远程激光切割近净成形和纤维增强零部件

作者：Annett Klotzbach, Andreas Fürst

欢迎访问e展厅 展厅 4 激光切割机展厅 激光切割机, 激光切割机床, 激光加工机, 激光打孔机, ... 目前运输业的趋势是要求节约型设计。除了新颖的发动机概念外，一种基本方法是减少交通工具主要部件的重量。因此，纤维增强型聚合物正日益成为制造飞机和汽车架构的材料。 一旦价格可以接受，就能够在大批量生产市场通过使用质量更轻的织物结构来减轻交通工具的重量。根据2012年9月的市场研究，德国业界做出了如下重要战略预测： •通过在一个部件上使用不同的材料成分并在一个生产环节进行生产实现材料的混合（使用短纤维、长纤维与金属部分相结合） •利用进程模拟和自动化生产改进工艺； •使用近净成形纤维增强型零部件来减少材料消耗。 就上述话题来说，诸如水射流切割或机械处理等传统材料处理技术的使用将更勉为其难。在大批量应用中加工高效无磨损和无约束的多维零部件时则需要激光处理等新解决方案。 在金属切割和焊接中，一种高产量工具必须以灵活的方式来处理各种复杂的结构，因此激光作为一种昂贵的加工工具在很多应用领域都有使用。将激光应用于纤维增强型零部件似乎显而易见，但由于热光特性的存在，并非大多数材料成分都通过激光加工达到合格的质量。 热光属性的差异 总的来说，聚合物材料不会吸收近紫外光和近红外光范围内的激光束能量。分子或电子激发造成大量吸收，必然将加热材料。光属性取决于材料分子的组成材料，如使用聚合物基质强化的碳或玻璃纤维。只有一些添加剂能够将材料特性从不可处理转变为可处理。为了解这一相互作用机制，需要分析各种不同的材料组合。 因此，采用了不同的实验方法来评估某些试样的光特性。近紫外和红外光谱是描述反射率和透射率的一种快速且非破坏性的方法。使用低功率激光的直接辐照实验可以记录热成像摄像机探针的加热过程。经过这些研究，基质材料的影响、光纤体积含量以及光纤分布都得以一一显示。 此外，聚合物热特性的光学行为和金属结构的光学行为有所差异。和非各向同性材料在热激光切割过程中产生大范围热影响区相比，碳纤维导热系数极高。这也是新思路中需要激光处理的原因。 使用亮度激光源进行加工 在切割碳纤维增强型聚合物时需要高强度的光束，从而升华或分解材料。这也是在考虑可接受吸收系数的情况下建议使用高亮度激光源的原因。对金属的加热显示出均匀的导热系数和恒定的熔化温度， 而纤维增强型材料的特点是基质材料与纤维材料的导热系数和升华温度的不均匀。这就需要不同的加工方法来将激光和材料相互作用的时间缩至最短，从而将热影响区减至最小。 这就是使用远程技术来获得认可结果的原因。可使用不同的光束偏转光学设计，光束经由可倾斜的扫描镜进行偏转（图1）。这些方法可以使激光光斑以最高10米/秒的运动速度在100平方厘米至1平方米的工作区域内运动。为了扩大这一工作区域，可以将传统的轴系统如机器人或数控机床配合高动态轴一起工作。 具备高功率激光或脉冲激光（纳秒脉冲或更小）的连续波激光器可以用于改进切割质量，提高产量。以高速扫描为基础，切削深度只是在数微米至数百微米之间变化。多旋回处理方法被用于加工毫米级厚的零部件。激光切割能够以0.01-3米/分钟的平均切割速度在4毫米厚的环状纤维增强性碳纤维环氧树脂板上进行切割，而热影响区域只有数百微米。图2是使用气体辅助激光器切割（左图）和高功率连续波远程激光切割（右图）的横截面对比图。 在远程加工过程中，辅助气体不会将废料从切割切口吹走。所有升华或分解的材料必须沿着激光光束的方向从消融切口拿走。因此， 在观察激光光束和蒸发材料的相互作用时，发现它们取决于消融切口和热影响区域的纵横比。 近净成形结构 和传统设计相比，使用纺织增强复合材料的轻量构造具备众多优势。德国德累斯顿工业大学的一个联合项目致力于优化从纤维生产到最终的部件加工整个加工链。特别是将调查研究纺织近净成形结构和夹层结构，使用工艺调整型动态系统来操纵设备，纺织兼容的连接方法以及连接要素，纺织增强柔性结构以及集成传感器网络的复合构件等。 本联合项目中的激光切割，其优势是可以在间隔织物最终加工过程中得以显示。间隔织物是基于编织或针织的预制体，由混合纱线制成。组成成分为玻璃纤维和聚丙烯，纤维含量为50%。此外，其特点是生产方向上的多层结构和交织毗连。图中呈现出的轻质间隔结构（图3）由高功率CO2激光器经2 1/2 D-beam偏转加工而成。首先，在上层进行环状刻蚀。随后将焦点调整来刻蚀下层。和最先进的铣削或水射流切割相比，远程激光工艺磨耗低、无约束。此外，无需对工件重新定位就可以单侧加工也是一种优势。此外，切割工件的轮廓可以程序化控制，包括开切眼以及单层切割出灵活的几何图形。 结论 在大批量生产中使用纤维增强型聚合物需要新的灵活工艺进行最终处理。因此，激光将是未来的一种工具。但是，也需要特定方法来处理具有不同光热性能的组件。需要了解吸收性能的基本常识，以及纤维含量和分布的影响。为了将对切割切口的热量输入降至最低，远程激光技术结合多旋回处理方法已得到证实。远程加工还能够灵活处理近净成形零件，这已在间隔织物结构的处理中得到证实。 鸣谢 本研究的部分内容得到德国科学研究会的资助，属于德国德累斯顿工业大学联合研究中心SFB639项目“用于复杂轻量应用的功能集成型混合材质设计的纺织增强复合材料”。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/28/2014)