碳纖維增強聚合物（CFRP）組件通常是使用緊固件組裝。在一般工序下，通常是在固化和鑽孔後把緊固件粘在 CFRP 組件上。最近，CarboLase 項目的支持團隊想出了一種新方法，使用超短脈衝激光在紡織結構預成型件的緊固件上進行鑽孔，其精確度可達微米級。
在 CFRP 組件固化之前，便將這些高精度切割而成的緊固件整合在一起，從而可以縮短生產過程，節省時間。2019 年，該項目團隊憑此項技術在著名的美國 CAMX 獎中贏得了“綜合實力”這一類別的分項獎。
該技術是與LUNOVU公司、KOHLHAGE緊固件公司、AMPHOS和弗勞恩霍夫激光技術研究所（FraunhoferILT）共同開發的CarboLase項目的成果，項目的關鍵創新是使用了超短波脈衝激光輻射對紡織結構型預成型件進行高精度加工，以及全自動金屬緊固件預埋兩項技術。作為機械銑削或鑽孔工藝的替代方法，激光加工具有無磨損操作、高靈活性和微米範圍內最高精度的優點。采取金屬緊固件預埋可避免對固化後CFRP組件再鑽孔導致的性能損失。
CarboLase 項目的成功預示著新一代 CFRP構件的誕生
碳纖維增強聚合物（CFRP）是用途最廣泛的複合建築材料之一。它把聚合物基體與高強碳纖維的優異機械性能整合起來，從而形成了高強度、高剛度、低密度的解決方案。在現在這個能源和資源效率備受關注的時代，為什麽 CFRP 至今仍難以實現真正的突破呢？原因有兩個：一是因為它們的生產成本高，二則是因為機加工 CFRP 組件的難度大。
2017年3月，弗勞恩霍夫激光技術研究所（FraunhoferILT）與來自研發機構和工業領域的四個合作夥伴啟動了一個項目。該項目的主題為：“高效、自動化和實時量身定製的碳纖維增強聚合組件製造”，隨後獲得了歐洲區域發展基金（ERDF）的資助。
該項目的目標很明確：幫助德國西部北威州的中小型企業們成為該項目上技術領導者，從而提高北威州的中小型企業們在國內和國際舞台上的長期競爭力。項目目標明確，主要通過簡化 CFRP 生產工藝、降低成本來達成。
CFRP 組件的傳統組裝方法是在成型的 CFRP 模塊上鑽孔，然後粘上金屬緊固件，螺紋嵌件是其中的一個例子。用輕量級組件替換常規零件需要 CFRP 零件與常規零件之間的連接，兩者之間應可拆卸且牢固。
CarboLase 激光項目另辟蹊徑，開發出了不同的解決方案。把緊固件整合到紡織結構預成型件之中，隨後，CFRP 組件通過附加固化工藝與嵌入件集成起來，這可以可以大大縮短整個生產工藝周期，然而隻適用於紡織結構預成型件中的緊固件的開孔和鑽孔非常精確的時候。
三管齊下法——CarboLase 項目合作夥伴贏得 CAMX 獎
CarboLase 團隊開發了一種 CFRP 組件的製造過程，該過程通過選擇數控切割、激光加工和自動處理三管齊下的方法來安裝所有組件。
他們將上述三個獨立的工藝技術整合到一個機器人單元中，並使所有步驟自動化。首先，通過切割，堆疊和組裝創建紡織結構預成型件。然後，用超短脈衝激光（USP）在金屬緊固件的預成型件上進行高精度鑽孔。
超短脈衝激光器為傳統碳纖維增強聚合組件製造提供了一個良好的替代方案，但前提是在該激光器能被集成到機器人單元中的情況下。在傳統設備中，常常使用反射將超短脈衝引導到目標上，但這在機器人手臂上很難實現。為了解決這個問題，來自弗勞恩霍夫激光技術研究所和AMPHOS 公司的專家們合作開發了一種新技術，來耦合超短脈衝激光束的射進射出。激光源則通過空心光纖與機器人手臂上的掃描儀相連。
在不造成任何熱損害的情況下對紡織結構預成型件進行機加工是使用超短脈衝激光一種新穎的特征。
2019 年 9 月 26 日，在美國加利福尼亞州阿納海姆舉行的複合材料與先進材料博覽會（CAMX）上，CarboLase 項目團隊贏得了著名的 CAMX 獎中“綜合實力”這一類別的分項獎。CAMX 獎是表彰有望對複合材料的未來產生重大影響的創新技術的獎項。評審團對 CarboLase 項目團隊的印象特別深刻，CarboLase 在工藝鏈的最開始時就集成使用了激光，從而減少了後續諸多昂貴且耗時的步驟。
成功的結果
為了測試這個新方法並論證其技術可行性，項目合作夥伴製造了一個 B 柱示範組件，並對其進行了全麵的機械測試，結果全部考核過關。在一係列的拉拔和扭轉試驗中，采用 CarboLase 技術製造的連接件，性能優於常規方法生產的CFRP組件。由於嵌入件和基體材料之間的緊密連接，使用這種新方法生產的 CFRP 組件，能夠承受最大的拉拔力比采用粘接嵌入件的傳統製造組件要高出 50%。再加上機械性能優化，讓 CFRP 組件的整體組件厚度和重量降低成為可能。
CarboLase 工藝還在定義緊固件尺寸和位置方麵上為設計者們提供了更多的創作自由。機器人和掃描儀在米和微米尺度的移動比傳統的靜態加工中心更具靈活性。這就為CFRP 部件的高效大規模定製化生產鋪平了道路，必將遠遠超越現有的技術水平。
動態超短脈衝激光鑽孔工藝對航空航天業和汽車行業來說特別有意義，尤其是在製造輕型零部件方麵上，對於簡化 CFRP 組件的製造工藝和降低材料成本來說頗具潛力。
從研發到工業量產
弗勞恩霍夫激光技術研究所和 AMPHOS 公司依托原有技術特長，為 CarboLase 項目聯合開發了新的超短脈衝激光技術。LUNOVU 公司是一家負責將各個工序整合起來的係統集成商，LUNOVU 公司把傳感器集成到亞琛工業大學紡織技術研究所內的機器人單元中。
將單個技術組合到一個機器人單元中，為不論組件的幾何形狀和批次大小的及時生產 CFRP 組件的打開了可能性的大門。
KOHLHAGE 緊固件公司在該項目中也發揮了關鍵作用，負責為嵌入件的自動部署和集成設計了一個係統。亞琛工業大學紡織技術研究所則負責實現激光加工預成型件的自動化工藝鏈。在過去兩年半的時間裏，該項目從歐洲區域發展基金處獲得了約 200 萬歐元的資助。
CarboLase 項目成果計劃於 2020 年 5 月 12 日至 14 日在巴黎舉辦的法國巴黎國際複合材料展覽會（JEC World 2020），AZL 聯合展台（5A 展廳，L97 展台）上展示。
本文來自弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）
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