碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）組件通常是使用緊固件組裝。在一般工序下，通常是在固化和鉆孔后把緊固件粘在CFRP組件上。最近，CarboLase項(xiàng)目的支持團(tuán)隊(duì)想出了一種新方法，使用超短脈沖激光在紡織結(jié)構(gòu)預(yù)成型件的緊固件上進(jìn)行鉆孔，其精確度可達(dá)微米級(jí)。

在CFRP組件固化之前，便將這些高精度切割而成的緊固件整合在一起，從而可以縮短生產(chǎn)過程，節(jié)省時(shí)間。2019年，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)?wèi){此項(xiàng)技術(shù)在著名的美國(guó)CAMX獎(jiǎng)中贏得了“綜合實(shí)力”這一類別的分項(xiàng)獎(jiǎng)。

該技術(shù)是與LUNOVU公司、KOHLHAGE緊固件公司、AMPHOS和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（FraunhoferILT）共同開發(fā)的CarboLase項(xiàng)目的成果，項(xiàng)目的關(guān)鍵創(chuàng)新是使用了超短波脈沖激光輻射對(duì)紡織結(jié)構(gòu)型預(yù)成型件進(jìn)行高精度加工，以及全自動(dòng)金屬緊固件預(yù)埋兩項(xiàng)技術(shù)。作為機(jī)械銑削或鉆孔工藝的替代方法，激光加工具有無磨損操作、高靈活性和微米范圍內(nèi)最高精度的優(yōu)點(diǎn)。采取金屬緊固件預(yù)埋可避免對(duì)固化后CFRP組件再鉆孔導(dǎo)致的性能損失。

CarboLase項(xiàng)目的成功預(yù)示著新一代CFRP構(gòu)件的誕生

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）是用途最廣泛的復(fù)合建筑材料之一。它把聚合物基體與高強(qiáng)碳纖維的優(yōu)異機(jī)械性能整合起來，從而形成了高強(qiáng)度、高剛度、低密度的解決方案。在現(xiàn)在這個(gè)能源和資源效率備受關(guān)注的時(shí)代，為什么CFRP至今仍難以實(shí)現(xiàn)真正的突破呢？原因有兩個(gè)：一是因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)成本高，二則是因?yàn)闄C(jī)加工CFRP組件的難度大。

2017年3月，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（FraunhoferILT）與來自研發(fā)機(jī)構(gòu)和工業(yè)領(lǐng)域的四個(gè)合作伙伴啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的主題為：“高效、自動(dòng)化和實(shí)時(shí)量身定制的碳纖維增強(qiáng)聚合組件制造”，隨后獲得了歐洲區(qū)域發(fā)展基金（ERDF）的資助。

該項(xiàng)目的目標(biāo)很明確：幫助德國(guó)西部北威州的中小型企業(yè)們成為該項(xiàng)目上技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，從而提高北威州的中小型企業(yè)們?cè)趪?guó)內(nèi)和國(guó)際舞臺(tái)上的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。項(xiàng)目目標(biāo)明確，主要通過簡(jiǎn)化CFRP生產(chǎn)工藝、降低成本來達(dá)成。

CFRP組件的傳統(tǒng)組裝方法是在成型的CFRP模塊上鉆孔，然后粘上金屬緊固件，螺紋嵌件是其中的一個(gè)例子。用輕量級(jí)組件替換常規(guī)零件需要CFRP零件與常規(guī)零件之間的連接，兩者之間應(yīng)可拆卸且牢固。 

圖1 使用超短脈沖激光束鉆孔的碳纖維預(yù)成型件，該切割件具有星形切 口和成比例的金屬嵌件

圖2 在不造成任何熱損害的情況下對(duì)紡織結(jié)構(gòu)預(yù)成型件進(jìn)行機(jī)加工 是使用超短脈沖激光一種新穎的特征

CarboLase 激光項(xiàng)目另辟蹊徑，開 發(fā)出了不同的解決方案。把緊固件整 合到紡織結(jié)構(gòu)預(yù)成型件之中，隨后， CFRP 組件通過附加固化工藝與嵌入件集成起來，這可以可以大大縮短整 個(gè)生產(chǎn)工藝周期，然而只適用于紡織 結(jié)構(gòu)預(yù)成型件中的緊固件的開孔和鉆 孔非常精確的時(shí)候。

圖3 將單個(gè)技術(shù)組合到一個(gè)機(jī)器人單元 中，為不論組件的幾何形狀和批次大小 的及時(shí)生產(chǎn)CFRP組件的打開了可能性 的大門

三管齊下法——CarboLase項(xiàng)目合作伙伴贏得CAMX獎(jiǎng)

CarboLase團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種CFRP組件的制造過程，該過程通過選擇數(shù)控切割、激光加工和自動(dòng)處理三管齊下的方法來安裝所有組件。

他們將上述三個(gè)獨(dú)立的工藝技術(shù)整合到一個(gè)機(jī)器人單元中，并使所有步驟自動(dòng)化。首先，通過切割，堆疊和組裝創(chuàng)建紡織結(jié)構(gòu)預(yù)成型件。然后，用超短脈沖激光（USP）在金屬緊固件的預(yù)成型件上進(jìn)行高精度鉆孔。

超短脈沖激光器為傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)聚合組件制造提供了一個(gè)良好的替代方案，但前提是在該激光器能被集成到機(jī)器人單元中的情況下。在傳統(tǒng)設(shè)備中，常常使用反射將超短脈沖引導(dǎo)到目標(biāo)上，但這在機(jī)器人手臂上很難實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，來自弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和AMPHOS公司的專家們合作開發(fā)了一種新技術(shù)，來耦合超短脈沖激光束的射進(jìn)射出。激光源則通過空心光纖與機(jī)器人手臂上的掃描儀相連。

2019年9月26日，在美國(guó)加利福尼亞州阿納海姆舉行的復(fù)合材料與先進(jìn)材料博覽會(huì)（CAMX）上，CarboLase項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)贏得了著名的CAMX獎(jiǎng)中“綜合實(shí)力”這一類別的分項(xiàng)獎(jiǎng)。CAMX獎(jiǎng)是表彰有望對(duì)復(fù)合材料的未來產(chǎn)生重大影響的創(chuàng)新技術(shù)的獎(jiǎng)項(xiàng)。評(píng)審團(tuán)對(duì)CarboLase項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的印象特別深刻，CarboLase在工藝鏈的最開始時(shí)就集成使用了激光，從而減少了后續(xù)諸多昂貴且耗時(shí)的步驟。

成功的結(jié)果

為了測(cè)試這個(gè)新方法并論證其技術(shù)可行性，項(xiàng)目合作伙伴制造了一個(gè)B柱示范組件，并對(duì)其進(jìn)行了全面的機(jī)械測(cè)試，結(jié)果全部考核過關(guān)。在一系列的拉拔和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，采用CarboLase技術(shù)制造的連接件，性能優(yōu)于常規(guī)方法生產(chǎn)的CFRP組件。由于嵌入件和基體材料之間的緊密連接，使用這種新方法生產(chǎn)的CFRP組件，能夠承受最大的拉拔力比采用粘接嵌入件的傳統(tǒng)制造組件要高出50%。再加上機(jī)械性能優(yōu)化，讓CFRP組件的整體組件厚度和重量降低成為可能。

CarboLase工藝還在定義緊固件尺寸和位置方面上為設(shè)計(jì)者們提供了更多的創(chuàng)作自由。機(jī)器人和掃描儀在米和微米尺度的移動(dòng)比傳統(tǒng)的靜態(tài)加工中心更具靈活性。這就為CFRP部件的高效大規(guī)模定制化生產(chǎn)鋪平了道路，必將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有的技術(shù)水平。

動(dòng)態(tài)超短脈沖激光鉆孔工藝對(duì)航空航天業(yè)和汽車行業(yè)來說特別有意義，尤其是在制造輕型零部件方面上，對(duì)于簡(jiǎn)化CFRP組件的制造工藝和降低材料成本來說頗具潛力。

從研發(fā)到工業(yè)量產(chǎn)

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和AMPHOS公司依托原有技術(shù)特長(zhǎng)，為CarboLase項(xiàng)目聯(lián)合開發(fā)了新的超短脈沖激光技術(shù)。LUNOVU公司是一家負(fù)責(zé)將各個(gè)工序整合起來的系統(tǒng)集成商，LUNOVU公司把傳感器集成到亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所內(nèi)的機(jī)器人單元中。

KOHLHAGE緊固件公司在該項(xiàng)目中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)為嵌入件的自動(dòng)部署和集成設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)。亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)激光加工預(yù)成型件的自動(dòng)化工藝鏈。在過去兩年半的時(shí)間里，該項(xiàng)目從歐洲區(qū)域發(fā)展基金處獲得了約200萬(wàn)歐元的資助。

CarboLase項(xiàng)目成果計(jì)劃于2020年5月12日至14日在巴黎舉辦的法國(guó)巴黎國(guó)際復(fù)合材料展覽會(huì)（JECWorld2020），AZL聯(lián)合展臺(tái)（5A展廳，L97展臺(tái)）上展示。