01
Uvod
Polimeri ojačani ugljičnim vlaknima (CFRP) sastoje se od smole koja djeluje kao materijal faze matrice i ugljičnih vlakana koja služe kao materijal faze pojačanja. Kombinacijom svojstava materijala matrice smole i ojačanja od karbonskih vlakana, CFRP pokazuje karakteristike kao što su mala težina, otpornost na koroziju, otpornost na trošenje i visoku tvrdoću. Posljedično, naširoko se koristi u područjima sa snažnim zahtjevima za konstrukcijskim lakim elementima-kao što su zrakoplovna industrija, automobilska industrija, pomorska brodogradnja, proizvodnja energije vjetra i niskogradnja. Primarne proizvodne metode za CFRP materijale uključuju prešanje smolom (RTM), prešanje u autoklavu, prešanje pod vakuumom i namotavanje niti; ove metode omogućuju proizvodnju CFRP struktura putem obrade gotovo-neto-oblika. Međutim, u praktičnim industrijskim primjenama obično je potrebna sekundarna obrada CFRP-a kako bi se postigla željena geometrija dijela-uključujući značajke kao što su rupe, utori i montažni utori-i kako bi se zadovoljila dimenzijska točnost i tolerancije oblika navedene u dizajnu dijela. Zbog značajnih razlika u toplinskim i mehaničkim svojstvima između ojačavajućih karbonskih vlakana i matrične smole unutar CFRP-a, ova sekundarna obrada predstavlja značajne izazove i sklona je raznim nedostacima, što često rezultira smanjenom kvalitetom obrade. Stoga, kako bi se zadovoljili zahtjevi dimenzija i performansi konačnih komponenti, od iznimne je važnosti istražiti tehnologije obrade CFRP materijala i istražiti metode obrade visoke-kvalitete, visoke-učinkovitosti.
02
Mehanizmi za uklanjanje materijala u laserskoj obradi
S pojavom naprednih inženjerskih materijala koji posjeduju složena fizička svojstva-kao što su polimeri ojačani ugljičnim vlaknima (CFRP)-konkurentnost tradicionalne mehaničke obrade, obrade vodenim mlazom i obrade električnim pražnjenjem postupno se smanjila. U laserskoj obradi, uklanjanje materijala u osnovi uključuje apsorpciju, odgovor i prijenos laserske energije unutar materijala. Tijekom ovog procesa laser zrači površinu materijala, a elektroni apsorbiraju energiju fotona. Nakon toga, prijenos energije se događa putem sudara -elektronske rešetke, što rezultira povećanjem temperature rešetke i smanjenjem temperature elektrona dok se ne uspostavi toplinska ravnoteža između elektrona i rešetke. Međutim, budući da je temperatura sublimacije ugljičnih vlakana (~3600 K) približno pet puta veća od temperature matrice smole (~800 K), unos energije potreban za uklanjanje ugljičnih vlakana znatno je veći od onog koji je potreban za smolu. Nadalje, zbog anizotropne toplinske vodljivosti karbonskih vlakana, toplina koja se stvara tijekom procesa sublimacije karbonskih vlakana prvenstveno se širi u matricu smole, što dovodi do razgradnje smole i stvaranja štetnih tvari. Istraživači su predložili dvo{11}}mehanizam za uklanjanje CFRP-a: laser-inducirana piroliza i termomehaničko ljuštenje. Plazma nastala tijekom početne faze ablacije materijala apsorbira toplinu i proizvodi usmjerene toplinske udarne valove. Ugljična vlakna izložena tijekom obrade podvrgnuta su radijalnim silama smicanja, što rezultira krtim lomom i odvajanjem materijala.
Kada trajanje laserskog impulsa padne ispod 10 ps, trajanje impulsa postaje kraće od vremena opuštanja elektronske-rešetke, uzrokujući odstupanje mehanizma za uklanjanje materijala od tradicionalne toplinske ablacije. Mehanizam obrade ilustriran je na slici 2: smolasti materijal pokazuje lošu električnu vodljivost i ograničen broj slobodnih elektrona, s energetskim pojasnim rasponom od 2-4 eV; obrnuto, karbonska vlakna posjeduju dobru električnu vodljivost i sadrže određenu količinu slobodnih elektrona. Tijekom laserskog zračenja, slobodni elektroni unutar karbonskih vlakana izravno apsorbiraju energiju lasera, što rezultira porastom temperature elektronskog sustava. Kada je energija jednog fotona niža od razmaka pojasa smole, slobodni elektroni se generiraju preko mehanizma multifotonske ionizacije (MPI), kao što je prikazano na slici 2(b). Kada energija jednog fotona premaši razmak između pojaseva, ionizacija jednog-fotona dominira mehanizmom pobude elektrona. Generirani slobodni elektroni sudaraju se s vezanim elektronima, prenoseći energiju udarnom ionizacijom; ovo pokreće lavinsku ionizaciju-kao što je prikazano na slici 2(c)-što značajno povećava gustoću slobodnih elektrona. Tijekom faze ultrakratkog{16}}pulsnog laserskog zračenja, temperatura rešetke se sporo mijenja zbog toplinske inercije, dok temperatura elektronskog sustava brzo raste. Uključeni fazni prijelazi uključuju ne-toplinske i toplinske fazne prijelaze. Ako je energija laserskog fotona dovoljno visoka, elektroni apsorbiraju dovoljno energije da nadvladaju Coulombove sile vezanja atomskih jezgri, što dovodi do toplinske ionizacije i ostavlja iza sebe veliki broj pozitivnih iona. Ovi pozitivni ioni međusobno se odbijaju zbog Coulombovih sila, što rezultira "Coulombovom eksplozijom" i elektrostatskom ablacijom-procesom poznatim kao "hladna ablacija"-kao što je prikazano na slici 2(d). Kako se raspršenje energije elektron-rešetke događa kontinuirano, temperatura rešetke postupno raste, a između karbonskih vlakana i smole dolazi do prijenosa topline, kao što je prikazano na slici 2(e). Posljedično, kada temperatura prijeđe određeni prag, dolazi do toplinskih faznih prijelaza-kao što su isparavanje i fazna eksplozija-, stvarajući visoku-temperaturu, visoki-tlak i visoku{32}}plazmu gustoće koja se izbacuje s površine, odnosi toplinu i procesne ostatke.
Defekti unutar zone-pogođene toplinom (HAZ) odnose se na područja unutar CFRP-a gdje dolazi do lokaliziranih promjena svojstava kao rezultat interakcija laser-materijala, kao i inherentne heterogenosti i anizotropije materijala. Ove promjene obuhvaćaju ne-jednoliko isparavanje i toplinsku degradaciju smole matrice, kao i izloženost karbonskih vlakana. Gaussova laserska zraka stvara ne-jednoliku prostornu distribuciju energije, a učinci toplinske difuzije uzrokuju zagrijavanje CFRP materijala u blizini zone obrade. U ovom specifičnom području toplinska energija premašuje prag potreban za razgradnju matrice smole, ali ostaje ispod praga potrebnog za uklanjanje karbonskih vlakana. To dovodi do pogoršanja svojstava smole i lokalnog izlaganja karbonskih vlakana. Unutar ove zone, provođenje topline zagrijava i smolu i karbonska vlakna. Zbog značajne razlike između temperatura isparavanja smole i ugljičnih vlakana, smola u ovom području isparava dok ugljična vlakna ne uspijevaju postići svoju temperaturu isparavanja, što rezultira izlaganjem ugljičnih vlakana.
