一旦價格可以接受，就能夠在大批量生產(chǎn)市場通過使用質(zhì)量更輕的織物結構來減輕交通工具的重量。根據(jù)2012年9月的市場研究，德國業(yè)界做出了如下重要戰(zhàn)略預測：

•通過在一個部件上使用不同的材料成分并在一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行生產(chǎn)實現(xiàn)材料的混合（使用短纖維、長纖維與金屬部分相結合）

•利用進程模擬和自動化生產(chǎn)改進工藝；

•使用近凈成形纖維增強型零部件來減少材料消耗。

就上述話題來說，諸如水射流切割或機械處理等傳統(tǒng)材料處理技術的使用將更勉為其難。在大批量應用中加工高效無磨損和無約束的多維零部件時則需要激光處理等新解決方案。

在金屬切割和焊接中，一種高產(chǎn)量工具必須以靈活的方式來處理各種復雜的結構，因此激光作為一種昂貴的加工工具在很多應用領域都有使用。將激光應用于纖維增強型零部件似乎顯而易見，但由于熱光特性的存在，并非大多數(shù)材料成分都通過激光加工達到合格的質(zhì)量。

熱光屬性的差異

總的來說，聚合物材料不會吸收近紫外光和近紅外光范圍內(nèi)的激光束能量。分子或電子激發(fā)造成大量吸收，必然將加熱材料。光屬性取決于材料分子的組成材料，如使用聚合物基質(zhì)強化的碳或玻璃纖維。只有一些添加劑能夠?qū)⒉牧咸匦詮牟豢商幚磙D(zhuǎn)變?yōu)榭商幚怼榱私膺@一相互作用機制，需要分析各種不同的材料組合。

因此，采用了不同的實驗方法來評估某些試樣的光特性。近紫外和紅外光譜是描述反射率和透射率的一種快速且非破壞性的方法。使用低功率激光的直接輻照實驗可以記錄熱成像攝像機探針的加熱過程。經(jīng)過這些研究，基質(zhì)材料的影響、光纖體積含量以及光纖分布都得以一一顯示。

此外，聚合物熱特性的光學行為和金屬結構的光學行為有所差異。和非各向同性材料在熱激光切割過程中產(chǎn)生大范圍熱影響區(qū)相比，碳纖維導熱系數(shù)極高。這也是新思路中需要激光處理的原因。

使用亮度激光源進行加工

在切割碳纖維增強型聚合物時需要高強度的光束，從而升華或分解材料。這也是在考慮可接受吸收系數(shù)的情況下建議使用高亮度激光源的原因。對金屬的加熱顯示出均勻的導熱系數(shù)和恒定的熔化溫度， 而纖維增強型材料的特點是基質(zhì)材料與纖維材料的導熱系數(shù)和升華溫度的不均勻。這就需要不同的加工方法來將激光和材料相互作用的時間縮至最短，從而將熱影響區(qū)減至最小。

這就是使用遠程技術來獲得認可結果的原因?？墒褂貌煌墓馐D(zhuǎn)光學設計，光束經(jīng)由可傾斜的掃描鏡進行偏轉(zhuǎn)（圖1）。這些方法可以使激光光斑以最高10米/秒的運動速度在100平方厘米至1平方米的工作區(qū)域內(nèi)運動。為了擴大這一工作區(qū)域，可以將傳統(tǒng)的軸系統(tǒng)如機器人或數(shù)控機床配合高動態(tài)軸一起工作。

具備高功率激光或脈沖激光（納秒脈沖或更?。┑倪B續(xù)波激光器可以用于改進切割質(zhì)量，提高產(chǎn)量。以高速掃描為基礎，切削深度只是在數(shù)微米至數(shù)百微米之間變化。多旋回處理方法被用于加工毫米級厚的零部件。激光切割能夠以0.01-3米/分鐘的平均切割速度在4毫米厚的環(huán)狀纖維增強性碳纖維環(huán)氧樹脂板上進行切割，而熱影響區(qū)域只有數(shù)百微米。圖2是使用氣體輔助激光器切割（左圖）和高功率連續(xù)波遠程激光切割（右圖）的橫截面對比圖。

在遠程加工過程中，輔助氣體不會將廢料從切割切口吹走。所有升華或分解的材料必須沿著激光光束的方向從消融切口拿走。因此， 在觀察激光光束和蒸發(fā)材料的相互作用時，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)Q于消融切口和熱影響區(qū)域的縱橫比。
 

近凈成形結構

和傳統(tǒng)設計相比，使用紡織增強復合材料的輕量構造具備眾多優(yōu)勢。德國德累斯頓工業(yè)大學的一個聯(lián)合項目致力于優(yōu)化從纖維生產(chǎn)到最終的部件加工整個加工鏈。特別是將調(diào)查研究紡織近凈成形結構和夾層結構，使用工藝調(diào)整型動態(tài)系統(tǒng)來操縱設備，紡織兼容的連接方法以及連接要素，紡織增強柔性結構以及集成傳感器網(wǎng)絡的復合構件等。

本聯(lián)合項目中的激光切割，其優(yōu)勢是可以在間隔織物最終加工過程中得以顯示。間隔織物是基于編織或針織的預制體，由混合紗線制成。組成成分為玻璃纖維和聚丙烯，纖維含量為50%。此外，其特點是生產(chǎn)方向上的多層結構和交織毗連。圖中呈現(xiàn)出的輕質(zhì)間隔結構（圖3）由高功率CO2激光器經(jīng)2 1/2 D-beam偏轉(zhuǎn)加工而成。首先，在上層進行環(huán)狀刻蝕。隨后將焦點調(diào)整來刻蝕下層。和最先進的銑削或水射流切割相比，遠程激光工藝磨耗低、無約束。此外，無需對工件重新定位就可以單側(cè)加工也是一種優(yōu)勢。此外，切割工件的輪廓可以程序化控制，包括開切眼以及單層切割出靈活的幾何圖形。
 

結論

在大批量生產(chǎn)中使用纖維增強型聚合物需要新的靈活工藝進行最終處理。因此，激光將是未來的一種工具。但是，也需要特定方法來處理具有不同光熱性能的組件。需要了解吸收性能的基本常識，以及纖維含量和分布的影響。為了將對切割切口的熱量輸入降至最低，遠程激光技術結合多旋回處理方法已得到證實。遠程加工還能夠靈活處理近凈成形零件，這已在間隔織物結構的處理中得到證實。

鳴謝

本研究的部分內(nèi)容得到德國科學研究會的資助，屬于德國德累斯頓工業(yè)大學聯(lián)合研究中心SFB639項目“用于復雜輕量應用的功能集成型混合材質(zhì)設計的紡織增強復合材料”。