激光钻孔自动化工艺，实现快速、精确、无磨损加工

　　由于碳纤维增强塑料（CFRP）具有高比强度、高比模量和良好的抗疲劳性等卓越优势，因此经常被用于航空航天、汽车、轨道交通和其他领域。复合材料部件通常需要连接和集成。在设备制造业中，加工复合材料部件最常用的方法是切割、钻孔和表面处理。传统的机械加工会严重影响碳纤维增强塑料的质量，造成分层、毛刺和撕裂等缺陷。激光加工技术因其高质量、非接触、控制简单和自动化等特点，已成为加工碳纤维增强塑料的重要方法。

　　近期，德国汉诺威激光中心（LZH）发布新闻稿向外界宣布，中心的科学家们已经开发出一种激光钻孔的自动化工艺，有助于碳纤维增强塑料的加工。这种材料凭借出色的隔音效果，在轻质建筑中有着重要的应用。碳纤维增强塑料（CFRP）等复合材料是轻质结构的理想材料，当前主要用于汽车和飞机制造。为了简化碳纤维增强塑料和夹层材料的加工，LZH的科学家们与INVENT GmbH和KMS Technology Center GmbH共同开发了一种创新工艺和相关的系统设置。

　　小直径同时钻孔

　　在这一过程中，激光束会被专门设计的衍射光学元件分成若干部分光束，从而击中材料上的多个位置，同时产生多个钻孔。理想情况下，最多可使用25个光束，从而将钻孔时间缩短到原来的二十五分之一，每个孔的钻孔时间不到十分之一秒，而这一数值是传统方法无法达到的。

　　通过这种工艺，科学家们能够钻出直径仅为1.2毫米到0.25毫米的孔。这使得它们比目前在夹层材料和碳纤维增强塑料材料中使用传统机械方法制造的孔径更小。使用KMS Technology Center GmbH制造的光学机械装置，还能在无需更换工具的情况下实现孔径和孔型的高度灵活性。

　　轻质结构中的隔音应用领域

　　激光钻孔在航空领域的应用尤为引人注目。例如，为了降低飞机噪音，在发动机上使用了吸音覆层元件。这些部件通常由碳纤维增强塑料或碳纤维增强塑料夹层材料制成，然后在大面积上开出许多小孔。

　　使用激光器进行微钻孔特别适用于这些所谓的声波钻孔，因为激光钻孔是非接触式的，因此没有力和磨损问题产生。这就避免了工具磨损造成的高成本和钻头钝化引发的质量问题。在声学测试中，项目合作伙伴INVENT GmbH公司对激光钻孔夹芯板的消声性能进行了评估，结果非常好。

　　中国研究团队的成果

　　去年，来自北京科技创新中心和长春理工大学吉林省固体激光技术及应用重点实验室的几位研究学者联合发表了一篇题为《开发激光加工碳纤维增强塑料》的公开论文。该文回顾了碳纤维增强塑料激光加工的研究发展，总结了影响碳纤维增强塑料激光加工质量的因素。

　　研究团队认为，激光加工具有快速、非接触、高精度、灵活、高效等优点，目前已广泛应用于碳纤维增强塑料加工领域。利用激光技术对碳纤维增强塑料进行切割、钻孔、铣削、清洗和焊接，是提高生产效率的重要手段。为进一步减少加工过程中的热影响区和切口宽度，完成碳纤维增强塑料的低损伤、高精度、高质量和工业化加工，可重点开展以下几个方面的研究。

　　● 开发高精度、高效率的碳纤维增强塑料激光加工技术。具有超短脉冲的短波长激光可实现超精密、高质量的微结构加工。随着千瓦级高功率皮秒激光器的诞生和超快激光机制的进一步完善，超快激光加工技术除了保持现有的加工精度和质量优势外，加工效率和可加工尺度（如加工较厚的复合材料板）也有望得到显著提高。

　　然而，当使用较高的能量通量时，仍会产生较大的热影响区。因此，还需要选择适当的激光参数（重复频率、扫描路径等），以便在加工过程中冷却材料，从而提高加工质量。

　　● 开发可根据加工结果随时更改参数的实时监控技术。在激光加工过程中，激光加工参数和材料参数对加工质量有很大影响。在加工过程中，受碳纤维增强塑料材料（如铺层角度、材料厚度等）和不同激光性能（如激光光斑直径、光束质量、重复频率等）的影响，每个参数都会发生变化。二者都会导致加工结果的巨大波动。针对这种情况，可以改进并结合人工智能技术，建立激光加工数据库。

　　● 开发面积更大、质量更高的激光加工技术。激光加工通常以能量密度极高的高斯脉冲形式加工碳纤维增强塑料，因为高斯激光能量分布不均匀，部分区域激光能量密度较高。容易对材料造成严重的热损伤，因此激光在实际生产中的加工精度无法进一步提高。

　　与高斯光束相比，平顶光束形式具有脉冲重叠率低、光场均匀等优点，因此更有利于激光在碳纤维增强塑料中进行微纳加工等应用。因此，可以探索双折射元件整形、液晶空间光调制整形和激光腔内整形等方法，将高斯脉冲整形为平顶激光，实现更大面积和更高精度的加工。

　　● 将机器人技术与激光加工技术相结合，提高激光加工自动化水平。随着航天器向大型化、超大型化发展，汽车、飞机等轻量化也随之发展。碳纤维增强塑料在各个领域的应用越来越广泛。对人力资源需求的增加也导致人为错误的增加，这将进一步降低碳纤维增强塑料二次加工的质量。

　　因此，可以将机器人技术与激光加工技术相结合，减少人为操作的影响，提高激光加工的加工速度和精度。目前，市场上已经出现了传统的激光焊接机器人、切割机器人等产品；随着对激光加工研究的深入，越来越多的激光加工机器人将出现在加工生产线上。

　　● 开发具有高清洁度、高加工质量和高性价比的水导加工技术。由于水对激光能量的吸收率高，能量衰减快，因此需要进一步研究激光在水中的衰减规律，同时找到合适的激光与水射流耦合方法，降低水中的衰减能量，从而提高水导激光传输效率，进一步提高加工速度。在碳纤维增强塑料中进行水导激光加工，可以获得更好的加工质量，因为基体容易吸水和潮解。随着材料水热性能的进一步优化，水导加工技术仍有良好的发展前景。

　　● 开发更高效、更厚的加工技术。在激光复合加工碳纤维增强塑料方面，多能量场复合激光材料去除技术逐渐兴起。常用的能量场有电磁场、热场、振动场等，但在工业应用中成本较高，需要进一步研究。随着3D打印技术的发展，激光3D打印碳纤维增强塑料零件是一种新型、快速、经济的加工方法。