Laserowa obróbka materiałów kompozytowych

© Turnology

Udostępnij:

 

Kompozyty z włóknem węglowym cenione są za wytrzymałość i niewielki ciężar, a ich wykorzystanie w wielu gałęziach przemysłu stale rośnie. Wprawdzie materiały te są dość trudne w obróbce, jednak praktyka pokazuje, że promień lasera jest dobrym i ekonomicznym narzędziem do kształtowania kompozytów wzmacnianych włóknem karbonowym. 

Włókna węglowe są obecnie modne, ale trudne w obróbce. Specjaliści wszelkich technik obróbczych pracują nad metodami pewnej, szybkiej i przede wszystkich opłacalnej obróbki materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknem węglowym (ang. Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP). Jednocześnie coraz częściej w technologiach przemysłowych wykorzystuje się światło laserowe, ponieważ obróbka za pomocą lasera jest precyzyjna, powtarzalna i wysokowydajna. Nieuniknione zatem stały się próby użycia lasera do przetwarzania tworzyw kompozytowych.



Trudna i kosztowna obróbka
Konstruktorzy kochają lekkie, plecione materiały ze względu na ich sztywność, wytrzymałość i niewielki ciężar. Technolodzy produkcji jednak nie są już tak entuzjastyczni, ponieważ kompozyty składają się z dwóch materiałów, które różnią się właściwościami mechanicznymi, cieplnymi oraz charakterem odkształceń. Finalne atrybuty kompozytu nigdy nie prezentują sumy czy średniej wartości poszczególnych cech jego składników. Frezowanie, wiercenie lub cięcie kompozytów karbonowych może powodować uszkodzenia ich struktury oraz szybkie zużycie narzędzi obróbczych. W trakcie tych działań powstaje konieczność stałej kontroli stanu narzędzi i częstej ich wymiany, co z kolei powoduje przerwy na przezbrojenie, znacznie podnosząc koszty procesu produkcyjnego.

Z kolei w trakcie cięcia strumieniem wody z użyciem środka ściernego włóknista krawędź cięta zostaje nieznacznie uszkodzona przez ścierniwo lub staje się wilgotna, przez co włókna mogą się odrywać od matrycy. Ponadto na przedmiot w ten sposób obrabiany oddziałują istotne siły. W rezultacie jakość cięcia wodą często pozostawia wiele do życzenia, a z krawędzi mogą wystawać włókna. Utrzymanie odpowiedniej jakości produkcji elementów z materiałów CFRP przy zastosowaniu obróbki skrawaniem czy waterjetów jest zatem sporym wyzwaniem.



Bezdotykowy laser
W porównaniu z wyżej wymienionymi metodami obróbka laserem ma szereg zalet. Laser narzędziowy nigdy się nie zużywa i pracuje bezdotykowo z przedmiotem obrabianym. Producent uzyskuje stałą wysoką jakość i powtarzalne rezultaty. Specjalistom techniki laserowej udało się tak dopraco wać tę technologię, aby za pomocą raz zadanych parametrów wyrównywać różnice w grubości i właściwościach materiału w trakcie bieżącego procesu obróbczego. Poza tym promień lasera nie obciąża mechanicznie obrabianego przedmiotu, dzięki czemu można nim modelować bardzo cienkie lub wręcz filigranowe części z CFRP. Przy kształtowaniu geometrii i konturów światło laserowe również zdaje egzamin, ponieważ optyka nie ma kontaktu z obrabianym przedmiotem i może być od niego oddalona o ponad 150 mm, dzięki czemu promień lasera może dotrzeć także do trudno dostępnych obszarów detalu.

Dodatkowo w przypadku cięcia laserowego włókien węglowych i CFRP mamy do czynienia z sublimacją: materiał, który zostaje precyzyjnie uderzony wysoką dawką energii, natychmiast wyparowuje. Nie powstaje jednak wytop, który trzeba usunąć. Cięcie jest gładkie, żadne włókno nie wystaje. Strefa wpływu ciepła na krawędzi cięcia jest minimalna i według dzisiejszego stanu wiedzy nie oddziałuje na cechy mechaniczne elementu.

Precyzję lasera widać także podczas cięcia materiałów preform. Preformy to suche półprodukty włókiennicze, quasi-maty, jeszcze nieutwardzone, a zatem elastyczne. W produkcji preform maty po przycięciu wkłada się do formy, w której pod wpływem temperatury stają się preformami 3D. Następnie np. za pomocą technologii RTM (ang. Resin-Transfer-Moulding- -Process – wytwarzanie laminatów w formach zamkniętych) preformy infiltruje się z matrycą z żywicy syntetycznej, która schnie i twardnieje. Tak powstają części CFRP z kompleksową, trójwymiarową geometrią.

Szybkie i precyzyjne cięcie
Promień lasera przycina preformę wzdłuż konturu, zachowując stałą prędkość i jakość, jakiej inne metody cięcia – np. za pomocą noża ultradźwiękowego – nie zdołają osiągnąć. Preformy po zakończeniu cięcia laserowego mają czyste, trwałe naturalne krawędzie bez wystających włókien. Ułatwia to dalsze etapy produkcyjne i pozwala zrezygnować z obróbki wykańczającej, np. szlifowania. Preformy można zaraz po zakończeniu cięcia laserowego włożyć do formy RTM i poddać infiltracji.

Wprawdzie istnieje wiele rodzajów włókien stosowanych do matryc, jednak dla obróbki laserowej nie stanowi to problemu, gdyż promień laserowy można uzyskać z różnych źródeł. Lasery krystaliczne idealnie nadają się do przycinania półproduktów lub tkanin z włókien węglowych: światło świetnie łączy włókna ze sobą. Dla włókien karbonowych o grubości mniejszej niż 0,5 mm przy prędkości obróbki wynoszącej ponad 20 m/min wystarczy moc 1 kW – jest to dwu-, trzykrotnie szybciej niż przy cięciu strumieniem wody lub fre zowaniu. W przypadku części CFRP lub tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (ang. Glass Reinforced Plastic – GRP) sięga się po laser CO2, dla którego włókno szklane oraz materiał matrycy są nieprzejrzyste, a tym samym nadają się do obróbki. Materiały o grubości 2 mm i więcej laser o mocy 5 kW tnie z prędkością 10 m/min, czyli dwa, trzy razy szybciej niż w przypadku metody konwencjonalnej. Poza powyższymi rodzajami włókien kompozytowych lasery nadają się do obróbki jeszcze wielu innych kombinacji, takich jak kompozyty z włókien naturalnych lub kombinacje z włóknami szklanymi i węglowymi.

Przygotowanie do klejenia
Oprócz cięcia laser umożliwia także zastosowanie innych metod obróbki części CFRP. Jedną z nich jest obróbka ubytkowa – promień lasera bardzo precyzyjnie usuwa warstwę wierzchnią materiału. Metoda ta jest szczególnie przydatna w procesie przygotowania do klejenia, które wymaga usunięcia warstwy wierzchniej w celu poprawienia przyczepności. Laser pracuje tylko na dokładnie wyznaczonym obszarze. Również tutaj kształt przedmiotu obrabianego nie ogranicza światła lasera: w procesie klejenia bez problemu można poddać obróbce wstępnej elementy okrągłe, a laser podąża dokładnie za ich geometrią.

Do szybkiej obróbki wielkopowierzchniowej w procesie przygotowania do klejenia jako źródło promieniowania stosuje się laser CO2. W przypadku obróbki z najwyższą jakością ściśle zdefiniowanych małych powierzchni już od paru lat można korzystać z ultraszybkich laserów impulsowych. Generują one impulsy światła o czasie trwania rzędu kilku piko- lub nawet femtosekund. W ten precyzyjny sposób można usunąć materiał na głębokości raptem kilku nanometrów – bez pozostałości zawierających zadziory po procesie topnienia i ciepła pogarszającego jakość materiału. Technika ta dodatkowo wyraźnie poprawia dokładność obróbki.

Nitowanie i klejenie to dziś standardowe procedury łączenia części CFRP i metalu. Mają jednak swoje wymagania techniczne, np. konieczność stworzenia kołnierza łączeniowego lub zapewnienia dostępu dla nitowicy do obrabianego przedmiotu. Również w przypadku łączenia materiałów kompozytowych z metalami laser okazał się świetnym rozwiązaniem. Za pomocą ultraszybkiego laserowego światła impulsowego możliwe jest połączenie kształtowe metalu z kompozytem. Laser wycina niewielkie wgłębienie, pasujące kształtem do części kompozytowej i podgrzewa metal do temperatury, w której kompozyt zaczyna się topić, a następnie oba elementy zostają dociśnięte do siebie. Po ochłodzeniu tworzy się trwałe połączenie bez użycia dodatkowych materiałów (kleju czy nitów). Wytrzymałość takiego łączenia jest większa niż przy klejeniu – zarówno pod względem statycznym, jak i dynamicznym. W ten sposób można wykonać hermetyczne połączenia bez dodatkowego uszczelnienia.

Standardowe narzędzie w obróbce kompozytów
Laser jest na najlepszej drodze, aby zostać standardowym narzędziem wykorzystywanym do obróbki części z tworzyw wzmacnianych włóknem. Główne argumenty są zasadniczo takie same, jak w przypadku laserowej obróbki blach: szybki proces i wolna od tarcia oraz bezdotykowa praca. Lasery oferują wiele możliwości zastosowania, bo nie ogranicza ich powierzchnia czy geometria przedmiotu.

Ilość energii wprowadzonej do obrabianego przedmiotu jest pod kontrolą podczas całego procesu obróbki laserem, co ułatwia wykonanie najbardziej precyzyjnych prac z wykorzystaniem bardzo cienkich materiałów. Ultraszybkie lasery impulsowe, stosunkowo od niedawna wykorzystywane w przemyśle, stosują tzw. obróbkę na zimno, czyli z niemal zerowym dopływem ciepła, co daje bardzo szeroki wachlarz możliwości. Lista korzyści wynikająca z zastosowania laserów ciągle się wydłuża, co powoduje, że narzędzie to będzie coraz częściej wykorzystywane do produkcji tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym i szklanym.

 

Artykuł powstał w oparciu o materiały prasowe Instytutu Fraunhofer ILT Aachen, Laser Zentrum Hannover oraz firmy TRUMPF.

Udostępnij:

Drukuj



Agata Pinkas




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również