01
Wstęp
Polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) składają się z żywicy działającej jako materiał fazy matrycy i włókien węglowych służących jako materiał fazy wzmacniającej. Łącząc właściwości materiałowe zarówno matrycy żywicznej, jak i wzmocnienia z włókna węglowego, CFRP wykazuje takie cechy, jak niewielka waga, odporność na korozję, odporność na zużycie i wysoka twardość. W związku z tym jest on szeroko stosowany w dziedzinach, w których występuje duże zapotrzebowanie na zmniejszenie masy konstrukcyjnej,-takich jak lotnictwo, przemysł motoryzacyjny, przemysł stoczniowy, energetyka wiatrowa i inżynieria lądowa. Podstawowe metody produkcji materiałów CFRP obejmują formowanie przetłaczane żywicy (RTM), formowanie w autoklawie, formowanie workiem próżniowym i nawijanie włókien; metody te umożliwiają wytwarzanie struktur CFRP w procesie przetwarzania kształtu zbliżonego do-net-. Jednak w praktycznych zastosowaniach przemysłowych zazwyczaj wymagana jest wtórna obróbka CFRP, aby uzyskać pożądaną geometrię części,-w tym takie elementy, jak otwory, szczeliny i rowki montażowe,-oraz aby zachować dokładność wymiarową i tolerancje kształtu określone w projekcie części. Ze względu na znaczne różnice we właściwościach termicznych i mechanicznych pomiędzy wzmacniającymi włóknami węglowymi a żywicą matrycową w CFRP, ta wtórna obróbka stwarza znaczne wyzwania i jest podatna na różne defekty, często skutkujące pogorszeniem jakości przetwarzania. Dlatego też, aby spełnić wymagania dotyczące wymiarów i wydajności końcowych komponentów, niezwykle ważne jest zbadanie technologii przetwarzania materiałów CFRP oraz zbadanie metod przetwarzania charakteryzujących się wysoką-jakością i-wydajnością.
02
Mechanizmy usuwania materiału w obróbce laserowej
Wraz z pojawieniem się zaawansowanych materiałów konstrukcyjnych o złożonych właściwościach fizycznych,-takich jak polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP)-, konkurencyjność tradycyjnej obróbki mechanicznej, obróbki strumieniem wody i obróbki elektroerozyjnej stopniowo maleje. W obróbce laserowej usuwanie materiału zasadniczo obejmuje absorpcję, reakcję i przenoszenie energii lasera w materiale. Podczas tego procesu laser naświetla powierzchnię materiału, a elektrony absorbują energię fotonów. Następnie transfer energii następuje poprzez zderzenia-sieci elektronowej, co skutkuje wzrostem temperatury sieci i spadkiem temperatury elektronów, aż do ustalenia równowagi termicznej pomiędzy elektronami a siecią. Jednakże, ponieważ temperatura sublimacji włókien węglowych (~3600 K) jest w przybliżeniu pięciokrotnie wyższa od temperatury matrycy żywicy (~800 K), wkład energii wymagany do usunięcia włókien węglowych jest znacznie większy niż wymagany w przypadku żywicy. Ponadto, ze względu na anizotropową przewodność cieplną włókien węglowych, ciepło wytwarzane podczas procesu sublimacji włókien węglowych preferencyjnie rozprzestrzenia się w matrycy żywicy, prowadząc do rozkładu żywicy i tworzenia się szkodliwych substancji. Naukowcy zaproponowali dwuetapowy mechanizm usuwania CFRP:-pirolizę indukowaną laserem i złuszczanie termomechaniczne. Plazma wytwarzana w początkowej fazie ablacji materiału pochłania ciepło i wytwarza kierunkowe fale szoku termicznego. Włókna węglowe odsłonięte podczas obróbki poddawane są promieniowym siłom ścinającym, co skutkuje kruchym pękaniem i odrywaniem materiału.
Gdy czas trwania impulsu lasera spadnie poniżej 10 ps, czas trwania impulsu staje się krótszy niż czas relaksacji sieci elektronowej-, co powoduje, że mechanizm usuwania materiału odbiega od tradycyjnej ablacji termicznej. Mechanizm przetwarzania przedstawiono na rysunku 2: materiał żywiczny wykazuje słabą przewodność elektryczną i ograniczoną liczbę wolnych elektronów, z pasmem wzbronionym energii wynoszącym 2–4 eV; i odwrotnie, włókno węglowe ma dobrą przewodność elektryczną i zawiera pewną ilość wolnych elektronów. Podczas naświetlania laserem wolne elektrony we włóknie węglowym bezpośrednio absorbują energię lasera, powodując wzrost temperatury układu elektronowego. Gdy energia pojedynczego fotonu jest niższa niż pasmo wzbronione żywicy, wolne elektrony są generowane poprzez mechanizm jonizacji wielofotonowej (MPI), jak pokazano na rysunku 2 (b). Kiedy energia pojedynczego fotonu przekracza pasmo wzbronione, w mechanizmie wzbudzenia elektronów dominuje jonizacja pojedynczego-fotonu. Wygenerowane wolne elektrony zderzają się z elektronami związanymi, przenosząc energię poprzez jonizację uderzeniową; wyzwala to jonizację lawinową,-jak pokazano na rysunku 2(c)-, która znacznie zwiększa gęstość wolnych elektronów. Podczas fazy naświetlania ultrakrótkim-laserem impulsowym temperatura sieci zmienia się powoli z powodu bezwładności cieplnej, podczas gdy temperatura układu elektronów szybko rośnie. Przejścia fazowe obejmują zarówno-termiczne, jak i termiczne przejścia fazowe. Jeśli energia fotonów lasera jest wystarczająco wysoka, elektrony absorbują energię wystarczającą do pokonania sił wiązania Coulomba w jądrach atomowych, co prowadzi do jonizacji termicznej i pozostawienia dużej liczby jonów dodatnich. Te jony dodatnie odpychają się wzajemnie pod wpływem sił kulombowskich, co powoduje „eksplozję kulombowską” i ablację elektrostatyczną-proces znany jako „ablacja na zimno”-jak pokazano na rysunku 2(d). Ponieważ rozpraszanie energii-sieci elektronowej zachodzi w sposób ciągły, temperatura sieci stopniowo wzrasta, a pomiędzy włóknem węglowym a żywicą zachodzi przewodzenie ciepła, jak pokazano na rysunku 2(e). W rezultacie, gdy temperatura przekracza pewien próg, zachodzą termiczne przejścia fazowe,-takie jak parowanie i eksplozja fazowa,-w wyniku czego powstaje plazma o wysokiej-temperaturze,-wysokim{31}}ciśnieniu i dużej-gęstości, która jest wyrzucana z powierzchni, odprowadzając ciepło i pozostałości po obróbce.
Wady w-strefie wpływu ciepła (HAZ) odnoszą się do regionów w CFRP, w których występują zlokalizowane zmiany właściwości w wyniku interakcji materiałów-laserowych, a także wrodzonej niejednorodności i anizotropii materiału. Zmiany te obejmują nierównomierne parowanie i degradację termiczną żywicy matrycy, a także odsłonięcie włókien węglowych. Wiązka lasera Gaussa generuje-nierównomierny przestrzenny rozkład energii, a efekty dyfuzji cieplnej powodują nagrzewanie się materiału CFRP w pobliżu strefy przetwarzania. W tym konkretnym obszarze energia cieplna przekracza próg wymagany do rozkładu matrycy żywicznej, ale pozostaje poniżej progu wymaganego do usunięcia włókien węglowych. Prowadzi to do pogorszenia właściwości żywicy i miejscowego odsłonięcia włókien węglowych. W tej strefie przewodzenie ciepła podgrzewa zarówno żywicę, jak i włókna węglowe. Ze względu na znaczną różnicę temperatur parowania żywicy i włókien węglowych, żywica w tym obszarze odparowuje, podczas gdy włókna węglowe nie osiągają temperatury parowania, co powoduje odsłonięcie włókien węglowych.
