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(chong) 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(cong) 而可以縮短生產(chan) 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(yu) 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(guan) 鍵創新是使用了超短波脈衝(chong) 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(liang) 項技術。作為(wei) 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(nei) 最高精度的優(you) 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(ti) 與(yu) 高強碳纖維的優(you) 異機械性能整合起來，從(cong) 而形成了高強度、高剛度、低密度的解決(jue) 方案。在現在這個(ge) 能源和資源效率備受關(guan) 注的時代，為(wei) 什麽(me) CFRP至今仍難以實現真正的突破呢？原因有兩(liang) 個(ge) ：一是因為(wei) 它們(men) 的生產(chan) 成本高，二則是因為(wei) 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(yu) 來自研發機構和工業(ye) 領域的四個(ge) 合作夥(huo) 伴啟動了一個(ge) 項目。該項目的主題為(wei) ：“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(ye) 們(men) 成為(wei) 該項目上技術領導者，從(cong) 而提高北威州的中小型企業(ye) 們(men) 在國內(nei) 和國際舞台上的長期競爭(zheng) 力。項目目標明確，主要通過簡化CFRP生產(chan) 工藝、降低成本來達成。

CFRP組件的傳(chuan) 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(ge) 例子。用輕量級組件替換常規零件需要CFRP零件與(yu) 常規零件之間的連接，兩(liang) 者之間應可拆卸且牢固。 

圖1 使用超短脈衝(chong) 激光束鑽孔的碳纖維預成型件，該切割件具有星形切 口和成比例的金屬嵌件

圖2 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(chong) 激光一種新穎的特征

CarboLase 激光項目另辟蹊徑，開 發出了不同的解決(jue) 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(yu) 嵌入件集成起來，這可以可以大大縮短整 個(ge) 生產(chan) 工藝周期，然而隻適用於(yu) 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。

圖3 將單個(ge) 技術組合到一個(ge) 機器人單元 中，為(wei) 不論組件的幾何形狀和批次大小 的及時生產(chan) CFRP組件的打開了可能性 的大門

三管齊下法——CarboLase項目合作夥(huo) 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(men) 將上述三個(ge) 獨立的工藝技術整合到一個(ge) 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(chong) 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(chong) 激光器為(wei) 傳(chuan) 統碳纖維增強聚合組件製造提供了一個(ge) 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(chuan) 統設備中，常常使用反射將超短脈衝(chong) 引導到目標上，但這在機器人手臂上很難實現。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，來自弗勞恩霍夫激光技術研究所和AMPHOS公司的專(zhuan) 家們(men) 合作開發了一種新技術，來耦合超短脈衝(chong) 激光束的射進射出。激光源則通過空心光纖與(yu) 機器人手臂上的掃描儀(yi) 相連。

2019年9月26日，在美國加利福尼亞(ya) 州阿納海姆舉(ju) 行的複合材料與(yu) 先進材料博覽會(hui) （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(chan) 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(cong) 而減少了後續諸多昂貴且耗時的步驟。

成功的結果

為(wei) 了測試這個(ge) 新方法並論證其技術可行性，項目合作夥(huo) 伴製造了一個(ge) 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(guan) 。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(you) 於(yu) 常規方法生產(chan) 的CFRP組件。由於(yu) 嵌入件和基體(ti) 材料之間的緊密連接，使用這種新方法生產(chan) 的CFRP組件，能夠承受最大的拉拔力比采用粘接嵌入件的傳(chuan) 統製造組件要高出50%。再加上機械性能優(you) 化，讓CFRP組件的整體(ti) 組件厚度和重量降低成為(wei) 可能。

CarboLase工藝還在定義(yi) 緊固件尺寸和位置方麵上為(wei) 設計者們(men) 提供了更多的創作自由。機器人和掃描儀(yi) 在米和微米尺度的移動比傳(chuan) 統的靜態加工中心更具靈活性。這就為(wei) CFRP部件的高效大規模定製化生產(chan) 鋪平了道路，必將遠遠超越現有的技術水平。

動態超短脈衝(chong) 激光鑽孔工藝對航空航天業(ye) 和汽車行業(ye) 來說特別有意義(yi) ，尤其是在製造輕型零部件方麵上，對於(yu) 簡化CFRP組件的製造工藝和降低材料成本來說頗具潛力。

從(cong) 研發到工業(ye) 量產(chan)

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(wei) CarboLase項目聯合開發了新的超短脈衝(chong) 激光技術。LUNOVU公司是一家負責將各個(ge) 工序整合起來的係統集成商，LUNOVU公司把傳(chuan) 感器集成到亞(ya) 琛工業(ye) 大學紡織技術研究所內(nei) 的機器人單元中。

KOHLHAGE緊固件公司在該項目中也發揮了關(guan) 鍵作用，負責為(wei) 嵌入件的自動部署和集成設計了一個(ge) 係統。亞(ya) 琛工業(ye) 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(liang) 年半的時間裏，該項目從(cong) 歐洲區域發展基金處獲得了約200萬(wan) 歐元的資助。

CarboLase項目成果計劃於(yu) 2020年5月12日至14日在巴黎舉(ju) 辦的法國巴黎國際複合材料展覽會(hui) （JECWorld2020），AZL聯合展台（5A展廳，L97展台）上展示。