隨著低空經(jīng)濟(jì)的全球性崛起，無人機(jī)、eVTOL（電動垂直起降飛行器）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。

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)耦合作用過程。激光束通過熱解（Pyrolysis）或燒蝕（Ablation）機(jī)制去除材料，其效果受激光波長、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）實現(xiàn)快速切割，通過熱累積效應(yīng)汽化樹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，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，無明顯毛刺和瑕疵；熱影響區(qū)相對較小，一般熱影響區(qū)寬度在0.5-2 mm左右，對材料的熱損傷較小；可以實現(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 

超短脈沖激光加工利用超快、高能、高精度的優(yōu)勢，通過物理與化學(xué)效應(yīng)協(xié)同作用，其機(jī)制有別于傳統(tǒng)激光加工，在實現(xiàn)CFRP低熱損傷、高質(zhì)量加工方面具有巨大潛力。

飛秒（fs）和皮秒（ps）激光依托非線性吸收引發(fā)的“冷”燒蝕效應(yīng)，在脈寬低于1 ps時幾乎無熱擴(kuò)散，可完成原子級材料去除。但因單套系統(tǒng)成本超過50 萬美元，當(dāng)前多用于航空航天精密零件制造。應(yīng)用于CFRP時，超快激光可將熱影響區(qū)寬度縮減至百微米甚至數(shù)十微米水平。不過，該技術(shù)仍面臨三大挑戰(zhàn)：  

1. 如何在CFRP非均質(zhì)材料中實現(xiàn)均勻去除；  

2. 如何進(jìn)一步壓縮熱影響區(qū)寬度及截面錐度；  

3. 如何在保證質(zhì)量的前提下顯著提升加工效率。  

目前，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)已推出專為折疊屏手機(jī)輕量化需求設(shè)計的碳纖維超快激光切割智能裝備，能夠高精度切割背板工藝槽，為大規(guī)模批量生產(chǎn)提供了品質(zhì)與效率的雙重保障。

復(fù)合輔助激光工藝 

復(fù)合輔助激光加工技術(shù)是一種為解決激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）時熱損傷嚴(yán)重、效率偏低等瓶頸而提出的新型工藝。該技術(shù)兼具激光無接觸、無應(yīng)力集中和高靈活性的特點(diǎn)，并通過水射流、機(jī)械加工等輔助方式，有效抑制熱致?lián)p傷，提高加工精度。目前常用的兩種實現(xiàn)形式為水導(dǎo)激光加工和激光–機(jī)械復(fù)合加工。

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)重等問題，為CFRP高質(zhì)高效加工提供了可能。

激光與機(jī)械復(fù)合加工：利用激光對厚壁CFRP構(gòu)件進(jìn)行粗鉆，在孔內(nèi)保留一定的精加工余量，再由機(jī)械刀具進(jìn)行擴(kuò)孔，以達(dá)到所需的尺寸精度。該工藝充分發(fā)揮了激光加工的無接觸、無應(yīng)力集中優(yōu)勢，避免了單純機(jī)械銑削導(dǎo)致的層間分層，以及純激光鉆孔時出現(xiàn)的熱影響區(qū)殘留和錐度過大問題。不僅顯著提高了加工效率，還能延長刀具壽命。不過，刀具磨損仍無法徹底消除，且目前該方法主要應(yīng)用于毫米級孔徑的加工，對更大或更小尺寸孔的適用性還有待深入研究。

其他激光復(fù)合加工方法：包括超聲振動輔助激光、電場輔助激光和磁場輔助激光等，這些技術(shù)已在玻璃、金屬及碳化硅基復(fù)合材料加工中得到應(yīng)用。但針對CFRP的相關(guān)研究仍然有限，激光與CFRP非均質(zhì)體系相互作用的機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。

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：在航空航天領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料常被用于機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的加工。通過精密切割，可獲得復(fù)雜形狀的部件；在機(jī)翼等部位實施高精度鉆孔，以便安裝連接件。此類工藝不僅有效減輕了飛機(jī)整體重量，還顯著提升了燃油效率和飛行性能。

汽車工業(yè)：在汽車工業(yè)中，碳纖維車身部件、引擎蓋和傳動軸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的激光加工，不僅能大幅減輕整車重量，還能提升加速響應(yīng)、操控性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時確保安全性。大族粵銘激光推出的碳纖維汽車防撞梁總成激光切割機(jī)，采用尖端激光切割技術(shù)，實現(xiàn)了卓越的加工質(zhì)量與精度。通過精密激光切割，每一件防撞梁總成都能嚴(yán)格契合設(shè)計尺寸，保障了其穩(wěn)定性和可靠性。

高端裝備與工業(yè)制造：可對風(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Ra<1.6 μm，壽命延長40%。

消費(fèi)電子：消費(fèi)電子領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料常被用于筆記本電腦、智能手機(jī)等設(shè)備的外殼制造。借助激光加工技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)極致的輕薄化設(shè)計，同時提升外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與散熱效率，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的品質(zhì)與市場競爭力。激光器，以高能束流實現(xiàn)對碳纖維的高效精密切割。

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)和人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的快速崛起，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展。然而，其非均質(zhì)性、各向異性以及層合結(jié)構(gòu)特性依然對加工工藝提出挑戰(zhàn)。要在保證高質(zhì)量與高效率的前提下，亟需深入探索超快激光加工與激光復(fù)合加工等創(chuàng)新技術(shù)�？梢灶A(yù)見，這位“精雕細(xì)琢”的激光加工“匠人”將在碳纖維材料加工領(lǐng)域創(chuàng)造更多突破。

參考來源：

[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,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.《中國激光》. (2024)

轉(zhuǎn)自：復(fù)材大世界

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