用帶有星形切口的USP激光束鉆孔的碳纖維預(yù)成型件和比例完美的金屬嵌件（圖片來自弗勞恩霍夫ILT）

 

    碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）部件通常需要采用緊固件進(jìn)行組裝，這些緊固件通常是在CFRP 部件固化并在其上鉆孔后被粘接上去。

 

    CarboLase項(xiàng)目聯(lián)盟開發(fā)了一種新方法，利用超短脈沖激光在織物預(yù)成型件上鉆出微米級(jí)精度的孔用于固定緊固件，這樣，可以在CFRP部件固化前將緊固件集成到高精度的孔中，從而縮短生產(chǎn)時(shí)間。

 

    2017年3月，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（簡稱ILT）與來自研究和工業(yè)領(lǐng)域的4家合作伙伴開始了一個(gè)項(xiàng)目的研究工作。

 

    以“CarboLase——高產(chǎn)率、自動(dòng)化、訂制而準(zhǔn)時(shí)的CFRP部件生產(chǎn)”為標(biāo)題，該項(xiàng)目得到了歐洲區(qū)域發(fā)展基金（ERDF）的資助，其目標(biāo)非常明確：幫助參與該項(xiàng)目的北萊茵-威斯特伐利亞的中小企業(yè)成為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，并提升他們?cè)趪鴥?nèi)和國際市場(chǎng)的長期競(jìng)爭(zhēng)力。

 

    通過簡化CFRP的生產(chǎn)工藝鏈以及降低成本，該項(xiàng)目的合作伙伴們實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

 

    傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)塑料部件的組裝方法是：在預(yù)制的CFRP模塊上鉆孔，然后粘上金屬緊固件，如螺紋嵌件。

 

    CarboLase項(xiàng)目采取了不同的方法，即將緊固件集成到織物預(yù)成型件中，最終含有緊固件的CFRP部件在額外的固化過程中被生產(chǎn)出來，從而極大地縮短了生產(chǎn)工藝鏈。

 

    但是，這種方法只有當(dāng)非常精確地在織物預(yù)成型件中鉆出用于緊固件的孔時(shí)才有效。

 

    一種新的方法是在不造成任何熱損傷的情況下利用USP激光器加工織物（圖片來自亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所）

 

    該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種三管齊下的方法，將數(shù)控切割、激光加工和自動(dòng)化操作等技術(shù)集成到一個(gè)機(jī)器人單元中，從而在所有的工步之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

 

    首先，對(duì)織物進(jìn)行切割、鋪層和組合以制備預(yù)成型件；接著，用超短脈沖激光（簡稱USP）在預(yù)成型件中鉆出用于金屬緊固件的高精度孔。

 

    USP為傳統(tǒng)制造提供了良好的替代方法，但激光器需要集成到機(jī)器人單元中。

 

    在傳統(tǒng)裝置中，USP是通過反射鏡被引導(dǎo)到目的地，但這在機(jī)器人手臂上很難做到。

 

    為解決這一問題，來自弗勞恩霍夫ILT 和AMPHOS GmbH的專家們合作開發(fā)了一種新的技術(shù)，用于耦合USP激光束的進(jìn)出。

 

    USP激光源通過空心光纖與機(jī)器人手臂上的掃描儀連接。

 

    在一個(gè)機(jī)器人單元中組合各種技術(shù)，這為實(shí)現(xiàn)CFRP部件的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)帶來了可能，無論部件的形狀和批次大小如何（圖片來自亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所）

 

    為了測(cè)試這種新方法并證明其技術(shù)可行性，該項(xiàng)目的合作伙伴們生產(chǎn)了一個(gè)B柱示范件并對(duì)其進(jìn)行各種力學(xué)性能測(cè)試，所有測(cè)試都順利通過。

 

    在一系列的拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，采用CarboLase方法生產(chǎn)的CFRP部件中的接頭要比采用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的CFRP部件中的接頭擁有更好的性能。

 

    歸功于嵌件與基體材料之間的聯(lián)鎖連接，采用這種新方法生產(chǎn)的CFRP 部件所能承受的最大拉力要比采用傳統(tǒng)的嵌件粘接方式制成的部件高50%。

 

    取決于部件的設(shè)計(jì)，這種對(duì)力學(xué)性能的改善為減小整個(gè)部件的厚度從而降低重量提供了潛力。

 

    CarboLase方法為設(shè)計(jì)師們確定緊固件的大小和位置提供了更具創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)自由度。

 

    與靜止不動(dòng)的機(jī)械加工中心相比，機(jī)器人和掃描儀可以在米和微米尺度上更自由地移動(dòng)，這為超越當(dāng)前技術(shù)水平而高效率地大批量訂制CFRP部件鋪平了道路。

 

    這種動(dòng)態(tài)的USP 激光鉆孔工藝對(duì)于航空和汽車領(lǐng)域生產(chǎn)輕量化的部件尤為具有吸引力，它為降低生產(chǎn)CFRP部件的工藝和材料成本提供了潛力。

 

    在此項(xiàng)目中，弗勞恩霍夫ILT 和AMPHOS GmbH整合了他們各自的專知，為CarboLase 項(xiàng)目開發(fā)了USP 激光器；LUNOVU GmbH 作為系統(tǒng)集成商，幫助亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所（ITA）完成了對(duì)各個(gè)單獨(dú)工藝步驟的連接以及在機(jī)器人單元中集成傳感器；KOHLHAGE Fasteners GmbH & Co. KG設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，可以自動(dòng)完成對(duì)嵌件的部署和集成；亞琛工業(yè)大學(xué)ITA負(fù)責(zé)實(shí)施自動(dòng)化的工藝鏈，用于制造激光加工的預(yù)成型件。

 

    在兩年半的時(shí)間里，該項(xiàng)目獲得了由歐洲區(qū)域發(fā)展基金（ERDF）提供的大約200萬歐元的資助。

 

    CarboLase 項(xiàng)目成果將在JEC World 2020展會(huì)中AZL的聯(lián)合展臺(tái)（5A-L97）得到展示。