01
Einführung
Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) bestehen aus einem Harz, das als Matrixphasenmaterial fungiert, und Kohlenstofffasern, die als Verstärkungsphasenmaterial dienen. Durch die Kombination der Materialeigenschaften sowohl der Harzmatrix als auch der Kohlefaserverstärkung weist CFRP Eigenschaften wie geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und hohe Härte auf. Daher wird es häufig in Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Nachfrage nach strukturellem Leichtbau besteht-z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Schiffbau, der Windenergieerzeugung und dem Tiefbau. Zu den primären Herstellungsmethoden für CFK-Materialien gehören Resin Transfer Moulding (RTM), Autoklavformen, Vakuumbeutelformen und Filamentwickeln; Diese Methoden ermöglichen die Herstellung von CFK-Strukturen durch nahezu endkonturnahe Verarbeitung. In praktischen industriellen Anwendungen ist jedoch in der Regel eine Sekundärbearbeitung von CFRP erforderlich, um die gewünschte Teilegeometrie-einschließlich Merkmalen wie Löchern, Schlitzen und Montagenuten-zu erreichen und die im Teiledesign festgelegte Maßgenauigkeit und Formtoleranzen einzuhalten. Aufgrund der erheblichen Unterschiede in den thermischen und mechanischen Eigenschaften zwischen den verstärkenden Kohlenstofffasern und dem Matrixharz innerhalb von CFK stellt diese Sekundärverarbeitung erhebliche Herausforderungen dar und ist anfällig für verschiedene Mängel, die häufig zu einer beeinträchtigten Verarbeitungsqualität führen. Um die Maß- und Leistungsanforderungen der endgültigen Komponenten zu erfüllen, ist es daher von größter Bedeutung, Verarbeitungstechnologien für CFRP-Materialien zu untersuchen und Verarbeitungsmethoden mit hoher -Qualität und hoher Effizienz zu erforschen.
02
Materialentfernungsmechanismen in der Laserbearbeitung
Mit dem Aufkommen fortschrittlicher technischer Materialien mit komplexen physikalischen Eigenschaften-wie kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFRP)- hat die Wettbewerbsfähigkeit der herkömmlichen mechanischen Bearbeitung, Wasserstrahlbearbeitung und Funkenerosionsbearbeitung allmählich abgenommen. Bei der Laserbearbeitung umfasst der Materialabtrag im Wesentlichen die Absorption, Reaktion und Übertragung von Laserenergie innerhalb des Materials. Dabei bestrahlt der Laser die Materialoberfläche und Elektronen absorbieren die Photonenenergie. Anschließend erfolgt die Energieübertragung durch Elektronen-Gitterkollisionen, was zu einem Anstieg der Gittertemperatur und einem Abfall der Elektronentemperatur führt, bis sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Elektronen und dem Gitter einstellt. Da die Sublimationstemperatur von Kohlenstofffasern (~3600 K) jedoch etwa fünfmal so hoch ist wie die der Harzmatrix (~800 K), ist der Energieaufwand zum Entfernen der Kohlenstofffasern deutlich höher als der für das Harz erforderliche. Darüber hinaus breitet sich aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern die beim Sublimationsprozess der Kohlenstofffasern entstehende Wärme bevorzugt in die Harzmatrix aus, was zur Zersetzung des Harzes und zur Bildung schädlicher Substanzen führt. Forscher haben einen zweistufigen Entfernungsmechanismus für CFK vorgeschlagen: laserinduzierte Pyrolyse und thermomechanische Peeling. Das in der Anfangsphase des Materialabtrags erzeugte Plasma absorbiert Wärme und erzeugt gerichtete Thermoschockwellen. Die bei der Verarbeitung freigelegten Kohlenstofffasern werden radialen Scherkräften ausgesetzt, was zu Sprödbruch und Materialablösung führt.
Wenn die Laserpulsdauer unter 10 ps fällt, wird die Pulsdauer kürzer als die Elektronengitterrelaxationszeit, was dazu führt, dass der Materialentfernungsmechanismus von der herkömmlichen thermischen Ablation abweicht. Der Verarbeitungsmechanismus ist in Abbildung 2 dargestellt: Das Harzmaterial weist eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und eine begrenzte Anzahl freier Elektronen mit einer Energiebandlücke von 2–4 eV auf; Umgekehrt besitzt die Kohlenstofffaser eine gute elektrische Leitfähigkeit und enthält eine gewisse Menge an freien Elektronen. Bei der Laserbestrahlung absorbieren freie Elektronen innerhalb der Kohlenstofffaser direkt die Laserenergie, was zu einem Temperaturanstieg im Elektronensystem führt. Wenn die Energie eines einzelnen Photons niedriger ist als die Bandlücke des Harzes, werden über den Multiphotonen-Ionisationsmechanismus (MPI) freie Elektronen erzeugt, wie in Abbildung 2(b) dargestellt. Wenn die Energie eines einzelnen Photons die Bandlücke überschreitet, dominiert die Einzelphotonionisierung den Elektronenanregungsmechanismus. Die erzeugten freien Elektronen kollidieren mit gebundenen Elektronen und übertragen Energie durch Stoßionisation; Dies löst eine Lawinenionisation aus-wie in Abbildung 2(c) dargestellt-was die Dichte freier Elektronen deutlich erhöht. Während der Ultrakurzpuls-Laserbestrahlungsphase ändert sich die Gittertemperatur aufgrund der thermischen Trägheit langsam, während die Temperatur des Elektronensystems schnell ansteigt. Zu den beteiligten Phasenübergängen zählen sowohl nicht-thermische als auch thermische Phasenübergänge. Wenn die Laserphotonenenergie ausreichend hoch ist, absorbieren die Elektronen genügend Energie, um die Coulomb-Bindungskräfte der Atomkerne zu überwinden, was zu einer thermischen Ionisierung führt und eine große Anzahl positiver Ionen zurücklässt. Diese positiven Ionen stoßen sich aufgrund der Coulomb-Kräfte gegenseitig ab, was zu einer „Coulomb-Explosion“ und einer elektrostatischen Ablation-einem Prozess führt, der als „kalte Ablation“-bekannt ist, wie in Abbildung 2(d) dargestellt. Da die Streuung der Elektronen--Gitterenergie kontinuierlich erfolgt, steigt die Gittertemperatur allmählich an und es findet eine Wärmeleitung zwischen der Kohlenstofffaser und dem Harz statt, wie in Abbildung 2(e) dargestellt. Wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kommt es daher zu thermischen Phasenübergängen-wie Verdampfung und Phasenexplosion-, wodurch ein Plasma mit hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Dichte entsteht, das von der Oberfläche ausgestoßen wird, Wärme abführt und Ablagerungen verarbeitet.
Defekte innerhalb der Wärmeeinflusszone (HAZ) beziehen sich auf Bereiche innerhalb des CFK, in denen lokale Eigenschaftsänderungen aufgrund von Laser-Materialwechselwirkungen sowie der inhärenten Heterogenität und Anisotropie des Materials auftreten. Diese Veränderungen umfassen die ungleichmäßige Verdunstung und den thermischen Abbau des Matrixharzes sowie die Freilegung der Kohlenstofffasern. Ein Gaußscher Laserstrahl erzeugt eine ungleichmäßige räumliche Energieverteilung und thermische Diffusionseffekte führen zu einer Erwärmung des CFK-Materials in der Nähe der Bearbeitungszone. In diesem speziellen Bereich überschreitet die thermische Energie den für die Zersetzung der Harzmatrix erforderlichen Schwellenwert, bleibt jedoch unter dem für die Entfernung der Kohlenstofffasern erforderlichen Schwellenwert. Dies führt zu einer Verschlechterung der Harzeigenschaften und zur lokalen Freilegung der Kohlenstofffasern. Innerhalb dieser Zone werden durch Wärmeleitung sowohl das Harz als auch die Kohlenstofffasern erhitzt. Aufgrund des erheblichen Unterschieds zwischen den Verdampfungstemperaturen des Harzes und der Kohlenstofffasern verdampft das Harz in diesem Bereich, während die Kohlenstofffasern ihre Verdampfungstemperatur nicht erreichen, was zur Freilegung der Kohlenstofffasern führt.
