Расплавление гидроабразивным лазером для повышения эффективности обработки углепластика / CMC

По мере того как материалы из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) и композитного материала с керамической матрицей (CMC) все чаще используются в авиационных двигателях, космических компонентах и ​​гиперзвуковых приложениях, обработка становится проблемой, точность и эффективность которой могут повлиять на результаты программы. Попытка обработать высоконадежные и высокоточные элементы в углепластиках и CMC может быть сложной задачей из-за их твердости и абразивности, что приводит к низкой скорости обработки, нежелательному влиянию на свойства материала, неспособности соответствовать спецификациям деталей и высоким эксплуатационным расходам, включая повторяющиеся инструменты. замена.

Для решения этой задачи был разработан ряд лазерных технологий для обработки таких передовых композитов. В то время как лазеры предлагают потенциал для повышения эффективности и устранения повторяющихся затрат на инструмент, выделяемое тепло рассеивается в материале, создавая потенциал для микротрещин и изменения материала. Лазеры также режут в фокусе светового луча, что приводит к V-образным разрезам, что может быть проблематичным для точных допусков.

Лазерная технология MicroJet, разработанная Synova (Duillier, Швейцария), создает лазерный луч, который полностью находится внутри гидроабразивной струи. Лазер отражается на границе раздела воздух-вода, в принципе аналогично оптическому волокну, в то время как вода охлаждает зону резания и смывает мусор с пропила. По имеющимся сведениям, преимущества Laser MicroJet по сравнению с обычными лазерами включают отсутствие выгорания или термического разрушения, меньшее количество заусенцев для получения более гладких поверхностей, прямолинейные разрезы и более высокую точность.

CW впервые столкнулся с Laser MicroJet во время своего турне в 2017 году по американскому заводу GE Aviation по производству компонентов двигателей CMC в Эшвилле, Северная Каролина. Здесь он используется для обработки отверстий в кожухах CMC для авиационных двигателей LEAP. «Эта технология помогает поддерживать высокий уровень точности диаметра отверстия», - говорит Райан Хут, менеджер GE Aviation по производству CMC. «MicroJet может просверлить эти отверстия за две минуты по сравнению с одним часом при традиционной обработке», - говорит Хут. CW Дочерний журнал Modern Machine Shop , также опубликовал информативную статью о Laser MicroJet.

Сила воды и света

Компания Synova была основана в 1997 году доктором Бернольдом Ричерцхагеном, который запатентовал технологию Laser MicroJet после своих исследований в Федеральном технологическом институте (EPFL, Лозанна, Швейцария) в 1990-х годах. Технология была широко принята для нарезки полупроводниковых пластин в 2001 году. Затем в 2003 году Synova открыла местные дочерние компании в США, Японии, Индии и Корее. Теперь они были расширены и теперь включают центры микромеханической обработки, а в ближайшем будущем планируется расширение на Тайвань и Китай. В 2009 году Synova установила совместное партнерство в области развития с Makino Milling Machine Co. Ltd. (Токио, Япония), представив новую серию станков и усовершенствовав их для обработки медицинских устройств, часовых механизмов, лопаток газовых и реактивных двигателей, полупроводниковых приборов. и режущий инструмент из сверхтвердых материалов.

В системе Laser MicroJet лазерный луч проходит через камеру с водой под давлением и фокусируется в сопло. Лазеры представляют собой общепромышленный тип - твердотельные Nd:YAG - мощностью 10-200 Вт и длиной волны 1064 (инфракрасный), 532 или 355 нанометров. Тонкая струя фильтрованной деионизированной воды диаметром 50-70 мкм используется при низком давлении 200-650 бар. Это приводит к низкому расходу воды, порядка 2-3 л / час, и незначительному воздействию на материал силы менее 0,1 ньютона.

Как можно добиться эффективной лазерной абляции в воде? «Лазер излучает примерно 10 000 импульсов в секунду», - объясняет Жак Кодерр, бизнес-менеджер Synova в США. «Для каждого лазерного импульса генерируется плазма, которая толкает воду вверх, обеспечивая абляцию. В конце импульса плазма схлопывается, и теперь вода очищает поверхность и рассеивает тепло ». Он отмечает, что водоструйная очистка также устраняет сложность и технологические вариации поддержания лазера в фокусе, которые обычно требуются для сухих лазерных систем. «Это позволяет резать толстые или неплоские детали, не беспокоясь о фокусировке», - говорит Кодерре. «Эта технология также позволяет получить цилиндрический лазер, который создает идеально параллельные стены с малой шириной пропила».

Настройка для композитных материалов

Laser MicroJet хорошо работает не только с КМЦ, но и с углепластиком и многослойным ламинатом. Во время испытаний он произвел отверстия диаметром 3 миллиметра в ламинате из углепластика (CFRP) толщиной 2,6 миллиметра на скоростях до 1440 мм / мин. «При использовании обычного лазера из-за высокой температуры приходится снижать скорость», - отмечает Кодер. «Обычные фрезы могут достигать аналогичных скоростей, но имеют более высокие эксплуатационные расходы из-за необходимости замены инструмента».

Laser MicroJet может резать ламинат CMC толщиной 1 дюйм. «Скорость основана на довольно постоянной скорости абляции 1 мм ³ / мин », - замечает Кодер.

Synova имеет ряд станков, а в прошлом году представила свою пятиосевую систему с ЧПУ LCS 305. «Этот станок отличается высокой точностью трехмерной резки и хорошо подходит для небольших деталей из CMC», - объясняет Кодер. «Но он не подходит для больших деталей из углепластика». Для этого Synova интегрировала свой Laser MicroJet в портальный станок, способный обрабатывать детали размером более 2 на 3 метра. «Его также легко интегрировать с роботами и легко программировать», - добавляет он. Для 2D-резки программа MicroJet преобразует файл САПР в машинный код. После проверки оператор просто нажимает кнопку, и машина выполняет процедуру резки. Для трехмерной резки Кодерре объясняет, что постпроцессор извлекает необходимые трехмерные данные из файла САПР и форматирует их для Laser MicroJet.

Для возможности Factory 4.0 в систему Laser MicroJet интегрированы измеритель мощности лазера, датчик позиционирования и автоматическая коррекция угла струи. «Она очень гибкая, - говорит Кодер, - ее легко включить в производство деталей как отдельную систему или как часть полностью автоматизированных линий для крупносерийного производства без оператора». «Эта технология уже была проверена в деталях CMC для авиационных двигателей LEAP», - продолжает он. «Для композитов он предлагает более низкие производственные затраты, достигаемые за счет более высоких скоростей производства, снижения эксплуатационных расходов, более высокой надежности и более высокой производительности». Такая эффективность - это то, что действительно необходимо композитам, поскольку новые материалы, рынки и технологии производства конкурентоспособных металлов продолжают развиваться.