激光切割近淨（jìng）成形和（hé）纖維增強零部（bù）件
發布者：激光切割加工|凱利特 時間：2019/11/4 20:43:17
目前運輸業的趨勢（shì）是要求節約型（xíng）設計。除了新穎（yǐng）的發（fā）動機概念外，一種基（jī）本方法是減少交通工具主要部件的重量。因此，纖維增強型聚合物正日益成為製造飛機和汽車（chē）架構的材料。
一旦價格可以（yǐ）接受（shòu），就能（néng）夠在大批量生產市場通過使用質量（liàng）更輕（qīng）的織（zhī）物結構來減輕交通工具（jù）的重（chóng）量。根據市場研究，德（dé）國業界做出了如下重要戰（zhàn）略預測：
1、通過在（zài）一個部件上使用不同的材料成分並在一個生產環節進行生產實現材料的混合（使用短纖維、長纖維與金屬部分相結合）
2、利用進程模擬和自動化（huà）生產改（gǎi）進工藝；
3、使用近淨成形纖維增（zēng）強型零部（bù）件來減少（shǎo）材料消耗。
就上（shàng）述話題來說，諸如水射流切割或機械處理等傳統材（cái）料處理技術的（de）使用將更勉為其難。在大批（pī）量應用中加工高效無磨損和無約束的多維零（líng）部件時則需要激光處理等新解決方案。
在金屬激（jī）光切割（gē）和焊接中，一種高產量工具必須以靈活的方式（shì）來處理各種複雜的結構，因此激光作為一種昂貴的加工工具在很多應用領域都有（yǒu）使用（yòng）。將激光應用於纖維增強型零部件似乎顯而易見（jiàn），但（dàn）由（yóu）於熱光特性的存在，並非大多（duō）數材料成分都（dōu）通過激光加工達到合格的（de）質量。
熱光屬性的差異
總的（de）來說，聚合物材料不（bú）會吸（xī）收近紫外光和近紅外光範圍內的（de）激（jī）光束能量。分子或電子激發造成大量吸收，必然將加熱材料。光屬性取決於（yú）材料分子的組成材料，如使用聚合物基質強化（huà）的碳或玻璃纖維。隻有一些添加（jiā）劑能（néng）夠將材料特性從不可處理轉變為可處理。為了解這一相互（hù）作用機製（zhì），需要分析各種不同（tóng）的材料組合。
因此，采用了不同的（de）實驗方法來評估某些試樣的光特性。近（jìn）紫外和紅（hóng）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（fāng）法。使用低功率激光的直接輻照實驗可以記錄熱成像（xiàng）攝像機探針的（de）加熱過程。經（jīng）過這些研究，基質材料的影響（xiǎng）、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（shǐ）用亮度激光源（yuán）進行加工
在激光切割碳纖維（wéi）增強型聚合物時需（xū）要高強度的（de）光束，從而升華或分解材料。這也是在考慮（lǜ）可（kě）接受吸收係數的情況（kuàng）下建議使用高亮度激光源的原因（yīn）。對金屬的加（jiā）熱顯示出均勻的導熱係（xì）數和恒定的熔化溫度，而纖維增強型材料的特點（diǎn）是基質（zhì）材料與（yǔ）纖維材料的導熱係數和升華（huá）溫度的不均勻（yún）。這就需要不同的加工方法來將激光和材料相互作用（yòng）的時間縮至最短，從而將熱影響區減至最小。
這就（jiù）是使用（yòng）遠程技術來獲得認可結果的原因。可使（shǐ）用（yòng）不（bú）同的光束（shù）偏轉光學設計，光（guāng）束經由可傾（qīng）斜的掃描鏡（jìng）進行（háng）偏轉（圖1）。這些方法可以使激光光斑以最高10米（mǐ）/秒的運動速度在100平方厘米至1平方米的工作區域內運動。為了擴大這一工（gōng）作區域，可以將傳統的軸（zhóu）係統如機器人或數控機（jī）床配合高動態軸一起工作。
具備高功率激光或脈衝激光（納秒脈衝或更小）的連續波激光器可（kě）以用於改進切割質量（liàng），提高產量。以高速掃描為基礎，切削深度隻是在數微米至數百微米之間（jiān）變化。多旋回處理方法被用於加工毫米級厚的零部件。激光切割能夠以0.01-3米/分鍾的平均切割速度在（zài）4毫米厚的環狀纖維增強性碳纖維環氧（yǎng）樹脂板上進行激光切割，而熱影響（xiǎng）區域隻有數百微米。圖2是使用（yòng）氣體輔助激光（guāng）器切割（左圖）和高功率連續波遠程激光切割（右圖）的橫截麵對比圖。
在遠程加（jiā）工過程中，輔助氣體不會將廢料從切割切口（kǒu）吹走。所（suǒ）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（ná）走。因此，在觀察（chá）激光光（guāng）束（shù）和蒸發材料的相互作用時（shí），發現它們取決於消（xiāo）融切口和（hé）熱影響區域的縱橫比。
光學行為和金（jīn）屬結構的光學（xué）行為有所差異（yì）。和非各向同性材料（liào）在熱激光切割過（guò）程中產生大範圍熱影響區（qū）相比，碳纖維導熱係數極高。這也是新思路中需要激光處理的原因（yīn）。
激（jī）光切割，其優勢是可以（yǐ）在間隔織物最終加工過程中得以顯示。間隔織物是（shì）基於編織或針織的預製體，由混合紗（shā）線製成。組成成分為玻璃（lí）纖維和（hé）聚丙烯，纖（xiān）維含量為50%。此外，其特點（diǎn）是生產方向上的多層結構和交織毗連。圖中呈（chéng）現（xiàn）出的輕質間隔結構（圖3）由高功（gōng）率（lǜ）CO2激光器經21/2D-beam偏轉加工而成。首先，在上層進行環狀刻蝕。隨後將焦點調整來刻蝕（shí）下層。和最先進的銑（xǐ）削或水射流切割（gē）相比，遠程激光工藝磨耗低、無約束。此外，無需對工件重新定位就可以單側加工也是一種優勢（shì）。此外，切割（gē）工件的輪廓可以程序化控製，包括開（kāi）切（qiē）眼以及單層切割出靈活的幾何圖形。
結論
在大批（pī）量生產中使（shǐ）用纖（xiān）維增強型聚合物需要新的靈活工藝進行最終處理。因此，激（jī）光（guāng）將是未來（lái）的一（yī）種工（gōng）具。但是（shì），也需要特定方法來處（chù）理具有不同光熱性（xìng）能的組件。需要了解吸收性能的基本常識，以及纖（xiān）維（wéi）含量和分布的影響。為了將對切割切口的熱量輸入（rù）降至最低，遠（yuǎn）程激光（guāng）切割技術結合多（duō）旋回處理方法（fǎ）已得到證（zhèng）實。遠程加（jiā）工還能夠靈活處理近淨成形零件，這已在間隔織物結構的處理中得到證實。
