中國(guó)粉體網(wǎng)訊  激光切割是一種使用高能激光切割不同材料的工藝，該技術(shù)通過(guò)在封閉容器中放電刺激激光材料來(lái)產(chǎn)生集中光束，激光束集中在工件上，通過(guò)熔化、汽化或燃燒進(jìn)行切割，以最高的精度和準(zhǔn)確度將材料轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，它提供高質(zhì)量、光滑的飾面，幾乎不需要或不需要后處理。

隨著低空經(jīng)濟(jì)的全球性崛起，無(wú)人機(jī)、eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）及衛(wèi)星通信裝備的輕量化需求激增。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）憑借其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等特性，成為低空飛行器結(jié)構(gòu)件的理想材料。然而，CFRP的異質(zhì)性（纖維與樹(shù)脂結(jié)合）和各向異性導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械加工易引發(fā)分層、毛刺等問(wèn)題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率與產(chǎn)品可靠性。激光加工技術(shù)因其非接觸、高精度特性，逐漸成為CFRP高效成形的核心工藝。

激光加工碳纖維的三大主流技術(shù)

激光加工碳纖維復(fù)合材料的本質(zhì)是光-熱-化學(xué)耦合作用過(guò)程。激光束通過(guò)熱解或燒蝕機(jī)制去除材料，其效果受激光波長(zhǎng)、脈沖寬度、能量密度及材料導(dǎo)熱性共同影響。目前加工碳纖維的主流激光技術(shù)可分為連續(xù)波激光加工、超短脈沖激光加工、復(fù)合輔助激光工藝三類(lèi)。

連續(xù)波激光加工

采用高功率連續(xù)激光（如CO2激光：10.6μm，光纖激光：1.06μm）實(shí)現(xiàn)快速切割，通過(guò)熱累積效應(yīng)汽化樹(shù)脂基體并斷裂碳纖維。相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，連續(xù)波激光加工碳纖維復(fù)合材料時(shí)，切割精度高、寬度窄，一般在0.1-0.3mm左右；切割面光滑，無(wú)明顯毛刺和瑕疵；熱影響區(qū)相對(duì)較小，一般熱影響區(qū)寬度在0.5-2mm左右，對(duì)材料的熱損傷較小；可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形和曲線(xiàn)的切割，切割質(zhì)量高。

超短脈沖激光加工

超短脈沖激光加工具有超快、超強(qiáng)、超精密的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其利用物理/化學(xué)效應(yīng)，作用機(jī)制不同于傳統(tǒng)激光加工，有望成為CFRP低損傷高質(zhì)量加工手段。

飛秒（fs）、皮秒（ps）激光通過(guò)非線(xiàn)性吸收產(chǎn)生冷燒蝕效應(yīng)，可在幾乎無(wú)熱擴(kuò)散（脈寬1ps）條件下實(shí)現(xiàn)原子級(jí)材料去除。當(dāng)使用皮秒、飛秒等超快激光加工CFRP時(shí)，其“冷”加工效果可輕松將熱影響區(qū)寬度降低到百微米甚至十微米以下。目前，極具代表性的華工激光碳纖維超快激光切割智能裝備，專(zhuān)門(mén)針對(duì)折疊屏手機(jī)減重設(shè)計(jì)需求而打造，可實(shí)現(xiàn)高精度碳纖維背板工藝槽切割，為行業(yè)應(yīng)用批量化生產(chǎn)提質(zhì)增效。

復(fù)合輔助激光工藝

復(fù)合輔助激光工藝則是為了解決激光加工CFRP時(shí)熱損傷嚴(yán)重、加工效率較低等問(wèn)題而提出的一種新型加工方法。這種方法結(jié)合了激光無(wú)接觸、無(wú)應(yīng)力集中、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，并通過(guò)水射流、機(jī)械加工等輔助手段減小材料加工的熱致?lián)p傷，提高加工精度。其中，水導(dǎo)激光加工和激光與機(jī)械復(fù)合加工是兩種常用的復(fù)合輔助激光工藝方法。

水導(dǎo)激光加工：利用高壓水射流（20-50MPa）引導(dǎo)激光并冷卻切縫，該方式能夠解決激光加工中飛濺物堆積、熱損傷嚴(yán)重等問(wèn)題，為CFRP高質(zhì)高效加工提供了可能。

激光與機(jī)械復(fù)合加工：是在激光鉆孔的基礎(chǔ)上，預(yù)留一定精加工余量用于機(jī)械擴(kuò)孔的復(fù)合工藝，主要應(yīng)用于厚度較大的CFRP構(gòu)件加工，有效避免了機(jī)械加工應(yīng)力集中導(dǎo)致的材料易分層和激光加工熱影響區(qū)殘留、錐度較大等問(wèn)題，提高激光加工效率的同時(shí)延長(zhǎng)了刀具壽命。

激光加工碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料憑借其高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕等特性，已成為高端制造業(yè)的“明星材料”。隨著低空經(jīng)濟(jì)、新能源、航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，碳纖維激光加工技術(shù)已滲透到多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)。

無(wú)人機(jī)：用于加工無(wú)人機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)件中的碳纖維復(fù)合材料，如切割出復(fù)雜形狀的碳纖維部件、在機(jī)翼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行高精度鉆孔以安裝連接件等，能夠減輕飛機(jī)重量，提高飛行性能。

eVTOL：可對(duì)eVTOL的碳纖維機(jī)身、引擎蓋、傳動(dòng)軸等進(jìn)行加工，激光切割速度可達(dá)機(jī)械加工的5–10倍（如1mm厚CFRP切割速度10m/min），提升eVTOL量產(chǎn)效率。

高端裝備與工業(yè)制造：可對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片、機(jī)器人機(jī)械臂等高端制造領(lǐng)域進(jìn)行加工。例如瑞士ABB的YuMi機(jī)器人采用皮秒激光加工諧波減速器支架，表面粗糙度Ra1.6μm，壽命延長(zhǎng)40%。

消費(fèi)電子：用于加工碳纖維復(fù)合材料的電子設(shè)備外殼，如筆記本電腦外殼、手機(jī)外殼等，利用激光加工可以實(shí)現(xiàn)超薄、超輕的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高外殼的強(qiáng)度和散熱性能，提升電子設(shè)備的品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。

體育用品行業(yè)：在自行車(chē)、球拍、滑雪板等體育用品的碳纖維部件加工中應(yīng)用廣泛。如Scott自行車(chē)采用德國(guó)通快集團(tuán)的TruPrint3000設(shè)備加工碳纖維材料的車(chē)把，打破了形狀和功能的界限。

參考來(lái)源:

Scott、大族粵銘激光、華工激光官網(wǎng)

李欣.激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/月明)

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