航宇制造商采用激光水射流提升碳纤维/陶瓷基复合材料加工效率
来源：航空工业信息网  2019-05-23 10:10:05
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文章关键词： 激光水射流 碳纤维 陶瓷基 复合材料 航宇制造商

原文：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-8091.html       随着碳纤维增强塑料(CFRP)和陶瓷基复合材料(CMC)材料在飞行器发动机、航天组件和高超声速应用中的激增，加工成为一个问题，因为精度和效率会改变项目成果。将高可靠性和高精度特征加工成CFRP和CMC的尝试，由于其硬度和磨损性而具颇具挑战，会导致加工速度慢、对材料性能产生不良影响、无法满足零件规格以及高运营成本，包括不断重复的刀具替换。

       为了应对这一挑战，制造商们已经开发了一系列用于加工这种先进复合材料的激光技术。虽然激光提供了提高效率和消除刀具重复性成本的潜力，但产生的热量会消散到材料中，从而可能产生微裂纹和材料变化。激光在光束的焦点处切削，也会导致V形切口，这对于控制精确的公差可能是有问题的。

       瑞士Synova公司开发的激光微射流技术可以生成完全包含在水射流中的激光束。激光在空气-水界面处反射，原理上类似于光纤，而水则冷却切削区，并从切口洗去碎屑。据报道，与传统激光器相比，该技术的优点包括不会燃烧或热退化，更少的毛刺可以使表面更光滑，直边切削和更高的精度。

       2017年GE航空公司在位于美国北卡罗来纳州阿什维尔的CMC发动机部件生产厂部署了激光微射流技术。在这里，它用于在LEAP发动机的CMC罩环中加工孔。GE航空CMC生产经理Ryan Huth表示：“这项技术有助于保持钻孔直径的高精度。微射流可以在两分钟内钻孔，而传统加工要钻一小时。”

       水和光的力量

       Synova公司由Bernold Richerzhagen博士于1997年创立，他于20世纪90年代在瑞士联邦理工学院进行研究后获得了激光微射流技术的专利。该技术于2001年被广泛用于半导体晶圆切割。然后，Synova于2003年在美国、日本、印度和韩国设立了本地子公司。这些技术现在已经扩展到包括了微加工中心，计划近期在中国大陆和台湾进行扩建。 2009年，Synova与Makino铣削机床公司建立了合作开发伙伴关系，推出了新的机床系列，并推进了它们用于加工医疗设备、手表机械、燃气和喷气发动机涡轮叶片、半导体设备和超硬材料的切削工具。

       在激光微射流系统中，激光束通过加压水舱并聚焦到喷嘴中。激光器是一种常见的工业型号——固态Nd:YAG，功率为10-200瓦，波长为1064(红外)、532或355纳米。发丝细的射流——直径为50-70微米——过滤的去离子水在200-650巴的低压下使用。这使得水的消耗很低，大约2-3升/小时，并且施加在材料上的力是可忽略的小于0.1牛顿。

       如何在水中实现有效的激光烧蚀？Synova美国业务经理Jacques Coderre解释说：“激光大约每秒脉冲10000次。对于每个激光脉冲，产生的等离子体会向上推水，从而实现烧蚀。在脉冲结束时，等离子体坍塌，然后水清洁表面并消散热量。”他指出，水射流还消除了干式激光系统通常需要保持激光聚焦带来的复杂性和工艺变化。“这样可以切割厚的或非平面的零件而不必担心焦点。利用该技术还生产出一种圆柱形激光器，可以产生完全平行的壁，并具有紧密的切口宽度。”

       为复合材料配置

       激光微射流不仅适用于CMC，而且适用于CFRP和堆叠层压板。在测试过程中，它在2.6毫米厚的CFRP层压板上生成直径为3毫米的孔，速度高达1440毫米/分钟。Coderre表示：“使用常规的激光器，因为热量你必须降速。常规的铣削可以达到类似的速度，但由于需要更换刀具，因此运营成本更高。”该技术可以切割1英寸厚的CMC层压板。“速度基于非常恒定的1立方毫米/分钟的消融率。”

       Synova公司拥有一系列机床，去年推出了五轴CNC LCS 305系统。Coderre解释道：“这台机床擅长高精度3D切削，非常适合小型CMC零件，但它不适合大型CFRP零件。”为此，Synova已将其激光微射流集成到龙门机床中，能够加工大于2米×3米的零件。“它还很容易与机器人集成，易于编程，”他补充道。对于2D切削，微射流软件将CAD文件转换为机床代码。 一旦验证，操作员只需按下一个按钮，机床就会执行切削程序。对于3D切割，Coderre解释说后处理器从CAD文件中提取必要的3D数据，并将其格式化用于微射流软件。

        对于“工厂4.0”功能，激光功率计、定位传感器和自动射流角度校正集成在激光微射流系统中。Coderre表示：“它非常灵活，易于作为独立系统集成到零件生产中，或作为全自动生产线的一部分，无需操作员实现大批量生产。”该技术已在LEAP发动机的CMC零件中得到验证。“对于复合材料，它通过更快的生产速度、更低的运营成本、更高的可靠性和更高的产量实现了更低的制造成本。”随着新材料、市场和竞争性金属技术的不断发展，这种效率确实是复合材料所需要的。

文章来源：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-8091.html

文章关键词： 激光水射流 碳纤维 陶瓷基 复合材料 航宇制造商