CarboLase项目公布新一代CFRP部件 金属紧固件埋入技术再上新台阶

碳纤维复合材料（CFRP）是用途最广泛的复合材料之一。CFRP将树脂基体和高强度碳纤维的优异性能结合在一起，形成了高强度、高刚度和低密度的材料解决方案。那么，在能源效率备受关注的当下，CFRP的应用并未实现真正的突破的原因何在？一方面，是因为成本居高不下，另一方面则是CFRP部件的加工制造相当困难.

为了解决这一难题，2017年3月，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与来自研究机构和产业界的4个合作伙伴启动了一项名为“CarboLase - 高效、自动化和量身定制的即时CFRP部件制造”的研究项目。该项目由欧洲地区发展基金（ERDF）资助，旨在帮助参与项目的北莱茵威斯特伐利亚中小企业（SMEs）成为行业技术的先行者，从而提升他们在德国和国际上的长期竞争力。项目目标明确，主要通过简化CFRP生产工艺、降低成本来达成。

该项目历时两年半，共获得ERDF资助约200万欧元，已于去年结题。下面，小编就为您介绍一下该项目的主要研究成果。

CarboLase项目公布的新一代CFRP部件

CFRP部件的传统组装方法是首先在成型的CFRP模块上钻孔，随后将螺纹嵌入件等金属紧固件粘在其中。采用轻质复合材料部件替代传统零部件时，需要将CFRP部件与传统部件连接在一起。

CarboLase项目另辟蹊径，通过紧固件与织物预制件的集成开发出了不同的解决方案。最终的CFRP部件通过附加固化工艺与嵌入件合而为一，大大缩短了工艺链。然而，这种方法只在钻孔精度极高时有效。

采用超短脉冲激光束制造出星形切口的碳纤维预制件及其对应金属紧固件。

© 德国Fraunhofer ILT

三管齐下

项目组开发了CNC切割、激光加工和自动处理三管齐下的全新CFRP部件制造工艺。他们将这三个独立的工艺技术组合在一个机器人单元中，并自动执行所有的工艺步骤。首先，通过切割、堆叠和组装将织物制成预制件；然后，采用超短脉冲激光（USP laser）为金属紧固件进行高精度钻孔。

超短脉冲激光是传统制造工艺很好的替代技术，但必须在机器人单元中集成激光器。在传统的设备中，超短脉冲会通过镜子进行目标引导，但这在机器手上很难实现。为了解决这一问题，项目组成员开发了一种全新技术，使超短脉冲激光发生耦合。激光源则通过空心光纤连接到机器手的扫描仪上。

采用超短脉冲激光进行加工的一大特点是不会对预制件造成热损伤。

© 德国亚琛工业大学纺织技术研究所

项目成果

为了进一步验证该方法的技术可行性，项目合作者们制造了一个B柱示范件，并对其进行了全面的力学性能测试，实验结果全部考核通过。在一系列的拉拔和扭转实验中，采用CarboLase技术制造的连接件表现优于传统方法连接件。由于紧固件与基体材料之间的紧密连接，采用新方法制造的CFRP部件比传统部件（粘接紧固件）的拉拔力高出50%。力学性能的显著提高，再加上部件结构的优化设计，使得部件整体厚度和重量的降低成为可能。

CarboLase方法为紧固件尺寸和位置选择创造了更多的自由度。机器人和扫描仪在米和微米尺度的移动比传统的静态加工中心更具灵活性。这就为CFRP部件的高效大规模定制化生产铺平了道路，必将超越现有的技术水平。动态超短脉冲激光钻孔技术在航空和汽车制造业的轻量化部件制造领域也备受关注，在简化工艺步骤和降低CFRP部件制造成本方面颇具潜力。

不管几何尺寸和批量大小如何，三管齐下的整合工艺都为CFRP部件的即时生产开启了一扇全新的大门。

© 德国亚琛工业大学纺织技术研究所

项目成员分工

Fraunhofer ILT和AMPHOS公司依托原有技术特长为CarboLase项目开发了超短脉冲激光打孔技术。LUNOVU公司作为系统集成企业，负责将独立的工艺步骤进行整合，并将传感器集成在亚琛工业大学纺织技术研究所内的机器人单元中。KOHLHAGE紧固件公司负责自动部署和紧固件集成系统的设计。而亚琛大学纺织技术研究所则负责激光加工预制件自动化工艺链的具体实施。