01
Bevezetés
A szénszál-erősítésű polimerek (CFRP) a mátrix fázis anyagaként működő gyantából és az erősítő fázis anyagaként szolgáló szénszálakból állnak. A gyantamátrix és a szénszál-erősítés anyagtulajdonságainak kombinálásával a CFRP olyan jellemzőket mutat, mint a könnyű súly, a korrózióállóság, a kopásállóság és a nagy keménység. Következésképpen széles körben használják azokon a területeken, ahol nagy igények vannak a szerkezeti könnyűsúlyozásra-, mint például a repülőgépipar, az autóipar, a haditengerészet hajógyártása, a szélenergia-termelés és a mélyépítés. A CFRP anyagok elsődleges gyártási módszerei közé tartozik a gyantatranszfer-öntés (RTM), az autokláv-öntés, a vákuumzacskó-öntés és a száltekercselés; ezek a módszerek lehetővé teszik CFRP-struktúrák létrehozását közeli-net-alakzat-feldolgozással. A gyakorlati ipari alkalmazásokban azonban a CFRP másodlagos feldolgozása általában szükséges a kívánt alkatrészgeometria eléréséhez, -beleértve az olyan jellemzőket, mint a furatok, rések és szerelvényhornyok-, valamint az alkatrésztervben meghatározott méretpontosság és formatűrések teljesítése. Az erősítő szénszálak és a CFRP-n belüli mátrixgyanta közötti jelentős termikus és mechanikai tulajdonságok közötti jelentős eltérések miatt ez a másodlagos feldolgozás jelentős kihívásokat jelent, és hajlamos különféle hibákra, amelyek gyakran a feldolgozási minőség romlását eredményezik. Ezért a végső alkatrészek méret- és teljesítménykövetelményeinek kielégítése érdekében kiemelten fontos a CFRP-anyagok feldolgozási technológiáinak vizsgálata, valamint a jó{11}minőségű, nagy{12}}hatékonyságú feldolgozási módszerek feltárása.
02
Anyageltávolítási mechanizmusok a lézeres feldolgozásban
Az összetett fizikai tulajdonságokkal rendelkező fejlett mérnöki anyagok -mint például a szénszálerősítésű polimerek (CFRP)- megjelenésével a hagyományos mechanikus megmunkálás, a vízsugaras megmunkálás és az elektromos kisüléses megmunkálás versenyképessége fokozatosan csökkent. A lézeres feldolgozás során az anyageltávolítás alapvetően a lézerenergia anyagon belüli elnyelését, reakcióját és átvitelét foglalja magában. A folyamat során a lézer besugározza az anyag felületét, és az elektronok elnyelik a fotonenergiát. Ezt követően az energiaátadás elektronrács-ütközéseken keresztül megy végbe, ami a rács hőmérsékletének növekedését és az elektronok hőmérsékletének csökkenését eredményezi mindaddig, amíg az elektronok és a rács között termikus egyensúly nem jön létre. Mivel azonban a szénszálak szublimációs hőmérséklete (~3600 K) körülbelül ötszöröse a gyantamátrixénak (~800 K), a szénszálak eltávolításához szükséges energiabevitel lényegesen nagyobb, mint a gyantához szükséges. Továbbá a szénszálak anizotróp hővezető képessége miatt a szénszál-szublimációs folyamat során keletkező hő elsősorban a gyantamátrixba terjed, ami a gyanta bomlásához és káros anyagok képződéséhez vezet. A kutatók két{11}}lépcsős eltávolítási mechanizmust javasoltak a CFRP-hez: lézer-indukált pirolízist és termomechanikus hámlasztást. Az anyagabláció kezdeti szakaszában keletkező plazma hőt nyel el és irányított hőlökéshullámokat hoz létre. A feldolgozás során kitett szénszálak sugárirányú nyíróerőknek vannak kitéve, ami rideg törést és anyagleválást eredményez.
Amikor a lézerimpulzus időtartama 10 ps alá csökken, az impulzus időtartama rövidebb lesz, mint az elektronrács relaxációs ideje, ami miatt az anyageltávolító mechanizmus eltér a hagyományos termikus ablációtól. A feldolgozási mechanizmust a 2. ábra szemlélteti: a gyantaanyag gyenge elektromos vezetőképességet és korlátozott számú szabad elektront mutat, 2–4 eV energiasávszélességgel; fordítva, a szénszál jó elektromos vezetőképességgel rendelkezik, és bizonyos mennyiségű szabad elektront tartalmaz. A lézeres besugárzás során a szénszálon belüli szabad elektronok közvetlenül elnyelik a lézerenergiát, ami az elektronrendszer hőmérsékletének emelkedését eredményezi. Ha egyetlen foton energiája kisebb, mint a gyanta sávszélessége, szabad elektronok keletkeznek a multifoton ionizációs (MPI) mechanizmuson keresztül, amint az a 2(b) ábrán látható. Ha egyetlen foton energiája meghaladja a sávszélességet, az egyetlen foton ionizációja uralja az elektrongerjesztési mechanizmust. A keletkezett szabad elektronok a megkötött elektronokkal ütköznek, ütési ionizációval energiát adnak át; ez lavinaionizációt vált ki, -amint azt a 2(c) ábra{14}} mutatja, ami jelentősen megnöveli a szabad elektronok sűrűségét. Az ultrarövid-impulzusú lézeres besugárzási fázis során a rács hőmérséklete lassan változik a termikus tehetetlenség miatt, miközben az elektronrendszer hőmérséklete gyorsan emelkedik. A fázisátalakulások közé tartoznak a nem -termikus és a termikus fázisátalakulások is. Ha a lézer fotonenergiája kellően magas, az elektronok elegendő energiát nyelnek el ahhoz, hogy leküzdjék az atommagok Coulomb-kötőerejét, ami termikus ionizációhoz vezet, és nagyszámú pozitív iont hagy maga után. Ezek a pozitív ionok a Coulomb-erők hatására taszítják egymást, ami "Coulomb-robbanást" és elektrosztatikus ablációt eredményez, -a folyamatot "hideg ablációnak" nevezik,-amint azt a 2(d) ábra mutatja. Mivel az elektron-rács energiaszórása folyamatosan megy végbe, a rács hőmérséklete fokozatosan emelkedik, és a szénszál és a gyanta között hővezetés megy végbe, amint azt a 2(e) ábra szemlélteti. Következésképpen, ha a hőmérséklet túllép egy bizonyos küszöbértéket, hőfázis-átalakulások -mint például párolgás és fázisrobbanás-mennek végbe, magas hőmérsékletet, nagy nyomást és nagy sűrűségű plazmát hozva létre, amely a felületről kilökődik, és elszállítja a plazmát.
A hőhatás{0}}zónán belüli (HAZ) hibák a CFRP azon régióira vonatkoznak, ahol lokalizált tulajdonságváltozások következnek be a lézer-anyagkölcsönhatások, valamint az anyag eredendő heterogenitása és anizotrópiája következtében. Ezek a változások magukban foglalják a mátrixgyanta nem egyenletes elpárolgását és termikus lebomlását, valamint a szénszálak expozícióját. A Gauss-lézersugár nem egyenletes térbeli energiaeloszlást hoz létre, és a termikus diffúziós hatások hatására a CFRP anyag felmelegszik a feldolgozási zóna közelében. Ebben a speciális régióban a hőenergia meghaladja a gyantamátrix lebomlásához szükséges küszöbértéket, de a szénszálak eltávolításához szükséges küszöb alatt marad. Ez a gyanta tulajdonságainak romlásához és a szénszálak helyi expozíciójához vezet. Ezen a zónán belül a hővezetés felmelegíti a gyantát és a szénszálakat is. A gyanta és a szénszálak párolgási hőmérséklete közötti jelentős eltérés miatt a gyanta ebben a régióban elpárolog, miközben a szénszálak nem érik el párolgási hőmérsékletüket, ami a szénszálak szabaddá válását eredményezi.
