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光纖激光器

纖維增強了復合材料激光加工(上)

星之球激光 來源:激光網2012-01-07 我要評論(0 )   

約50年來,飛機制造商一直在使用纖維增強塑料(Fiber-Reinforced Plast ic , FRP)材料。隨著行業(yè) 對FRP材料優(yōu)點的認識越來越深,這種材料的使用率也在逐年穩(wěn)步提高。盡...

  約50年來,飛機制造商一直在使用纖維增強塑料(Fiber-Reinforced Plastic, FRP)材料。隨著行業(yè) 對FRP材料優(yōu)點的認識越來越深,這種材料的使用率也在逐年穩(wěn)步提高。盡管在最初的時候FRP材料比傳統材料的成本要高一些,但是其在效率、保養(yǎng)和燃料節(jié)省收益上的優(yōu)勢非常明顯,因此這些優(yōu)勢才可以彌補在飛機初始投資成本較高的劣勢。

  碳纖維增強塑料(CFRP)和玻璃纖維增強塑料(GFRP)由束縛在聚合樹脂里的碳纖維或玻璃纖維基底組成,從而帶來許多滿足需要的特性,最顯著的就是高強度重量比,還有高硬度、低熱膨脹系數以及優(yōu)異的耐腐蝕性。

  使用較輕的FRP材料來制造飛機,每年能夠在飛行上節(jié)省幾百萬美元的燃料成本。舉例來說,波音787“夢想客機”在使用壽命期間節(jié)省的飛機保養(yǎng)費用約為3000萬至4000萬美元之間。

  FRP材料的優(yōu)點有很多,但眾所周知的是這種材料非常難加工。傳統的加工方法,比如機械銑削和鉆孔,會引起破片、熱損害、分層、纖維拔出以及對工具的嚴重磨損。近來,人們研究使用水注切割,但還是會引起纖維分層以及其他的實用性限制。舉例來說,當加工起始的地方不是在材料的邊緣時,就需要鉆一個導向鉆孔。作為一種非接觸式的材料移除工藝,激光加工能夠提供解決上述問題的方案。然而,一直以來,在這種應用中,激光和材料之間的相互作用尚沒有得到廣泛理解。針對這個問題,JK Lasers公司聯合英國利物浦約翰摩爾大學(John Moores University)一起開展了研究。

  為了讓研究人員更加了解激光和材料之間的相互作用,在研究中使用了兩種光束特性不同的激光源來加工。使用帶有鉆孔噴嘴的Nd:YAG激光器JK300D(以光纖傳輸,具有高峰值功率)來進行沖擊鉆孔試驗。使用帶有切割噴嘴的200瓦單模光纖激光器JK200FL進行切割試驗。使用配有掃描頭的JK200FL進行穿孔和銑削試驗。

  激光和材料的相互作用

  影響FRP加工的主要因素在于碳纖維或玻璃纖維與聚合物基底相比,特性差異極大。汽化纖維要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。

  當處理CFRP時,物件的反應差異是最明顯的。汽化聚合物僅僅要求少量的熱能,而碳纖維的導熱能力非常好,這也意味著在切割纖維前,大量的能量已經被傳導走了。因此,對于高品質激光加工來說,必須特別注意管理材料的熱量輸入。

 

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