歐洲資助CFRP激光加工和自動化技術(shù)開發(fā) 金屬緊固件埋入技術(shù)再上新臺階
日期：2020-02-12
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碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是用途廣泛的復(fù)合材料之一。CFRP將樹脂基體和高強度碳纖維的優(yōu)異性能結(jié)合在一起，形成了高強度、高剛度和低密度的材料解決方案。那么，在能源效率備受關(guān)注的當(dāng)下，CFRP的應(yīng)用并未實現(xiàn)真正的突破的原因何在？一方面，是因為成本居高不下，另一方面則是CFRP部件的加工制造相當(dāng)困難。
為了解決這一難題，2017年3月，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）與來自研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的4個合作伙伴啟動了一項名為“CarboLase - 高效、自動化和量身定制的即時CFRP部件制造”的研究項目。該項目由歐洲地區(qū)發(fā)展基金（ERDF）資助，旨在幫助參與項目的北萊茵威斯特伐利亞中小企業(yè)（SMEs）成為行業(yè)技術(shù)的先行者，從而提升他們在德國和國際上的長期競爭力。項目目標(biāo)明確，主要通過簡化CFRP生產(chǎn)工藝、降低成本來達(dá)成。
該項目歷時兩年半，共獲得ERDF資助約200萬歐元，已于去年結(jié)題。下面，小編就為您介紹一下該項目的主要研究成果。
CarboLase項目公布的新一代CFRP部件
CFRP部件的傳統(tǒng)組裝方法是先在成型的CFRP模塊上鉆孔，隨后將螺紋嵌入件等金屬緊固件粘在其中。采用輕質(zhì)復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)零部件時，需要將CFRP部件與傳統(tǒng)部件連接在一起。
CarboLase項目另辟蹊徑，通過緊固件與織物預(yù)制件的集成開發(fā)出了不同的解決方案。終的CFRP部件通過附加固化工藝與嵌入件合而為一，大大縮短了工藝鏈。然而，這種方法只在鉆孔精度極高時有效。
采用超短脈沖激光束制造出星形切口的碳纖維預(yù)制件及其對應(yīng)金屬緊固件。
德國Fraunhofer ILT
三管齊下
項目組開發(fā)了CNC切割、激光加工和自動處理三管齊下的全新CFRP部件制造工藝。他們將這三個獨立的工藝技術(shù)組合在一個機器人單元中，并自動執(zhí)行所有的工藝步驟。先，通過切割、堆疊和組裝將織物制成預(yù)制件；然后，采用超短脈沖激光（USP laser）為金屬緊固件進(jìn)行高精度鉆孔。
超短脈沖激光是傳統(tǒng)制造工藝很好的替代技術(shù)，但必須在機器人單元中集成激光器。在傳統(tǒng)的設(shè)備中，超短脈沖會通過鏡子進(jìn)行目標(biāo)引導(dǎo)，但這在機器手上很難實現(xiàn)。為了解決這一問題，項目組成員開發(fā)了一種全新技術(shù)，使超短脈沖激光發(fā)生耦合。激光源則通過空心光纖連接到機器手的掃描儀上。
采用超短脈沖激光進(jìn)行加工的一大特點是不會對預(yù)制件造成熱損傷。
德國亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所
項目成果
為了進(jìn)一步驗證該方法的技術(shù)可行性，項目合作者們制造了一個B柱示范件，并對其進(jìn)行了全面的力學(xué)性能測試，實驗結(jié)果全部考核通過。在一系列的拉拔和扭轉(zhuǎn)實驗中，采用CarboLase技術(shù)制造的連接件表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法連接件。由于緊固件與基體材料之間的緊密連接，采用新方法制造的CFRP部件比傳統(tǒng)部件（粘接緊固件）的拉拔力高出50%。力學(xué)性能的顯著提高，再加上部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，使得部件整體厚度和重量的降低成為可能。
CarboLase方法為緊固件尺寸和位置選擇創(chuàng)造了更多的自由度。機器人和掃描儀在米和微米尺度的移動比傳統(tǒng)的靜態(tài)加工中心更具靈活性。這就為CFRP部件的高效大規(guī)模定制化生產(chǎn)鋪平了道路，必將超越現(xiàn)有的技術(shù)水平。動態(tài)超短脈沖激光鉆孔技術(shù)在航空和汽車制造業(yè)的輕量化部件制造領(lǐng)域也備受關(guān)注，在簡化工藝步驟和降低CFRP部件制造成本方面頗具潛力。
不管幾何尺寸和批量大小如何，三管齊下的整合工藝都為CFRP部件的即時生產(chǎn)開啟了一扇全新的大門。
德國亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所
項目成員分工
Fraunhofer ILT和AMPHOS公司依托原有技術(shù)特長為CarboLase項目開發(fā)了超短脈沖激光打孔技術(shù)。LUNOVU公司作為系統(tǒng)集成企業(yè)，負(fù)責(zé)將獨立的工藝步驟進(jìn)行整合，并將傳感器集成在亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所內(nèi)的機器人單元中。KOHLHAGE緊固件公司負(fù)責(zé)自動部署和緊固件集成系統(tǒng)的設(shè)計。而亞琛大學(xué)紡織技術(shù)研究所則負(fù)責(zé)激光加工預(yù)制件自動化工藝鏈的具體實施。
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