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(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項目的研究工作。

 

    以“CarboLase——高產(chǎn)率、自動化、訂制而準時的CFRP部件生產(chǎn)”為標題，該項目得到了歐洲區(qū)域發(fā)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(yè)成為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，并提升他們在國內(nèi)和國際市場的長期競爭力。

 

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

 

    傳統(tǒng)的碳纖維增強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，這種方法只有當非常精確地在織物預(yù)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(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所）

 

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

 

    首先，對織物進行切割、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(shù)，這為實現(xiàn)CFRP部件的準時生產(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）

 

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

 

    在一系列的拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗中，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，這種對力學(xué)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(shè)計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(shù)水平而高效率地大批量訂制CFRP部件鋪平了道路。

 

    這種動態(tài)的USP 激光鉆孔工藝對于航空和汽車領(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(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(shè)計了一個系統(tǒng)，可以自動完成對嵌件的部署和集成；亞琛工業(yè)大學(xué)ITA負責實施自動化的工藝鏈，用于制造激光加工的預(yù)成型件。

 

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

 

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