利用超短脉冲激光和机器人快速制造CFRP部件

 用带有星形切口的USP激光束钻孔的碳纤维预成型件和比例完美的金属嵌件（图片来自弗劳恩霍夫ILT）

 

    碳纤维增强塑料（CFRP）部件通常需要采用紧固件进行组装，这些紧固件通常是在CFRP 部件固化并在其上钻孔后被粘接上去。

 

    CarboLase项目联盟开发了一种新方法，利用超短脉冲激光在织物预成型件上钻出微米级精度的孔用于固定紧固件，这样，可以在CFRP部件固化前将紧固件集成到高精度的孔中，从而缩短生产时间。

 

    2017年3月，弗劳恩霍夫激光技术研究所（简称ILT）与来自研究和工业领域的4家合作伙伴开始了一个项目的研究工作。

 

    以“CarboLase——高产率、自动化、订制而准时的CFRP部件生产”为标题，该项目得到了欧洲区域发展基金（ERDF）的资助，其目标非常明确：帮助参与该项目的北莱茵-威斯特伐利亚的中小企业成为技术领导者，并提升他们在国内和国际市场的长期竞争力。

 

    通过简化CFRP的生产工艺链以及降低成本，该项目的合作伙伴们实现了这一目标。

 

    传统的碳纤维增强塑料部件的组装方法是：在预制的CFRP模块上钻孔，然后粘上金属紧固件，如螺纹嵌件。

 

    CarboLase项目采取了不同的方法，即将紧固件集成到织物预成型件中，最终含有紧固件的CFRP部件在额外的固化过程中被生产出来，从而极大地缩短了生产工艺链。

 

    但是，这种方法只有当非常精确地在织物预成型件中钻出用于紧固件的孔时才有效。

 

    一种新的方法是在不造成任何热损伤的情况下利用USP激光器加工织物（图片来自亚琛工业大学纺织技术研究所）

 

    该项目团队开发了一种三管齐下的方法，将数控切割、激光加工和自动化操作等技术集成到一个机器人单元中，从而在所有的工步之间实现自动化操作。

 

    首先，对织物进行切割、铺层和组合以制备预成型件；接着，用超短脉冲激光（简称USP）在预成型件中钻出用于金属紧固件的高精度孔。

 

    USP为传统制造提供了良好的替代方法，但激光器需要集成到机器人单元中。

 

    在传统装置中，USP是通过反射镜被引导到目的地，但这在机器人手臂上很难做到。

 

    为解决这一问题，来自弗劳恩霍夫ILT 和AMPHOS GmbH的专家们合作开发了一种新的技术，用于耦合USP激光束的进出。

 

    USP激光源通过空心光纤与机器人手臂上的扫描仪连接。

 

    在一个机器人单元中组合各种技术，这为实现CFRP部件的准时生产带来了可能，无论部件的形状和批次大小如何（图片来自亚琛工业大学纺织技术研究所）

 

    为了测试这种新方法并证明其技术可行性，该项目的合作伙伴们生产了一个B柱示范件并对其进行各种力学性能测试，所有测试都顺利通过。

 

    在一系列的拉伸和扭转试验中，采用CarboLase方法生产的CFRP部件中的接头要比采用传统方法生产的CFRP部件中的接头拥有更好的性能。

 

    归功于嵌件与基体材料之间的联锁连接，采用这种新方法生产的CFRP 部件所能承受的最大拉力要比采用传统的嵌件粘接方式制成的部件高50%。

 

    取决于部件的设计，这种对力学性能的改善为减小整个部件的厚度从而降低重量提供了潜力。

 

    CarboLase方法为设计师们确定紧固件的大小和位置提供了更具创造性的设计自由度。

 

    与静止不动的机械加工中心相比，机器人和扫描仪可以在米和微米尺度上更自由地移动，这为超越当前技术水平而高效率地大批量订制CFRP部件铺平了道路。

 

    这种动态的USP 激光钻孔工艺对于航空和汽车领域生产轻量化的部件尤为具有吸引力，它为降低生产CFRP部件的工艺和材料成本提供了潜力。

 

    在此项目中，弗劳恩霍夫ILT 和AMPHOS GmbH整合了他们各自的专知，为CarboLase 项目开发了USP 激光器；LUNOVU GmbH 作为系统集成商，帮助亚琛工业大学纺织技术研究所（ITA）完成了对各个单独工艺步骤的连接以及在机器人单元中集成传感器；KOHLHAGE Fasteners GmbH & Co. KG设计了一个系统，可以自动完成对嵌件的部署和集成；亚琛工业大学ITA负责实施自动化的工艺链，用于制造激光加工的预成型件。

 

    在两年半的时间里，该项目获得了由欧洲区域发展基金（ERDF）提供的大约200万欧元的资助。

 

    CarboLase 项目成果将在JEC World 2020展会中AZL的联合展台（5A-L97）得到展示。