為了解決這一難題，2017年3月，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）與來自研究機構和產業界的4個合作伙伴啟動了一項名為“CarboLase - 高效、自動化和量身定制的即時CFRP部件制造”的研究項目。該項目由歐洲地區發展基金（ERDF）資助，旨在幫助參與項目的北萊茵威斯特伐利亞中小企業（SMEs）成為行業技術的先行者，從而提升他們在德國和國際上的長期競爭力。項目目標明確，主要通過簡化CFRP生產工藝、降低成本來達成。

 

　　該項目歷時兩年半，共獲得ERDF資助約200萬歐元，已于去年結題。下面，小編就為您介紹一下該項目的主要研究成果。

 

　　CFRP部件的傳統組裝方法是先在成型的CFRP模塊上鉆孔，隨后將螺紋嵌入件等金屬緊固件粘在其中。采用輕質復合材料部件替代傳統零部件時，需要將CFRP部件與傳統部件連接在一起。

 

　　CarboLase項目另辟蹊徑，通過緊固件與織物預制件的集成開發出了不同的解決方案。終的CFRP部件通過附加固化工藝與嵌入件合而為一，大大縮短了工藝鏈。然而，這種方法只在鉆孔精度極高時有效。

　　采用超短脈沖激光束制造出星形切口的碳纖維預制件及其對應金屬緊固件。

 

　　德國Fraunhofer ILT

 

　　三管齊下

 

　　項目組開發了CNC切割、激光加工和自動處理三管齊下的全新CFRP部件制造工藝。他們將這三個獨立的工藝技術組合在一個機器人單元中，并自動執行所有的工藝步驟。先，通過切割、堆疊和組裝將織物制成預制件；然后，采用超短脈沖激光（USP laser）為金屬緊固件進行高精度鉆孔。

 

　　超短脈沖激光是傳統制造工藝很好的替代技術，但必須在機器人單元中集成激光器。在傳統的設備中，超短脈沖會通過鏡子進行目標引導，但這在機器手上很難實現。為了解決這一問題，項目組成員開發了一種全新技術，使超短脈沖激光發生耦合。激光源則通過空心光纖連接到機器手的掃描儀上。

　　采用超短脈沖激光進行加工的一大特點是不會對預制件造成熱損傷。

 

　　德國亞琛工業大學紡織技術研究所

 

　　項目成果

 

　　為了進一步驗證該方法的技術可行性，項目合作者們制造了一個B柱示范件，并對其進行了全面的力學性能測試，實驗結果全部考核通過。在一系列的拉拔和扭轉實驗中，采用CarboLase技術制造的連接件表現優于傳統方法連接件。由于緊固件與基體材料之間的緊密連接，采用新方法制造的CFRP部件比傳統部件（粘接緊固件）的拉拔力高出50%。力學性能的顯著提高，再加上部件結構的優化設計，使得部件整體厚度和重量的降低成為可能。

 

　　CarboLase方法為緊固件尺寸和位置選擇創造了更多的自由度。機器人和掃描儀在米和微米尺度的移動比傳統的靜態加工中心更具靈活性。這就為CFRP部件的高效大規模定制化生產鋪平了道路，必將超越現有的技術水平。動態超短脈沖激光鉆孔技術在航空和汽車制造業的輕量化部件制造領域也備受關注，在簡化工藝步驟和降低CFRP部件制造成本方面頗具潛力。

　　不管幾何尺寸和批量大小如何，三管齊下的整合工藝都為CFRP部件的即時生產開啟了一扇全新的大門。

 

　 德國亞琛工業大學紡織技術研究所

 

　　項目成員分工

 

　　Fraunhofer ILT和AMPHOS公司依托原有技術特長為CarboLase項目開發了超短脈沖激光打孔技術。LUNOVU公司作為系統集成企業，負責將獨立的工藝步驟進行整合，并將傳感器集成在亞琛工業大學紡織技術研究所內的機器人單元中。KOHLHAGE緊固件公司負責自動部署和緊固件集成系統的設計。而亞琛大學紡織技術研究所則負責激光加工預制件自動化工藝鏈的具體實施。