激光切割近凈成形和纖維增強(qiáng)零部件
發(fā)布者：激光切割加工|凱利特 時(shí)間：2019/11/4 20:43:17
目前運(yùn)輸業(yè)的趨勢(shì)是要求節(jié)約型設(shè)計(jì)。除了新穎的發(fā)動(dòng)機(jī)概念外，一種基本方法是減少交通工具主要部件的重量。因此，纖維增強(qiáng)型聚合物正日益成為制造飛機(jī)和汽車架構(gòu)的材料。
一旦價(jià)格可以接受，就能夠在大批量生產(chǎn)市場(chǎng)通過使用質(zhì)量更輕的織物結(jié)構(gòu)來減輕交通工具的重量。根據(jù)市場(chǎng)研究，德國(guó)業(yè)界做出了如下重要戰(zhàn)略預(yù)測(cè)：
1、通過在一個(gè)部件上使用不同的材料成分并在一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)材料的混合（使用短纖維、長(zhǎng)纖維與金屬部分相結(jié)合）
2、利用進(jìn)程模擬和自動(dòng)化生產(chǎn)改進(jìn)工藝；
3、使用近凈成形纖維增強(qiáng)型零部件來減少材料消耗。
就上述話題來說，諸如水射流切割或機(jī)械處理等傳統(tǒng)材料處理技術(shù)的使用將更勉為其難。在大批量應(yīng)用中加工高效無磨損和無約束的多維零部件時(shí)則需要激光處理等新解決方案。
在金屬激光切割和焊接中，一種高產(chǎn)量工具必須以靈活的方式來處理各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此激光作為一種昂貴的加工工具在很多應(yīng)用領(lǐng)域都有使用。將激光應(yīng)用于纖維增強(qiáng)型零部件似乎顯而易見，但由于熱光特性的存在，并非大多數(shù)材料成分都通過激光加工達(dá)到合格的質(zhì)量。
熱光屬性的差異
總的來說，聚合物材料不會(huì)吸收近紫外光和近紅外光范圍內(nèi)的激光束能量。分子或電子激發(fā)造成大量吸收，必然將加熱材料。光屬性取決于材料分子的組成材料，如使用聚合物基質(zhì)強(qiáng)化的碳或玻璃纖維。只有一些添加劑能夠?qū)⒉牧咸匦詮牟豢商幚磙D(zhuǎn)變?yōu)榭商幚?。為了解這一相互作用機(jī)制，需要分析各種不同的材料組合。
因此，采用了不同的實(shí)驗(yàn)方法來評(píng)估某些試樣的光特性。近紫外和紅外光譜是描述反射率和透射率的一種快速且非破壞性的方法。使用低功率激光的直接輻照實(shí)驗(yàn)可以記錄熱成像攝像機(jī)探針的加熱過程。經(jīng)過這些研究，基質(zhì)材料的影響、光纖體積含量以及光纖分布都得以一一顯示。
此外，聚合物熱特性的 使用亮度激光源進(jìn)行加工
在激光切割碳纖維增強(qiáng)型聚合物時(shí)需要高強(qiáng)度的光束，從而升華或分解材料。這也是在考慮可接受吸收系數(shù)的情況下建議使用高亮度激光源的原因。對(duì)金屬的加熱顯示出均勻的導(dǎo)熱系數(shù)和恒定的熔化溫度，而纖維增強(qiáng)型材料的特點(diǎn)是基質(zhì)材料與纖維材料的導(dǎo)熱系數(shù)和升華溫度的不均勻。這就需要不同的加工方法來將激光和材料相互作用的時(shí)間縮至最短，從而將熱影響區(qū)減至最小。
這就是使用遠(yuǎn)程技術(shù)來獲得認(rèn)可結(jié)果的原因。可使用不同的光束偏轉(zhuǎn)光學(xué)設(shè)計(jì)，光束經(jīng)由可傾斜的掃描鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)（圖1）。這些方法可以使激光光斑以最高10米/秒的運(yùn)動(dòng)速度在100平方厘米至1平方米的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了擴(kuò)大這一工作區(qū)域，可以將傳統(tǒng)的軸系統(tǒng)如機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床配合高動(dòng)態(tài)軸一起工作。
具備高功率激光或脈沖激光（納秒脈沖或更?。┑倪B續(xù)波激光器可以用于改進(jìn)切割質(zhì)量，提高產(chǎn)量。以高速掃描為基礎(chǔ)，切削深度只是在數(shù)微米至數(shù)百微米之間變化。多旋回處理方法被用于加工毫米級(jí)厚的零部件。激光切割能夠以0.01-3米/分鐘的平均切割速度在4毫米厚的環(huán)狀纖維增強(qiáng)性碳纖維環(huán)氧樹脂板上進(jìn)行激光切割，而熱影響區(qū)域只有數(shù)百微米。圖2是使用氣體輔助激光器切割（左圖）和高功率連續(xù)波遠(yuǎn)程激光切割（右圖）的橫截面對(duì)比圖。
在遠(yuǎn)程加工過程中，輔助氣體不會(huì)將廢料從切割切口吹走。所有升華或分解的材料必須沿著激光光束的方向從消融切口拿走。因此，在觀察激光光束和蒸發(fā)材料的相互作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)Q于消融切口和熱影響區(qū)域的縱橫比。
光學(xué)行為和金屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)行為有所差異。和非各向同性材料在熱激光切割過程中產(chǎn)生大范圍熱影響區(qū)相比，碳纖維導(dǎo)熱系數(shù)極高。這也是新思路中需要激光處理的原因。
激光切割，其優(yōu)勢(shì)是可以在間隔織物最終加工過程中得以顯示。間隔織物是基于編織或針織的預(yù)制體，由混合紗線制成。組成成分為玻璃纖維和聚丙烯，纖維含量為50%。此外，其特點(diǎn)是生產(chǎn)方向上的多層結(jié)構(gòu)和交織毗連。圖中呈現(xiàn)出的輕質(zhì)間隔結(jié)構(gòu)（圖3）由高功率CO2激光器經(jīng)21/2D-beam偏轉(zhuǎn)加工而成。首先，在上層進(jìn)行環(huán)狀刻蝕。隨后將焦點(diǎn)調(diào)整來刻蝕下層。和最先進(jìn)的銑削或水射流切割相比，遠(yuǎn)程激光工藝磨耗低、無約束。此外，無需對(duì)工件重新定位就可以單側(cè)加工也是一種優(yōu)勢(shì)。此外，切割工件的輪廓可以程序化控制，包括開切眼以及單層切割出靈活的幾何圖形。
結(jié)論
在大批量生產(chǎn)中使用纖維增強(qiáng)型聚合物需要新的靈活工藝進(jìn)行最終處理。因此，激光將是未來的一種工具。但是，也需要特定方法來處理具有不同光熱性能的組件。需要了解吸收性能的基本常識(shí)，以及纖維含量和分布的影響。為了將對(duì)切割切口的熱量輸入降至最低，遠(yuǎn)程激光切割技術(shù)結(jié)合多旋回處理方法已得到證實(shí)。遠(yuǎn)程加工還能夠靈活處理近凈成形零件，這已在間隔織物結(jié)構(gòu)的處理中得到證實(shí)。
