由于碳纖維增強塑料（CFRP）具有高比強度、高比模量和良好的抗疲勞性等卓越優(yōu)勢，因此經(jīng)常被用于航空航天、汽車、軌道交通和其他領(lǐng)域。復(fù)合材料部件通常需要連接和集成。在設(shè)備制造業(yè)中，加工復(fù)合材料部件最常用的方法是切割、鉆孔和表面處理。傳統(tǒng)的機械加工會嚴(yán)重影響碳纖維增強塑料的質(zhì)量，造成分層、毛刺和撕裂等缺陷。激光加工技術(shù)因其高質(zhì)量、非接觸、控制簡單和自動化等特點，已成為加工碳纖維增強塑料的重要方法。

　　近期，德國漢諾威激光中心（LZH）發(fā)布新聞稿向外界宣布，中心的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種激光鉆孔的自動化工藝，有助于碳纖維增強塑料的加工。這種材料憑借出色的隔音效果，在輕質(zhì)建筑中有著重要的應(yīng)用。碳纖維增強塑料（CFRP）等復(fù)合材料是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的理想材料，當(dāng)前主要用于汽車和飛機制造。為了簡化碳纖維增強塑料和夾層材料的加工，LZH的科學(xué)家們與INVENT GmbH和KMS Technology Center GmbH共同開發(fā)了一種創(chuàng)新工藝和相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置。

　　小直徑同時鉆孔

　　在這一過程中，激光束會被專門設(shè)計的衍射光學(xué)元件分成若干部分光束，從而擊中材料上的多個位置，同時產(chǎn)生多個鉆孔。理想情況下，最多可使用25個光束，從而將鉆孔時間縮短到原來的二十五分之一，每個孔的鉆孔時間不到十分之一秒，而這一數(shù)值是傳統(tǒng)方法無法達(dá)到的。

　　通過這種工藝，科學(xué)家們能夠鉆出直徑僅為1.2毫米到0.25毫米的孔。這使得它們比目前在夾層材料和碳纖維增強塑料材料中使用傳統(tǒng)機械方法制造的孔徑更小。使用KMS Technology Center GmbH制造的光學(xué)機械裝置，還能在無需更換工具的情況下實現(xiàn)孔徑和孔型的高度靈活性。

　　輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中的隔音應(yīng)用領(lǐng)域

　　激光鉆孔在航空領(lǐng)域的應(yīng)用尤為引人注目。例如，為了降低飛機噪音，在發(fā)動機上使用了吸音覆層元件。這些部件通常由碳纖維增強塑料或碳纖維增強塑料夾層材料制成，然后在大面積上開出許多小孔。

　　使用激光器進(jìn)行微鉆孔特別適用于這些所謂的聲波鉆孔，因為激光鉆孔是非接觸式的，因此沒有力和磨損問題產(chǎn)生。這就避免了工具磨損造成的高成本和鉆頭鈍化引發(fā)的質(zhì)量問題。在聲學(xué)測試中，項目合作伙伴INVENT GmbH公司對激光鉆孔夾芯板的消聲性能進(jìn)行了評估，結(jié)果非常好。

　　中國研究團(tuán)隊的成果

　　去年，來自北京科技創(chuàng)新中心和長春理工大學(xué)吉林省固體激光技術(shù)及應(yīng)用重點實驗室的幾位研究學(xué)者聯(lián)合發(fā)表了一篇題為《開發(fā)激光加工碳纖維增強塑料》的公開論文。該文回顧了碳纖維增強塑料激光加工的研究發(fā)展，總結(jié)了影響碳纖維增強塑料激光加工質(zhì)量的因素。

　　研究團(tuán)隊認(rèn)為，激光加工具有快速、非接觸、高精度、靈活、高效等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于碳纖維增強塑料加工領(lǐng)域。利用激光技術(shù)對碳纖維增強塑料進(jìn)行切割、鉆孔、銑削、清洗和焊接，是提高生產(chǎn)效率的重要手段。為進(jìn)一步減少加工過程中的熱影響區(qū)和切口寬度，完成碳纖維增強塑料的低損傷、高精度、高質(zhì)量和工業(yè)化加工，可重點開展以下幾個方面的研究。

　　● 開發(fā)高精度、高效率的碳纖維增強塑料激光加工技術(shù)。具有超短脈沖的短波長激光可實現(xiàn)超精密、高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)加工。隨著千瓦級高功率皮秒激光器的誕生和超快激光機制的進(jìn)一步完善，超快激光加工技術(shù)除了保持現(xiàn)有的加工精度和質(zhì)量優(yōu)勢外，加工效率和可加工尺度（如加工較厚的復(fù)合材料板）也有望得到顯著提高。

　　然而，當(dāng)使用較高的能量通量時，仍會產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。因此，還需要選擇適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)（重復(fù)頻率、掃描路徑等），以便在加工過程中冷卻材料，從而提高加工質(zhì)量。

　　● 開發(fā)可根據(jù)加工結(jié)果隨時更改參數(shù)的實時監(jiān)控技術(shù)。在激光加工過程中，激光加工參數(shù)和材料參數(shù)對加工質(zhì)量有很大影響。在加工過程中，受碳纖維增強塑料材料（如鋪層角度、材料厚度等）和不同激光性能（如激光光斑直徑、光束質(zhì)量、重復(fù)頻率等）的影響，每個參數(shù)都會發(fā)生變化。二者都會導(dǎo)致加工結(jié)果的巨大波動。針對這種情況，可以改進(jìn)并結(jié)合人工智能技術(shù)，建立激光加工數(shù)據(jù)庫。

　　● 開發(fā)面積更大、質(zhì)量更高的激光加工技術(shù)。激光加工通常以能量密度極高的高斯脈沖形式加工碳纖維增強塑料，因為高斯激光能量分布不均勻，部分區(qū)域激光能量密度較高。容易對材料造成嚴(yán)重的熱損傷，因此激光在實際生產(chǎn)中的加工精度無法進(jìn)一步提高。

　　與高斯光束相比，平頂光束形式具有脈沖重疊率低、光場均勻等優(yōu)點，因此更有利于激光在碳纖維增強塑料中進(jìn)行微納加工等應(yīng)用。因此，可以探索雙折射元件整形、液晶空間光調(diào)制整形和激光腔內(nèi)整形等方法，將高斯脈沖整形為平頂激光，實現(xiàn)更大面積和更高精度的加工。

　　● 將機器人技術(shù)與激光加工技術(shù)相結(jié)合，提高激光加工自動化水平。隨著航天器向大型化、超大型化發(fā)展，汽車、飛機等輕量化也隨之發(fā)展。碳纖維增強塑料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。對人力資源需求的增加也導(dǎo)致人為錯誤的增加，這將進(jìn)一步降低碳纖維增強塑料二次加工的質(zhì)量。

　　因此，可以將機器人技術(shù)與激光加工技術(shù)相結(jié)合，減少人為操作的影響，提高激光加工的加工速度和精度。目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了傳統(tǒng)的激光焊接機器人、切割機器人等產(chǎn)品；隨著對激光加工研究的深入，越來越多的激光加工機器人將出現(xiàn)在加工生產(chǎn)線上。

　　● 開發(fā)具有高清潔度、高加工質(zhì)量和高性價比的水導(dǎo)加工技術(shù)。由于水對激光能量的吸收率高，能量衰減快，因此需要進(jìn)一步研究激光在水中的衰減規(guī)律，同時找到合適的激光與水射流耦合方法，降低水中的衰減能量，從而提高水導(dǎo)激光傳輸效率，進(jìn)一步提高加工速度。在碳纖維增強塑料中進(jìn)行水導(dǎo)激光加工，可以獲得更好的加工質(zhì)量，因為基體容易吸水和潮解。隨著材料水熱性能的進(jìn)一步優(yōu)化，水導(dǎo)加工技術(shù)仍有良好的發(fā)展前景。

　　● 開發(fā)更高效、更厚的加工技術(shù)。在激光復(fù)合加工碳纖維增強塑料方面，多能量場復(fù)合激光材料去除技術(shù)逐漸興起。常用的能量場有電磁場、熱場、振動場等，但在工業(yè)應(yīng)用中成本較高，需要進(jìn)一步研究。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，激光3D打印碳纖維增強塑料零件是一種新型、快速、經(jīng)濟(jì)的加工方法。

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