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纤维增强复合材料的激光加工

2011-12-26 09:46
科技那回事
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  约50年来,飞机制造商一直在使用纤维增强塑料(Fiber-Reinforced Plastic, FRP)材料。随着行业 对FRP材料优点的认识越来越深,这种材料的使用率也在逐年稳步提高。尽管在最初的时候FRP材料比传统材料的成本要高一些,但是其在效率、保养和燃料节省收益上的优势非常明显,因此这些优势才可以弥补在飞机初始投资成本较高的劣势。

  碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)由束缚在聚合树脂里的碳纤维或玻璃纤维基底组成,从而带来许多满足需要的特性,最显著的就是高强度重量比,还有高硬度、低热膨胀系数以及优异的耐腐蚀性。

  使用较轻的FRP材料来制造飞机,每年能够在飞行上节省几百万美元的燃料成本。举例来说,波音787“梦想客机”在使用寿命期间节省的飞机保养费用约为3000万至4000万美元之间。

  FRP材料的优点有很多,但众所周知的是这种材料非常难加工。传统的加工方法,比如机械铣削和钻孔,会引起破片、热损害、分层、纤维拔出以及对工具的严重磨损。近来,人们研究使用水注切割,但还是会引起纤维分层以及其他的实用性限制。举例来说,当加工起始的地方不是在材料的边缘时,就需要钻一个导向钻孔。作为一种非接触式的材料移除工艺,激光加工能够提供解决上述问题的方案。然而,一直以来,在这种应用中,激光和材料之间的相互作用尚没有得到广泛理解。针对这个问题,JK Lasers公司联合英国利物浦约翰摩尔大学(John Moores University)一起开展了研究。

  为了让研究人员更加了解激光和材料之间的相互作用,在研究中使用了两种光束特性不同的激光源来加工。使用带有钻孔喷嘴的Nd:YAG激光器JK300D(以光纤传输,具有高峰值功率)来进行冲击钻孔试验。使用带有切割喷嘴的200瓦单模光纤激光器JK200FL进行切割试验。使用配有扫描头的JK200FL进行穿孔和铣削试验。

  激光和材料的相互作用

  影响FRP加工的主要因素在于碳纤维或玻璃纤维与聚合物基底相比,特性差异极大。汽化纤维要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。

  当处理CFRP时,物件的反应差异是最明显的。汽化聚合物仅仅要求少量的热能,而碳纤维的导热能力非常好,这也意味着在切割纤维前,大量的能量已经被传导走了。因此,对于高品质激光加工来说,必须特别注意管理材料的热量输入。

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