原創(chuàng) Sueuel 光電匯OESHOW

2025年04月07日 17:20 上海

隨著低空經(jīng)濟(jì)的全球性崛起，無(wú)人機(jī)、eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）及衛(wèi)星通信裝備的輕量化需求激增。碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）憑借其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等特性，成為低空飛行器結(jié)構(gòu)件的理想材料。然而，CFRP的異質(zhì)性（纖維與樹(shù)脂結(jié)合）和各向異性導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械加工易引發(fā)分層、毛刺等問(wèn)題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率與產(chǎn)品可靠性。激光加工技術(shù)因其非接觸、高精度特性，逐漸成為CFRP高效成形的核心工藝。

一、激光加工碳纖維的三大主流技術(shù)

激光加工碳纖維復(fù)合材料的本質(zhì)是光-熱-化學(xué)耦合作用過(guò)程。激光束通過(guò)熱解（Pyrolysis）或燒蝕（Ablation）機(jī)制去除材料，其效果受激光波長(zhǎng)、脈沖寬度、能量密度及材料導(dǎo)熱性共同影響。目前加工碳纖維的主流激光技術(shù)可分為連續(xù)波激光加工、超短脈沖激光加工、復(fù)合輔助激光工藝三類。

連續(xù)波激光加工

采用高功率連續(xù)激光（如CO2激光：10.6 μm，光纖激光：1.06 μm）實(shí)現(xiàn)快速切割，通過(guò)熱累積效應(yīng)汽化樹(shù)脂基體并斷裂碳纖維。

相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，連續(xù)波激光加工碳纖維復(fù)合材料時(shí)，切割精度高，切口寬度窄，一般在0.1-0.3 mm左右；切割面光滑，無(wú)明顯毛刺和瑕疵；熱影響區(qū)相對(duì)較小，一般熱影響區(qū)寬度在0.5-2 mm左右，對(duì)材料的熱損傷較小；可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形和曲線的切割，切割質(zhì)量高。但由于持續(xù)的熱作用，容易在加工區(qū)域周圍形成較大的熱影響區(qū)，可能導(dǎo)致材料的性能發(fā)生變化，如碳纖維的強(qiáng)度下降、樹(shù)脂基體的性能劣化等。

2024年6月，歐洲研究人員已成功使用CO2激光技術(shù)焊接了長(zhǎng)達(dá)8 m的碳纖維機(jī)身部分，這一突破預(yù)示著超輕型客機(jī)的制造將成為可能。

超短脈沖激光加工

超快激光加工具有超快、超強(qiáng)、超精密的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其利用物理/化學(xué)效應(yīng)，作用機(jī)制不同于傳統(tǒng)激光加工，有望成為CFRP低損傷高質(zhì)量加工手段。

飛秒（fs）、皮秒（ps）激光通過(guò)非線性吸收產(chǎn)生冷燒蝕效應(yīng)，可在幾乎無(wú)熱擴(kuò)散（脈寬1 ps）條件下實(shí)現(xiàn)原子級(jí)材料去除。但設(shè)備成本高昂（單臺(tái)超快激光系統(tǒng)價(jià)格超50萬(wàn)美元），目前多用于航空航天精密零件制造。

當(dāng)使用皮秒、飛秒等超快激光加工CFRP時(shí)，其“冷”加工效果可輕松將熱影響區(qū)寬度降低到百微米甚至十微米以下。目前超快激光加工CFRP仍面臨以下三大挑戰(zhàn)：

1）如何實(shí)現(xiàn)CFRP非均質(zhì)材料的均質(zhì)加工；

2）如何同時(shí)進(jìn)一步降低熱影響區(qū)寬度和斷面傾角（錐度）；

3）如何提高CFRP加工效率以滿足工程需求。

目前，極具代表性的華工激光碳纖維超快激光切割智能裝備，專門針對(duì)折疊屏手機(jī)減重設(shè)計(jì)需求而打造，可實(shí)現(xiàn)高精度碳纖維背板工藝槽切割，為行業(yè)應(yīng)用批量化生產(chǎn)提質(zhì)增效。

復(fù)合輔助激光工藝

復(fù)合輔助激光工藝則是為了解決激光加工CFRP熱損傷嚴(yán)重、加工效率較低等問(wèn)題而提出的一種新型加工方法。這種方法結(jié)合了激光無(wú)接觸、無(wú)應(yīng)力集中、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，并通過(guò)水射流、機(jī)械加工等輔助手段減小材料加工的熱致?lián)p傷，提高加工精度。其中，水導(dǎo)激光加工和激光與機(jī)械復(fù)合加工是兩種常用的復(fù)合輔助激光工藝方法。

水導(dǎo)激光加工：利用高壓水射流（20-50 MPa）引導(dǎo)激光并冷卻切縫，該方式能夠解決激光加工中飛濺物堆積、熱損傷嚴(yán)重等問(wèn)題，為CFRP高質(zhì)高效加工提供了可能。在國(guó)際市場(chǎng)上，水導(dǎo)激光相關(guān)企業(yè)有瑞士Synova公司、瑞士AVonisys公司等，瑞士Synova公司是處于技術(shù)領(lǐng)先地位的壟斷企業(yè)；國(guó)內(nèi)水導(dǎo)激光主要研發(fā)企業(yè)和機(jī)構(gòu)有沈陽(yáng)自動(dòng)化所、哈工大、哈焊研究院、長(zhǎng)春理工、西安晟光硅研、上海冷辰科技、渥特鐳銫、中科煜宸、英谷激光等。

激光與機(jī)械復(fù)合加工：是在激光鉆孔的基礎(chǔ)上，預(yù)留一定精加工余量用于機(jī)械擴(kuò)孔的復(fù)合工藝，主要應(yīng)用于厚度較大的CFRP構(gòu)件加工，有效避免了機(jī)械加工應(yīng)力集中導(dǎo)致的材料易分層和激光加工熱影響區(qū)殘留、錐度較大等問(wèn)題，提高激光加工效率的同時(shí)延長(zhǎng)了刀具壽命。然而刀具磨損問(wèn)題無(wú)法完全避免，且激光與機(jī)械復(fù)合加工方法目前主要用于毫米級(jí)的孔加工，突破加工尺寸限制仍有待深入研究。

其他激光復(fù)合加工方法：超聲振動(dòng)輔助激光加工、電場(chǎng)輔助激光加工、磁場(chǎng)輔助激光加工等激光復(fù)合加工方法也已被應(yīng)用在玻璃、金屬、碳化硅復(fù)合材料中，但目前針對(duì)CFRP的研究較少，激光與CFRP非均質(zhì)材料相互作用的研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

二、應(yīng)用領(lǐng)域：輕量化與高性能的完美結(jié)合

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）憑借其高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕等特性，已成為高端制造業(yè)的“明星材料”。隨著低空經(jīng)濟(jì)、新能源、航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，碳纖維激光加工技術(shù)已滲透到多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)，以下是其典型應(yīng)用領(lǐng)域：

航空航天領(lǐng)域：用于加工飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)件中的碳纖維復(fù)合材料，如切割出復(fù)雜形狀的碳纖維部件、在機(jī)翼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行高精度鉆孔以安裝連接件等，能夠減輕飛機(jī)重量，提高燃油效率和飛行性能。德國(guó)通快集團(tuán)的TruLaser Cell 7040激光系統(tǒng)可切割碳纖維零件。

汽車工業(yè)：可對(duì)汽車的碳纖維車身部件、引擎蓋、傳動(dòng)軸等進(jìn)行加工，有助于實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，提升汽車的加速性能、操控性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)保證汽車的安全性能。大族粵銘激光提供的碳纖維汽車防撞梁總成激光切割機(jī)，采用了最先進(jìn)的激光切割技術(shù)，確保了產(chǎn)品的高質(zhì)量和精度。通過(guò)精密的激光加工，每個(gè)防撞梁總成都能夠精準(zhǔn)地符合設(shè)計(jì)要求，保障了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

高端裝備與工業(yè)制造：可對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片、機(jī)器人機(jī)械臂等高端制造領(lǐng)域進(jìn)行加工。瑞士ABB的YuMi機(jī)器人采用皮秒激光加工諧波減速器支架，表面粗糙度Ra1.6 μm，壽命延長(zhǎng)40%。

消費(fèi)電子：用于加工碳纖維復(fù)合材料的電子設(shè)備外殼，如筆記本電腦外殼、手機(jī)外殼等，利用激光加工可以實(shí)現(xiàn)超薄、超輕的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高外殼的強(qiáng)度和散熱性能，提升電子設(shè)備的品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。2024年，德龍激光推出了針對(duì)折疊屏的碳纖維切割設(shè)備，搭配自主研發(fā)的高功率激光器，使用高能量激光對(duì)碳纖維進(jìn)行高效切割。

體育用品行業(yè)：在自行車、球拍、滑雪板等體育用品的碳纖維部件加工中應(yīng)用廣泛。Scott 采用德國(guó)通快集團(tuán)的TruPrint 3000設(shè)備加工碳纖維材料的車把，打破了形狀和功能的界限。

醫(yī)療與生物工程：可對(duì)醫(yī)療設(shè)備外殼、骨科植入物與假肢、手術(shù)機(jī)器人部件等進(jìn)行加工。如采用紫外激光精細(xì)切割碳纖維假肢的仿生結(jié)構(gòu)。

小結(jié)

隨著低空經(jīng)濟(jì)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用場(chǎng)景將持續(xù)擴(kuò)展。然而，碳纖維復(fù)合材料的非均質(zhì)性、各向異性和層合結(jié)構(gòu)的特性仍然給加工過(guò)程帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步提升碳纖維復(fù)合材料的加工質(zhì)量和效率，需要更深入地探索與研究超快激光加工和激光復(fù)合加工等新方法新工藝。相信在不久的將來(lái)，激光加工技術(shù)這位“精雕師”將在碳纖維材料加工領(lǐng)域創(chuàng)造更多的奇跡。

參考來(lái)源：

[1]Limei Chen,Limei Chen, Maojun Li., et al. Thermal analysis of CFRP cutting with continuous-wave fiber lasers. Journal of Materials Processing Tech. (2020)

[2] 李欣,宋綺夢(mèng),et al.激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用.《中國(guó)激光》. (2024)