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

 

    碳纖維增強塑料（CFRP）部件通常需要采用緊固件進行組裝，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項目聯盟開發了一種新方法，利用超短脈沖激光在織物預成型件上鉆出微米級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，從而縮短生產時間。

 

    2017年3月，弗勞恩霍夫激光技術研究所（簡稱ILT）與來自研究和工業領域的4家合作伙伴開始了一個項目的研究工作。

 

    以“CarboLase——高產率、自動化、訂制而準時的CFRP部件生產”為標題，該項目得到了歐洲區域發展基金（ERDF）的資助，其目標非常明確：幫助參與該項目的北萊茵-威斯特伐利亞的中小企業成為技術領導者，并提升他們在國內和國際市場的長期競爭力。

 

    通過簡化CFRP的生產工藝鏈以及降低成本，該項目的合作伙伴們實現了這一目標。

 

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

 

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

 

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

 

    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（圖片來自亞琛工業大學紡織技術研究所）

 

    該項目團隊開發了一種三管齊下的方法，將數控切割、激光加工和自動化操作等技術集成到一個機器人單元中，從而在所有的工步之間實現自動化操作。

 

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

 

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

 

    在傳統裝置中，USP是通過反射鏡被引導到目的地，但這在機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的專家們合作開發了一種新的技術，用于耦合USP激光束的進出。

 

    USP激光源通過空心光纖與機器人手臂上的掃描儀連接。

 

    在一個機器人單元中組合各種技術，這為實現CFRP部件的準時生產帶來了可能，無論部件的形狀和批次大小如何（圖片來自亞琛工業大學紡織技術研究所）

 

    為了測試這種新方法并證明其技術可行性，該項目的合作伙伴們生產了一個B柱示范件并對其進行各種力學性能測試，所有測試都順利通過。

 

    在一系列的拉伸和扭轉試驗中，采用CarboLase方法生產的CFRP部件中的接頭要比采用傳統方法生產的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鎖連接，采用這種新方法生產的CFRP 部件所能承受的最大拉力要比采用傳統的嵌件粘接方式制成的部件高50%。

 

    取決于部件的設計，這種對力學性能的改善為減小整個部件的厚度從而降低重量提供了潛力。

 

    CarboLase方法為設計師們確定緊固件的大小和位置提供了更具創造性的設計自由度。

 

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

 

    這種動態的USP 激光鉆孔工藝對于航空和汽車領域生產輕量化的部件尤為具有吸引力，它為降低生產CFRP部件的工藝和材料成本提供了潛力。

 

    在此項目中，弗勞恩霍夫ILT 和AMPHOS GmbH整合了他們各自的專知，為CarboLase 項目開發了USP 激光器；LUNOVU GmbH 作為系統集成商，幫助亞琛工業大學紡織技術研究所（ITA）完成了對各個單獨工藝步驟的連接以及在機器人單元中集成傳感器；KOHLHAGE Fasteners GmbH & Co. KG設計了一個系統，可以自動完成對嵌件的部署和集成；亞琛工業大學ITA負責實施自動化的工藝鏈，用于制造激光加工的預成型件。

 

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

 

    CarboLase 項目成果將在JEC World 2020展會中AZL的聯合展臺（5A-L97）得到展示。