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碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的激光切割介紹

2018-10-19 11:54:24 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：榮格工業(yè)資源網(wǎng) 分享至：

充分利用資源是當(dāng)今時(shí)代最大的挑戰(zhàn)之一。為了解決這一問(wèn)題，輕量化的概念已深入到汽車(chē)航空航天等交通領(lǐng)域。為了擴(kuò)大輕質(zhì)材料和部件的使用，需要能對(duì)各種材料進(jìn)行適當(dāng)加工、測(cè)試和測(cè)量的技術(shù)，這是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、靈活和自動(dòng)化大批量生產(chǎn)的先決條件。在這方面，光子技術(shù)可以提供有價(jià)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(huì)發(fā)生磨損，因此它為材料加工提供了許多好處，特別是作為對(duì)受刀具嚴(yán)重磨損制約的傳統(tǒng)加工方法的替代。此外，可根據(jù)各自的要求定制能量輸入，為加工對(duì)溫度敏感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。

圖1：用于資源高效型輕量化建設(shè)的光子工藝和工具計(jì)劃由聯(lián)邦教育與研究部支持，并由Laser Zentrum Hannover 協(xié)調(diào)

在支持德國(guó)光子研究計(jì)劃框架內(nèi)的措施中，德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF；德國(guó)波恩）將目標(biāo)確定為克服批量生產(chǎn)中廣泛采用的輕質(zhì)材料所存在的制約因素。對(duì)于相應(yīng)的研發(fā)（R&D）活動(dòng)，BMBF提供了總額約為3000萬(wàn)歐元的資金。用于資源高效型輕量化建設(shè)，采用了用光子工藝，該計(jì)劃由Laser Zentrum Hannover（德國(guó)漢諾威，圖1）進(jìn)行協(xié)調(diào)。

計(jì)劃活動(dòng)

這個(gè)研究計(jì)劃包含了9個(gè)業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)下的合作項(xiàng)目，分別致力于激光源和光學(xué)元件、以及系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。除了用于金屬部件和混合材料的焊接技術(shù)和表面預(yù)處理加工外，基于激光的復(fù)合材料（特別是不可勝數(shù)的碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料）加工，構(gòu)成了BMBF計(jì)劃的核心議題。

在這方面，重要的研發(fā)活動(dòng)集中在復(fù)合材料加工上，包括樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）部件的切割和鉆削、機(jī)器人引導(dǎo)的三維（3D）掃描光學(xué)器件、以及使用短脈沖激光輻射的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的修復(fù)準(zhǔn)備。進(jìn)一步的實(shí)例包括用于粘合劑應(yīng)用的復(fù)合材料表面準(zhǔn)備、直接粘合、金屬-金屬界面的連接，以及復(fù)合材料-金屬混合物。

圖2：汽車(chē) CFRP 部件遙控激光加工實(shí)例

在激光材料加工領(lǐng)域，連續(xù)的CFRP基部件和組件代表了相對(duì)較新的材料類(lèi)別，在低密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。因此，已確認(rèn)這些復(fù)合材料在輕質(zhì)建筑中具有實(shí)現(xiàn)廣泛工業(yè)應(yīng)用的巨大潛力。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

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(xiàng)是材料的逐層去除，以準(zhǔn)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修復(fù)或返工。在此背景下，當(dāng)涉及CFRP加工要求時(shí)，傳統(tǒng)的加工技術(shù)，如銑削、鉆削、磨削或磨料水射流切割（這些技術(shù)已針對(duì)各種現(xiàn)有材料獲得了很好的發(fā)展），遭遇到工具嚴(yán)重磨損、質(zhì)量欠佳、設(shè)置復(fù)雜或靈活性不足等制約。

其主要原因是CFRP材料構(gòu)造的異質(zhì)性。以熱固性或熱塑性聚合物為基質(zhì)，將兩種碳纖維組合為織物或非卷曲織物，從而產(chǎn)生單獨(dú)材料性質(zhì)迥然不同的一種統(tǒng)一材料，其結(jié)果是從材料加工層面提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此外，在切割材料時(shí)，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(lái)了很多挑戰(zhàn)。

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(wú)接觸和無(wú)磨損機(jī)制，為這種材料的加工提供了優(yōu)勢(shì)。局部性的、可調(diào)的能量輸入為處理復(fù)雜的部件或溫度敏感型材料提供了新的機(jī)會(huì)。然而，在批量生產(chǎn)中實(shí)施基于激光的工藝需要對(duì)過(guò)程和高度自動(dòng)化有透徹的理解，并將環(huán)境和職業(yè)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(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收和散熱性能。因此，熱量從激光器聚焦點(diǎn)耗散到材料中是由纖維的熱傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)的。基體則由通過(guò)纖維傳遞的熱量間接加熱。

為了切割CFRP，需要同時(shí)達(dá)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(qiáng)碳纖維的升華溫度。解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一是使用短脈沖納秒激光器，正如在HolQueSt3D聯(lián)合研究項(xiàng)目中所演示的那樣。

工藝的開(kāi)發(fā)

基于面向汽車(chē)工業(yè)的輕量化部件，LZH已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于3D復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的遙控切割工藝（圖2）。通快（德國(guó)迪欽根）最新研制的高功率圓盤(pán)激光器被用作基本的工藝技術(shù)。該光纖引導(dǎo)激光源的發(fā)射波長(zhǎng)為1030nm，最大平均輸出功率為1.5kW。

在恒定脈沖長(zhǎng)度為30 ns時(shí)，可實(shí)現(xiàn)80 mJ的最大脈沖能量，重復(fù)頻率為18.8 kHz。

為了對(duì)汽車(chē)部件進(jìn)行遙控加工，KMS Automation（德國(guó)施拉姆堡）設(shè)計(jì)了一個(gè)夾持系統(tǒng)，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(guò)程排放的集成排氣系統(tǒng)。具體加工由工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行，包括一個(gè)附加的轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜臺(tái)，承載經(jīng)調(diào)整的復(fù)合部件夾持裝置。機(jī)器人引導(dǎo)可編程聚焦光學(xué)器件（PFO）作為加工頭，沿切割輪廓運(yùn)動(dòng)。項(xiàng)目合作伙伴大眾（德國(guó)沃爾夫斯堡）和INVENT（德國(guó)布朗什威格）針對(duì)激光加工對(duì)部件特性和可能的后續(xù)工藝（例如，底漆和面漆步驟）的影響進(jìn)行了研究。

圖 3：用于修復(fù)過(guò)程準(zhǔn)備的基于激光的 CFRP表面燒蝕

另一個(gè)重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)2D和3D組件的適應(yīng)修復(fù)概念。為此，LZH開(kāi)發(fā)了用于缺陷區(qū)域清理的工藝策略。憑借系統(tǒng)技術(shù)的靈活性，可以對(duì)復(fù)雜自由曲面進(jìn)行大面積清理（圖3）。在激光前處理之后，用克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)（德國(guó)克勞斯塔爾·采勒費(fèi)爾德）開(kāi)發(fā)的修復(fù)概念，可在壓力釜中對(duì)部件進(jìn)行修復(fù)而不會(huì)發(fā)生硬化，從而有望實(shí)現(xiàn)更靈活、更具成本效益的工藝。

檢測(cè)和分析工藝排放物，以及開(kāi)發(fā)符合CFRP工藝要求的催化廢氣處理系統(tǒng)，均發(fā)揮了重要作用。來(lái)自德國(guó)耶拿的Jenoptik Automatisierungstechnik基于加工過(guò)程中的排放檢測(cè)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)可完全再生、連續(xù)工作的排氣凈化系統(tǒng)。作為相關(guān)最終用戶(hù)，大眾公司在整個(gè)項(xiàng)目期間為該工藝的開(kāi)發(fā)提供了支持，并對(duì)其批量生產(chǎn)的適用性進(jìn)行了評(píng)估。通過(guò)處理汽車(chē)工業(yè)中使用的現(xiàn)有部件，所開(kāi)發(fā)的工藝的適用性在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)得到了證明。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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