 比热计算平面导热系数；
DSC 氮气氛围 50–250℃升温扫描，获取不同温度下热容曲线；
全部物性数据导入仿真，消除材料热参数未知带来模型失真问题。

创新 4 分段瞬态有限元热仿真建模方法

双阶段分步求解：第一阶段脉冲加热（0.2s）施加热流边界；第二阶段自然冷却（30s）加载对流条件；
分区域对流赋值：平行导光面物料换热 60 W/(m²・K)，水平平放物料仅 35 W/(m²・K)；
网格与时步无关性验证，保证计算结果稳定可靠，兼顾精度与运算效率。

三、应用场景

航空高温热塑（CF/PEEK、CF/PAEK）AFP 量产产线（核心场景）

机身、发动机高温承载件原位铺放工艺开发，利用本文热流仿真提前匹配氙灯功率、物料间距，平衡树脂充分熔融与高温降解风险，减少层间孔隙、脱粘缺陷。

AFP 铺放头新型加热模块研发

设备厂商开发闪光式热源铺放头，复用整套热流表征测试方法，对比不同石英导光结构辐照均匀性，优化光路设计，降低激光等高成本热源采购投入。

双曲变曲率复材构件工艺前置仿真

压力容器、飞行器马鞍形蒙皮铺层温度预判，曲面不同区域距离导光块远近不一，通过三维热流包络自动分区设置灯管功率，全域熔融均匀。

热塑 AFP 数字孪生温度模块搭建

将氙灯辐照插值模型集成产线数字孪生，实时根据机器人 TCP 位置动态计算局部热输入，实现温度闭环调节。

高校复材热成型对标试验基准

提供完整热源表征、热物性、仿真标定标准化流程，可作为激光、红外、闪光多类加热方案横向对比试验统一范式。

四、文章总结

（一）核心研究结论

氙弧闪光灯依靠全光谱辐射，对碳纤 / 聚芳醚酮复材加热均匀性优于单色激光；五面体石英导光块形成非对称三维热场，2、4 面辐照能量最强；
灯管功率、物料到导光块距离是热流两大核心调控变量，辐照强度随距离呈非线性快速衰减；
3 AFP 热仿真必须分段处理加热、冷却阶段：脉冲加热对流可忽略，冷却阶段物料摆放角度直接决定换热系数大小；
基于实测三维热流插值的瞬态有限元模型可精准复现升温、降温全过程温度场，无需反复实物试铺优化工艺。

（二）工程应用价值

传统激光 AFP 设备购置、运维成本高昂，且窄带光源易造成树脂局部过热或熔融不足。本研究完整验证氙气闪光灯作为低成本替代热源的可行性，并提供从热流测量到仿真预判全套标准化工具。企业可依托该体系快速完成铺放头光路、工艺参数优化，降低热塑构件孔隙、分层缺陷，大幅缩减工艺迭代试制成本，推动高温热塑 AFP 规模化落地。

（三）当前研究局限

仅开展平板静态物料测试，未在球面、马鞍双曲模具动态铺放工况验证；仅针对 CF/PAEK 单一材料，未拓展 PEEK、PPA 等热塑体系；暂未搭建温度实时反馈闭环控制系统。

（四）未来拓展方向

动态机器人铺放工况下曲面热流与温度场实测验证；
多类高温热塑预浸带（PEEK、玻纤热塑）热源适配对比；
红外测温 - 氙灯功率实时闭环调控软硬件开发；
耦合热 - 力学多场仿真，建立温度 - 层间剪切强度量化关系。

（五）行业启示

热塑 AFP 原位固结质量核心在于全域均匀热输入，氙弧闪光脉冲热源具备成本低、广谱吸收两大突出优势，是下一代低成本高端铺放头核心加热方案。工艺开发不能依靠人工反复试铺，应采用 “多传感器热流表征 + 三维插值热仿真” 数字化路线，分加热、冷却阶段差异化传热建模，精准管控铺层峰值温度与熔融时长，平衡界面粘接与树脂热降解，大幅提升高温复材成型合格率。

图文导读