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,。
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�,。豢梢詫�(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形和曲線的切割,，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,，專門針對(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,、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自行車采用德國(guó)通快集團(tuán)的TruPrint3000設(shè)備加工碳纖維材料的車把,，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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