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复合材料

复合材料是通过将两种或以上具有不同特性的材料组合在一起而形成的新材料(复合材料),其性能优于这些单独材料的性能。例如,将碳纤维增强材料嵌入环氧基体材料,就形成一种坚固、轻型的结构复合材料。碳纤维自身的刚性并不足以作为结构材料使用,而环氧树脂自身不够坚固。大多数复合材料都可通过激光切割、雕刻和打标进行加工。

复合材料样品

复合材料的类型








激光加工的类型

激光器在材料加工领域扮演着日益重要的角色,从新产品开发到高产量制造都可看到其身影。对于所有激光加工来说,激光束的能量与材料相互作用,以某种方式进行材料转化。每种转化(或激光加工工艺)均通过精确调节激光束的波长、功率、占空比和重复率来实施控制。这些激光加工工艺包括如下:

所有材料都具备独有的特征,决定了激光束如何与其相互作用,以及由此如何改变材料。无论是将激光系统用作"激光切割机"、"激光雕刻机"或"激光打标机",情况都是如此。最常见的复合材料加工工艺如下:


复合材料的激光切割
复合材料由两种或以上的不同材料组成,因此选择适当的激光波长至关重要。如果复合材料的所有组成材料均为有机物,则它们都将吸收CO2激光束的能量。激光束会加热直接位于其路径中的材料,造成其汽化。如果激光功率足够高,激光束将完全穿透材料,留下干净、光滑的边缘。如果复合材料的组成材料含有金属,则可使用光纤激光器实施激光切割加工。在许多情况下,复合材料的组成材料分别需要不同的激光波长。这一问题在ULS优势中得以解决。

复合材料的激光雕刻
可限制CO2激光束的功率,使其将材料去除(雕刻)到指定的深度。激光雕刻工艺可用于在复合材料表面形成图案和设计。激光雕刻也可用于传达信息。

复合材料的激光打标
许多复合材料均可采用CO2或光纤激光束进行激光打标。如果表面材料主要为有机物,则应使用CO2激光器。如果表面材料主要是金属,则应使用光纤激光器。无论如何,激光束的能量都会被复合材料表面吸收,使其外观发生变化。这样就可形成可见的标志,同时不会真正去除多少材料。激光打标可用于形成设计图案或传达信息。

组合加工
可组合执行上述的激光切割、雕刻和打标工艺,而无需移动或重新夹持复合材料。







复合材料激光系统一般性考虑事项

平台尺寸 – 必须大到足以容纳将要进行激光加工的最大复合材料,或者必须配备加工较大板材所需的4类能力和安全预防措施。

波长 – 如果复合材料主要由有机材料组成,则10.6微米波长CO2激光器是最佳选择。如果复合材料主要由金属材料组成,则1.06微米波长光纤激光器是最佳选择。

激光功率 – 必须基于将要执行的加工工艺选择激光功率。对主要由有机材料组成的复合材料进行激光切割、雕刻和打标,使用25至150瓦(CO2激光器)最佳。对主要由金属材料组成的复合材料进行激光切割、雕刻和打标,使用40至50瓦(光纤激光器)最佳。

镜头 – 2.0镜头是进行复合材料激光材料加工的最佳通用镜头。

切割台 – 支撑塑料复合材料以进行激光切割。

排气 – 必须有足够的流量来去除激光加工过程中由复合材料激光雕刻、切割和打标设备中产生的气体和颗粒物。

空气辅助 – 在激光器焦点附近提供空气射流,帮助去除在复合材料激光雕刻、切割和打标过程中产生的气体和颗粒物。



复合材料激光加工的环境、健康和安全考虑事项

激光-材料相互作用几乎总是产生气态流出物和/或颗粒物。此流出物包括各种挥发性有机化合物(VOC),应将其导向外部环境。也可首先使用过滤系统处理,然后导向外部环境。复合材料燃烧是激光加工所固有的过程,其可能产生明火。因此,应始终对复合材料激光加工予以监督。