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碳纖維增強復合材料結構的激光切割介紹

2018-10-19 11:54:24 作者：本網整理來源：榮格工業資源網分享至：

充分利用資源是當今時代最大的挑戰之一。為了解決這一問題，輕量化的概念已深入到汽車航空航天等交通領域。為了擴大輕質材料和部件的使用，需要能對各種材料進行適當加工、測試和測量的技術，這是實現經濟、靈活和自動化大批量生產的先決條件。在這方面，光子技術可以提供有價值的解決方案。

由于激光器的工作模式具備高度的柔性和非接觸性，不會發生磨損，因此它為材料加工提供了許多好處，特別是作為對受刀具嚴重磨損制約的傳統加工方法的替代。此外，可根據各自的要求定制能量輸入，為加工對溫度敏感的復合材料結構提供了新的可能性。

圖1：用于資源高效型輕量化建設的光子工藝和工具計劃由聯邦教育與研究部支持，并由Laser Zentrum Hannover 協調

在支持德國光子研究計劃框架內的措施中，德國聯邦教育與研究部（BMBF；德國波恩）將目標確定為克服批量生產中廣泛采用的輕質材料所存在的制約因素。對于相應的研發（R&D）活動，BMBF提供了總額約為3000萬歐元的資金。用于資源高效型輕量化建設，采用了用光子工藝，該計劃由Laser Zentrum Hannover（德國漢諾威，圖1）進行協調。

計劃活動

這個研究計劃包含了9個業界領導下的合作項目，分別致力于激光源和光學元件、以及系統技術和應用的開發。除了用于金屬部件和混合材料的焊接技術和表面預處理加工外，基于激光的復合材料（特別是不可勝數的碳纖維和玻璃纖維增強塑料）加工，構成了BMBF計劃的核心議題。

在這方面，重要的研發活動集中在復合材料加工上，包括樹脂傳遞模塑（RTM）部件的切割和鉆削、機器人引導的三維（3D）掃描光學器件、以及使用短脈沖激光輻射的碳纖維增強塑料（CFRP）的修復準備。進一步的實例包括用于粘合劑應用的復合材料表面準備、直接粘合、金屬-金屬界面的連接，以及復合材料-金屬混合物。

圖2：汽車 CFRP 部件遙控激光加工實例

在激光材料加工領域，連續的CFRP基部件和組件代表了相對較新的材料類別，在低密度下表現出優異的力學性能。因此，已確認這些復合材料在輕質建筑中具有實現廣泛工業應用的巨大潛力。

應對挑戰

在CFRP零部件的制造工藝中，修整、銑削和燒蝕步驟舉足輕重。另外一項是材料的逐層去除，以準備由于纖維和基體缺陷或由于纖維與基體粘合不良而引起的復合材料結構的修復或返工。在此背景下，當涉及CFRP加工要求時，傳統的加工技術，如銑削、鉆削、磨削或磨料水射流切割（這些技術已針對各種現有材料獲得了很好的發展），遭遇到工具嚴重磨損、質量欠佳、設置復雜或靈活性不足等制約。

其主要原因是CFRP材料構造的異質性。以熱固性或熱塑性聚合物為基質，將兩種碳纖維組合為織物或非卷曲織物，從而產生單獨材料性質迥然不同的一種統一材料，其結果是從材料加工層面提出了獨特的挑戰。此外，在切割材料時，必須同步處理兩種成分，這造成了巨大的困難。在這方面，CFRP組件的加工帶來了很多挑戰。

光子工藝可以為許多這些因素提供解決方案，包括激光的高柔性、無接觸和無磨損機制，為這種材料的加工提供了優勢。局部性的、可調的能量輸入為處理復雜的部件或溫度敏感型材料提供了新的機會。然而，在批量生產中實施基于激光的工藝需要對過程和高度自動化有透徹的理解，并將環境和職業安全方面的因素納入考慮。

如果用近紅外激光處理CFRP，與基體材料相反，碳纖維會表現出優異的光吸收和散熱性能。因此，熱量從激光器聚焦點耗散到材料中是由纖維的熱傳導驅動的。基體則由通過纖維傳遞的熱量間接加熱。

為了切割CFRP，需要同時達到熱塑性基體材料的熔化溫度或熱固性體系的分解溫度，以及增強碳纖維的升華溫度。解決這個問題的方法之一是使用短脈沖納秒激光器，正如在HolQueSt3D聯合研究項目中所演示的那樣。

工藝的開發

基于面向汽車工業的輕量化部件，LZH已經開發了用于3D復合材料結構的遙控切割工藝（圖2）。通快（德國迪欽根）最新研制的高功率圓盤激光器被用作基本的工藝技術。該光纖引導激光源的發射波長為1030nm，最大平均輸出功率為1.5kW。

在恒定脈沖長度為30 ns時，可實現80 mJ的最大脈沖能量，重復頻率為18.8 kHz。

為了對汽車部件進行遙控加工，KMS Automation（德國施拉姆堡）設計了一個夾持系統，它解決了激光加工CFRP部件的一系列要求。要求之一是用于過程排放的集成排氣系統。具體加工由工業機器人系統執行，包括一個附加的轉動傾斜臺，承載經調整的復合部件夾持裝置。機器人引導可編程聚焦光學器件（PFO）作為加工頭，沿切割輪廓運動。項目合作伙伴大眾（德國沃爾夫斯堡）和INVENT（德國布朗什威格）針對激光加工對部件特性和可能的后續工藝（例如，底漆和面漆步驟）的影響進行了研究。

圖 3：用于修復過程準備的基于激光的 CFRP表面燒蝕

另一個重點是開發2D和3D組件的適應修復概念。為此，LZH開發了用于缺陷區域清理的工藝策略。憑借系統技術的靈活性，可以對復雜自由曲面進行大面積清理（圖3）。在激光前處理之后，用克勞斯塔爾工業大學（德國克勞斯塔爾·采勒費爾德）開發的修復概念，可在壓力釜中對部件進行修復而不會發生硬化，從而有望實現更靈活、更具成本效益的工藝。

檢測和分析工藝排放物，以及開發符合CFRP工藝要求的催化廢氣處理系統，均發揮了重要作用。來自德國耶拿的Jenoptik Automatisierungstechnik基于加工過程中的排放檢測，開發了一個可完全再生、連續工作的排氣凈化系統。作為相關最終用戶，大眾公司在整個項目期間為該工藝的開發提供了支持，并對其批量生產的適用性進行了評估。通過處理汽車工業中使用的現有部件，所開發的工藝的適用性在項目結束時得到了證明。

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責任編輯：韓鑫

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