01
Úvod
Polyméry vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP) pozostávajú zo živice pôsobiacej ako materiál matrice fázy a uhlíkových vlákien slúžiacich ako materiál fázy vystuženia. Kombináciou materiálových vlastností živicovej matrice a výstuže uhlíkovými vláknami vykazuje CFRP vlastnosti, ako je nízka hmotnosť, odolnosť proti korózii, odolnosť proti opotrebovaniu a vysoká tvrdosť. V dôsledku toho sa široko používa v oblastiach so silnými požiadavkami na konštrukčné odľahčenie,-ako je letecký a kozmický priemysel, automobilový priemysel, stavba lodí, výroba veternej energie a stavebné inžinierstvo. Primárne výrobné metódy pre CFRP materiály zahŕňajú Resin Transfer Molding (RTM), lisovanie v autokláve, lisovanie vákuových vreciek a navíjanie vlákna; tieto metódy umožňujú vytvárať štruktúry CFRP prostredníctvom spracovania v tvare takmer-netto{5}}. V praktických priemyselných aplikáciách sa však na dosiahnutie požadovanej geometrie dielu-vrátane prvkov, ako sú otvory, štrbiny a montážne drážky- a na splnenie rozmerovej presnosti a tolerancií tvaru špecifikovaných v návrhu dielu, zvyčajne vyžaduje sekundárne spracovanie CFRP. Vzhľadom na značné rozdiely v tepelných a mechanických vlastnostiach medzi vystužovacími uhlíkovými vláknami a matricovou živicou v rámci CFRP predstavuje toto sekundárne spracovanie značné problémy a je náchylné na rôzne defekty, ktoré často vedú k zníženiu kvality spracovania. Na uspokojenie rozmerových a výkonnostných požiadaviek konečných komponentov je preto mimoriadne dôležité preskúmať technológie spracovania materiálov CFRP a preskúmať vysoko{11}}kvalitné a vysoko{12}}účinné metódy spracovania.
02
Mechanizmy odstraňovania materiálu pri laserovom spracovaní
S objavením sa pokročilých inžinierskych materiálov so zložitými fyzikálnymi vlastnosťami-, ako sú polyméry vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP)-, sa konkurencieschopnosť tradičného mechanického obrábania, obrábania vodným lúčom a obrábania elektrickým výbojom postupne znižuje. Pri laserovom spracovaní odstraňovanie materiálu v podstate zahŕňa absorpciu, odozvu a prenos laserovej energie v materiáli. Počas tohto procesu laser ožaruje povrch materiálu a elektróny absorbujú energiu fotónu. Následne dochádza k prenosu energie prostredníctvom zrážok elektrón{5}}mriežky, čo vedie k zvýšeniu teploty mriežky a zníženiu teploty elektrónov, až kým sa medzi elektrónmi a mriežkou nevytvorí tepelná rovnováha. Avšak, pretože teplota sublimácie uhlíkových vlákien (~ 3600 K) je približne päťkrát vyššia ako teplota živicovej matrice (~ 800 K), je vstup energie potrebný na odstránenie uhlíkových vlákien podstatne vyšší ako teplota potrebná pre živicu. Okrem toho sa v dôsledku anizotropnej tepelnej vodivosti uhlíkových vlákien teplo vznikajúce počas procesu sublimácie uhlíkových vlákien prednostne šíri do matrice živice, čo vedie k rozkladu živice a tvorbe škodlivých látok. Výskumníci navrhli dvojfázový{11}}mechanizmus odstraňovania CFRP: laserom{12}}indukovaná pyrolýza a termomechanická exfoliácia. Plazma generovaná počas počiatočnej fázy odstraňovania materiálu absorbuje teplo a vytvára smerové tepelné rázové vlny. Uhlíkové vlákna vystavené počas spracovania sú vystavené radiálnym šmykovým silám, čo vedie ku krehkému lomu a oddeleniu materiálu.
Keď trvanie laserového impulzu klesne pod 10 ps, trvanie impulzu sa skráti ako čas relaxácie elektrónovej-mriežky, čo spôsobí, že mechanizmus odstraňovania materiálu sa odchyľuje od tradičnej tepelnej ablácie. Mechanizmus spracovania je znázornený na obrázku 2: živicový materiál vykazuje zlú elektrickú vodivosť a obmedzený počet voľných elektrónov s energetickou šírkou pásma 2–4 eV; naopak, uhlíkové vlákno má dobrú elektrickú vodivosť a obsahuje určité množstvo voľných elektrónov. Počas laserového ožarovania voľné elektróny v uhlíkovom vlákne priamo absorbujú laserovú energiu, čo vedie k zvýšeniu teploty elektrónového systému. Keď je energia jedného fotónu nižšia ako bandgap živice, voľné elektróny sa generujú prostredníctvom mechanizmu multifotónovej ionizácie (MPI), ako je znázornené na obrázku 2 (b). Keď energia jedného fotónu presiahne pásmo, v mechanizme excitácie elektrónov dominuje jednofotónová ionizácia. Generované voľné elektróny sa zrážajú s viazanými elektrónmi, pričom energiu prenášajú prostredníctvom nárazovej ionizácie; toto spustí lavínovú ionizáciu-ako je znázornené na obrázku 2(c)-ktorá výrazne zvyšuje hustotu voľných elektrónov. Počas fázy ultrakrátkeho-pulzného laserového ožarovania sa teplota mriežky mení pomaly v dôsledku tepelnej zotrvačnosti, zatiaľ čo teplota elektrónového systému rýchlo stúpa. Medzi fázové prechody patria netepelné aj tepelné fázové prechody. Ak je energia laserového fotónu dostatočne vysoká, elektróny absorbujú dostatok energie na prekonanie Coulombových väzbových síl atómových jadier, čo vedie k tepelnej ionizácii a zanecháva za sebou veľké množstvo kladných iónov. Tieto kladné ióny sa navzájom odpudzujú v dôsledku Coulombových síl, čo vedie k „Coulombovej explózii“ a elektrostatickej ablácii-procesu známemu ako „studená ablácia“-, ako je znázornené na obrázku 2(d). Keďže rozptyl energie elektrónovej-mriežky prebieha nepretržite, teplota mriežky postupne stúpa a medzi uhlíkovým vláknom a živicou dochádza k vedeniu tepla, ako je znázornené na obrázku 2(e). V dôsledku toho, keď teplota prekročí určitú prahovú hodnotu, dochádza k tepelným fázovým prechodom,-ako je odparovanie a fázová explózia-, ktoré vytvárajú plazmu s vysokou-teplotou, vysokým-tlakom a vysokou{32}}hustotou, ktorá je vyvrhnutá z povrchu a odvádza teplo a odpad zo spracovania.
Defekty v tepelne-ovplyvnenej zóne (HAZ) označujú oblasti v rámci CFRP, kde dochádza k lokalizovaným zmenám vlastností v dôsledku interakcií laserového-materiálu, ako aj prirodzenej heterogenity a anizotropie materiálu. Tieto zmeny zahŕňajú nerovnomerné vyparovanie a tepelnú degradáciu matricovej živice, ako aj vystavenie uhlíkových vlákien. Gaussov laserový lúč generuje nerovnomernú priestorovú distribúciu energie a efekty tepelnej difúzie spôsobujú zahrievanie CFRP materiálu v blízkosti zóny spracovania. V tejto špecifickej oblasti tepelná energia prekračuje prah potrebný na rozklad živicovej matrice, ale zostáva pod prahom potrebným na odstránenie uhlíkových vlákien. To vedie k zhoršeniu vlastností živice a lokalizovanému odkrytiu uhlíkových vlákien. V tejto zóne vedenie tepla ohrieva živicu aj uhlíkové vlákna. V dôsledku výrazného rozdielu medzi teplotami vyparovania živice a uhlíkových vlákien sa živica v tejto oblasti odparuje, zatiaľ čo uhlíkové vlákna nedosahujú svoju teplotu vyparovania, čo vedie k odkrytiu uhlíkových vlákien.
