پردازش لیزری پلاستیک های الیاف دار

توسعه پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن با پردازش لیزری

پلاستیک تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) به دلیل مزایای منحصر به فردی مانند استحکام ویژه بالا، مدول ویژه بالا و مقاومت در برابر خستگی اغلب در صنایع هوافضا، هوانوردی، خودرو سازی، حمل و نقل ریلی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترکیبات کامپوزیت معمولا باید به هم متصل و یکپارچه باشند. از روش‌های برش، مته کاری و تیمار سطحی در صنعت ساخت تجهیزات برای پردازش ترکیبات کامپوزیت استفاده می‌شود. کیفیت CFRP به‌طور چشمگیری تحت تاثیر پردازش مکانیکی سنتی قرار می گیرد و باعث ایجاد نواقصی مانند لایه لایه شدن، پلیسه دار شدن و پارگی می‌شود. فناوری پردازش لیزری به دلیل دارا بودن کیفیت بالا، غیرتماس، کنترل ساده و اتوماسیون به‌عنوان یک روش حیاتی برای پردازش CFRP شناخته شده است. در این مقاله جدیدترین تحقیقات درمورد پردازش لیزری CFRP ارائه شده است که از دانشمندان و مهندسان که در این زمینه از این تکنیک تولید غیرمعمول کار می‌کنند، حمایت می‌کند. همچنین در اینجا یک نمای کلی از ویژگی‌های کلیدی فناوری پردازش لیزری و تکنیک‌های ماشین‌کاری متعدد موجود ارائه می‌شود. مفاهیم و مزایای فناوری پردازش لیزری از نظر خواص مواد، نحوه عملکرد، ویژگی‌های لیزر و همچنین روش‌های دستیابی به راندمان بالا، آسیب کم، و دقت بالا نیز مورد بحث قرار می‌گیرند. در این مقاله به بررسی توسعه پردازش لیزری پلاستیک‌های تقویت‌شده با فیبر کربن و عوامل مؤثر بر کیفیت پردازش لیزری CFRP می‌پردازیم. بنابراین، محتوای پژوهشی این مقاله در عین حال که روند توسعه فناوری پردازش CFRP را آنالیز می کند، می‌تواند به‌عنوان مبنایی نظری با هدف کاهش آسیب‌های حرارتی و بهبود کیفیت پردازش مواد کامپوزیتی فراوری‌شده با لیزر مورد استفاده قرار گیرد.

پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) یکی از پیشرفته‌ترین مواد کامپوزیتی است که امروزه در دسترس است. CFRP توسط اپوکسی به‌عنوان ماتریس و فیبر کربن به‌عنوان تقویت کننده قالب گیری می‌شود. در مقایسه با سایر کامپوزیت‌های الیافی از چگالی کم (تقریباً 1.3 تا 2.0 گرم بر سانتی‌متر مکعب، تنها حدود یک چهارم فولاد معمولی)، استحکام ویژه بالا، قابلیت طراحی، مقاومت در برابر خوردگی و دیگر مزایای بی‌نظیر برخوردار است. CFRP به‌عنوان یک ماده سبک وزن کاربرد گسترده‌ای در صنایع هوافضا، خودرو سازی، نیروگاه‌های بادی، ساختمان و سایر زمینه‌های صنعتی استفاده می‌شود. CFRP اغلب با استفاده از مخزن‌های پرس داغ، فشار فیلم وغیره تهیه می‌شوند. با این حال، به‌دلیل مونتاژ روند ساخت به پردازش بیشتر CFRP مانند برش، مته کاری، برش، و اتصال نیاز است. پردازش مکانیکی متعارف و پردازش ویژه دو نوع روش پردازش ثانویه هستند. مته کاری، فرزکاری، اره کاری، و سیم برش با فناوری‌های پردازش مکانیکی سنتی هستند که ممکن است با ایجاد شکستگی، پارگی و لایه‌ لایه شدگی به مواد آسیب برسانند. بنابراین، محققان فناوری‌های پردازش جدیدی مانند پردازش لیزری، پردازش آب ساینده، پردازش ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (EDM)، پردازش ارتعاش اولتراسونیک، فناوری‌های پردازش جدید وغیره را توسعه دادند. CFRP به‌دلیل استحکام بالا، سختی بالا، مقاومت سایشی بالا، مواد متنوع چند لایه و سایر متغیرها و همچنین خواص ناهمگن و ناهمسانگرد به یک ماده چالش برانگیز برای پردازش تبدیل می‌شود. علیرغم کاهش آسیب مکانیکی، پردازش با جت آب ساینده همچنان باعث بروز نقص پردازشی مانند تغییر شکل پوسته و لایه لایه شدن مواد می‌شود و محدودیت‌های خاصی در برش قطعات پیچیده دارد. از طرف دیگر، فرایند EDM آسیب مکانیکی کمتری ایجاد می‌کند اما عملکرد و دقت ماشینکاری ضعیفی دارد. اگرچه روش پردازش ارتعاش اولتراسونیک نیروی برش را کاهش می‌دهد، لایه لایه شدگی الیاف و ترک‌خوردگی داخلی همچنان رخ می‌دهد. پردازش لیزری به‌عنوان یک تکنیک پردازش کامل فاقد ابزار، سرعت پردازش سریع و کنترل آسان خودکار در فرایند است.

بسیاری از محققان روش‌های پردازش لیزری و سایر روش‌های پردازش ویژه را با هم مقایسه کردند. از نظر آسیب‌ و عیوب پردازش، پردازش لیزری کمترین تأثیر را بر استحکام خستگی و استحکام کششی کامپوزیت‌های الیافی دارد. از نظر کارایی اقتصادی و هزینه نیز پردازش لیزری کارآمدترین و مقرون به صرفه ترین روش برای پردازش است. از نظر پردازش، باز هم پردازش لیزری یک روش بدون تماس کاملا قابل کنترل است که می‌تواند در مته کاری، پرداخت، برشکاری، فرزکاری، پیش تصفیه سطح وغیره استفاده شود. پردازش لیزری را می‌توان با سایر زمینه‌های انرژی مانند جت‌های آب، امواج فراصوت، میدان‌های الکترومغناطیسی و دیگر پردازش‌های لیزر کمکی در پردازش میدان انرژی ترکیب کرد. بسیاری از کشورها به تولید صنعتی پردازش لیزری CFRP با کنترل اتوماسیون آسان و انعطاف پذیری بالا پی برده‌اند. یک دستگاه برش لیزری پنج محوره CFRP از نمونه‌های قالب‌گیری شده سه بعدی در ژاپن ساخته شد؛ ربات‌های لیزری در آلمان برای برش قطعات کامپوزیت فیبر کربنی در خودروهای پیشرفته استفاده می‌شوند؛ و ربات لیزری نانوثانیه‌ای مادون قرمز با توان 1.5 کیلووات فرایند برش سازه خودروی ساخته شده از مواد CFRP با حداکثر ضخامت 5 میلی‌متر را تکمیل کرده است. در چند دهه گذشته، هم چالش‌ها و هم فرصت‌هایی برای پردازش لیزری مواد کامپوزیتی وجود داشته است. اول، مواد رزینی، مواد ترموست و ترموپلاستیک مجددا طبقه بندی می‌شوند. کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف را می‌توان به کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف کوتاه حاوی الیاف کوتاه ناپیوسته به‌عنوان فاز تقویت کننده و کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف بلند جاوی الیاف بلند پیوسته به‌عنوان فاز تقویت کننده تقسیم کرد. دوم، خواص فیزیکی فیبر کربن و رزین اپوکسی نیز بسیار متفاوت است.

جمع بندی و کلام آخر

این مقاله تحلیل کاملی از فناوری پردازش لیزر CFRP، برخی از یافته‌ها و روندهای فناوری پردازش لیزری ترسیم شده CFRP را ارائه می‌دهد. پردازش لیزری در حال حاضر به دلیل مزایای منحصر به فردی مانند غیرتماسی، دقت بالا، انعطاف پذیری و عملکرد خوب به وفور در پردازش CFRP استفاده می شود. استفاده از فناوری لیزر برای برشکاری، مته کاری، فرزکاری، تمیز و جوشکاری CFRP نقش مهمی در بهبود راندمان تولید دارد. به منظور کاهش بیشتر HAZ و پهنای برش در طول پردازش و تکمیل پردازش کم آسیب، دقت بالا، با کیفیت بالا و صنعتی CFRP، می‌توان بر زمینه‌های تحقیقاتی زیر متمرکز شد:

1. توسعه فناوری پردازش لیزر با دقت و کارایی بالا: لیزرها با طول موج کوتاه و پالس‌های فوق کوتاه امکان پردازش بسیار دقیق و باکیفیت ریزساختارها را فراهم می‌کنند. با ظهور لیزرهای پیکوثانیه پرقدرت کلاس کیلووات و بهبود بیشتر مکانیزم‌های لیزر سریع، علاوه بر حفظ  دقت و کیفیت پردازش موجود، فناوری پردازش لیزر فوق‌سریع، راندمان پردازش، و مقیاس قابلیت ماشینکاری‌ بسیار بالا به‌طور مستقیم بهبود یافته است.

2. توسعه فناوری با هدف کنترل زمان واقعی پارامترها که می‌تواند در هر زمان با توجه به نتایج پردازش تغییر کند: در طول پردازش لیزری، پارامترهای پردازش لیزر و پارامترهای مواد تاثیر زیادی بر کیفیت پردازش دارند. پردازش تحت تأثیر مواد CFRP (به‌عنوان مثال زاویه آرایش مواد، ضخامت مواد، وغیره)، عملکرد متفاوت لیزر (برای مثال قطر نقطه لیزر، کیفیت پرتو، فرکانس تکرار وغیره) و تغییر در نتایج پارامترها است.

3. توسعه فناوری پردازش لیزری با مساحت بزرگتر و با کیفیت بالاتر: پردازش لیزری معمولا CFRP را به دلیل توزیع نابرابر انرژی لیزر گاوسی و چگالی بالای آن در برخی نقاط در قالب پالس گاوسی با چگالی انرژی بسیار بالا پردازش می‌کند. این لیزر مستعد آسیب شدید حرارتی به مواد است. بنابراین در فرایند تولید واقعی نمی‌تواند دقت بیشتری داشته باشد.

4. بهبود اتوماسیون پردازش لیزری با ادغام رباتیک و فناوری پردازش لیزر: از CFRP با توسعه فضاپیماهای بزرگ، اتومبیل‌های سبک وزن، هواپیماها وغیره بیشتر و بیشتر در زمینه‌های مختلف استفاده می‌شود. افزایش تقاضا برای منابع انسانی همچنین منجر به افزایش خطای انسانی و درنتیجه، کاهش بیشتر کیفیت فرایند ثانویه CFRP می‌شود.

5. توسعه فناوری پردازش با هدایت آب با تمیزی و کیفیت پردازش بالا و عملکرد پر هزینه: با توجه به جذب بالای انرژی لیزر توسط آب و فرسایش سریع انرژی، به تحقیقات بیشتری در حوزه قانون فرسایش لیزر در آب، یافتن همزمان روش مناسبی برای جفت کردن لیزرها و جت‌های آب، و کاهش تضعیف انرژی در آب مورد نیاز است. بنابراین، راندمان انتقال لیزر هدایت شده با آب و همچنین افزایش سرعت پردازش افزایش می یابد.

6. توسعه فناوری پردازش کارآمدتر و مستحکم تر: درمورد پردازش کامپوزیت لیزری، فناوری حذف لیزری مواد کامپوزیت چند میدانی به تدریج درحال ظهور است. میدان‌های انرژی که معمولا مورد استفاده قرار می‌گیرند، میدان‌های الکترومغناطیسی، حرارتی، ارتعاشی وغیره هستند اما استفاده از آنها در کاربردهای صنعتی پرهزینه بوده و به تحقیقات بیشتری نیاز دارد.