01
Εισαγωγή
Τα ενισχυμένα πολυμερή με ίνες άνθρακα (CFRP) αποτελούνται από μια ρητίνη που δρα ως υλικό φάσης μήτρας και από ίνες άνθρακα που χρησιμεύουν ως υλικό φάσης ενίσχυσης. Συνδυάζοντας τις ιδιότητες του υλικού τόσο της μήτρας ρητίνης όσο και του οπλισμού από ανθρακονήματα, το CFRP εμφανίζει χαρακτηριστικά όπως το μικρό βάρος, την αντοχή στη διάβρωση, την αντοχή στη φθορά και την υψηλή σκληρότητα. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως σε τομείς με ισχυρές απαιτήσεις για δομικό ελαφρύ βάρος-όπως η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, η ναυπηγική ναυπηγική, η παραγωγή αιολικής ενέργειας και η πολιτική μηχανική. Οι κύριες μέθοδοι κατασκευής για υλικά CFRP περιλαμβάνουν τη χύτευση με μεταφορά ρητίνης (RTM), τη χύτευση σε αυτόκλειστο, τη χύτευση σακούλας κενού και την περιέλιξη νήματος. Αυτές οι μέθοδοι επιτρέπουν την παραγωγή δομών CFRP μέσω σχεδόν-καθαρής-επεξεργασίας σχήματος. Ωστόσο, σε πρακτικές βιομηχανικές εφαρμογές, απαιτείται συνήθως δευτερογενής επεξεργασία του CFRP για την επίτευξη της επιθυμητής γεωμετρίας του εξαρτήματος-συμπεριλαμβανομένων χαρακτηριστικών όπως οπές, αυλακώσεις και αυλακώσεις συναρμολόγησης-και για την τήρηση της ακρίβειας διαστάσεων και των ανοχών μορφής που καθορίζονται στη σχεδίαση του εξαρτήματος. Λόγω των σημαντικών διαφορών στις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες μεταξύ των ενισχυτικών ινών άνθρακα και της ρητίνης μήτρας εντός του CFRP, αυτή η δευτερογενής επεξεργασία παρουσιάζει σημαντικές προκλήσεις και είναι επιρρεπής σε διάφορα ελαττώματα, με αποτέλεσμα συχνά να διακυβεύεται η ποιότητα της επεξεργασίας. Ως εκ τούτου, για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις διαστάσεων και απόδοσης των τελικών εξαρτημάτων, είναι υψίστης σημασίας η διερεύνηση τεχνολογιών επεξεργασίας για υλικά CFRP και η διερεύνηση μεθόδων επεξεργασίας υψηλής{11}}ποιότητας και υψηλής απόδοσης.
02
Μηχανισμοί Αφαίρεσης Υλικών στην Επεξεργασία Laser
Με την εμφάνιση προηγμένων υλικών μηχανικής που διαθέτουν περίπλοκες φυσικές ιδιότητες-όπως τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRP)-η ανταγωνιστικότητα της παραδοσιακής μηχανικής κατεργασίας, της μηχανικής με εκτόξευση νερού και της μηχανικής κατεργασίας ηλεκτρικής εκκένωσης έχει σταδιακά μειωθεί. Στην επεξεργασία με λέιζερ, η αφαίρεση υλικού περιλαμβάνει βασικά την απορρόφηση, την απόκριση και τη μεταφορά της ενέργειας λέιζερ μέσα στο υλικό. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το λέιζερ ακτινοβολεί την επιφάνεια του υλικού και τα ηλεκτρόνια απορροφούν την ενέργεια των φωτονίων. Στη συνέχεια, η μεταφορά ενέργειας λαμβάνει χώρα μέσω συγκρούσεων πλέγματος ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του πλέγματος και τη μείωση της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων μέχρι να επιτευχθεί θερμική ισορροπία μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πλέγματος. Ωστόσο, επειδή η θερμοκρασία εξάχνωσης των ινών άνθρακα (~3600 K) είναι περίπου πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή της μήτρας ρητίνης (~800 K), η ενέργεια που απαιτείται για την αφαίρεση των ινών άνθρακα είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για τη ρητίνη. Επιπλέον, λόγω της ανισότροπης θερμικής αγωγιμότητας των ινών άνθρακα, η θερμότητα που παράγεται κατά τη διαδικασία εξάχνωσης των ινών άνθρακα διαδίδεται κατά προτίμηση στη μήτρα της ρητίνης, οδηγώντας σε αποσύνθεση ρητίνης και σχηματισμό επιβλαβών ουσιών. Οι ερευνητές έχουν προτείνει έναν μηχανισμό αφαίρεσης δύο σταδίων για το CFRP: πυρόλυση που προκαλείται από λέιζερ και θερμομηχανική απολέπιση. Το πλάσμα που παράγεται κατά το αρχικό στάδιο της αφαίρεσης υλικού απορροφά θερμότητα και παράγει κατευθυντικά θερμικά κρουστικά κύματα. Οι ίνες άνθρακα που εκτίθενται κατά την επεξεργασία υπόκεινται σε ακτινικές δυνάμεις διάτμησης, με αποτέλεσμα εύθραυστη θραύση και αποκόλληση υλικού.
Όταν η διάρκεια του παλμού λέιζερ πέσει κάτω από 10 ps, η διάρκεια του παλμού γίνεται μικρότερη από τον χρόνο χαλάρωσης του πλέγματος ηλεκτρονίων-, με αποτέλεσμα ο μηχανισμός αφαίρεσης υλικού να αποκλίνει από την παραδοσιακή θερμική αφαίρεση. Ο μηχανισμός επεξεργασίας απεικονίζεται στο Σχήμα 2: το υλικό της ρητίνης παρουσιάζει κακή ηλεκτρική αγωγιμότητα και περιορισμένο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων, με ενεργειακό διάκενο 2–4 eV. Αντίθετα, η ίνα άνθρακα έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και περιέχει μια ορισμένη ποσότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων. Κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας λέιζερ, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εντός της ίνας άνθρακα απορροφούν απευθείας την ενέργεια του λέιζερ, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος ηλεκτρονίων. Όταν η ενέργεια ενός μόνο φωτονίου είναι χαμηλότερη από το διάκενο ζώνης της ρητίνης, δημιουργούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια μέσω του μηχανισμού ιονισμού πολλαπλών φωτονίων (MPI), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(β). Όταν η ενέργεια ενός μεμονωμένου φωτονίου υπερβαίνει το διάκενο ζώνης, ο ιονισμός ενός{10}φωτονίου κυριαρχεί στον μηχανισμό διέγερσης των ηλεκτρονίων. Τα παραγόμενα ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται με δεσμευμένα ηλεκτρόνια, μεταφέροντας ενέργεια μέσω ιονισμού κρούσης. αυτό προκαλεί ιονισμό χιονοστιβάδας-όπως απεικονίζεται στο σχήμα 2(γ)-που αυξάνει σημαντικά την πυκνότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Κατά τη διάρκεια της φάσης ακτινοβολίας λέιζερ εξαιρετικά βραχείας{16}}παλμικής ακτινοβολίας, η θερμοκρασία του πλέγματος αλλάζει αργά λόγω θερμικής αδράνειας, ενώ η θερμοκρασία του συστήματος ηλεκτρονίων αυξάνεται γρήγορα. Οι εμπλεκόμενες μεταβάσεις φάσης περιλαμβάνουν τόσο μη-μεταβάσεις θερμικής όσο και θερμικής φάσης. Εάν η ενέργεια των φωτονίων του λέιζερ είναι αρκετά υψηλή, τα ηλεκτρόνια απορροφούν αρκετή ενέργεια για να υπερνικήσουν τις δυνάμεις δέσμευσης Coulomb των ατομικών πυρήνων, οδηγώντας σε θερμικό ιονισμό και αφήνοντας πίσω μεγάλο αριθμό θετικών ιόντων. Αυτά τα θετικά ιόντα απωθούν το ένα το άλλο λόγω των δυνάμεων Coulomb, με αποτέλεσμα μια "έκρηξη Coulomb" και ηλεκτροστατική αφαίρεση-μια διαδικασία γνωστή ως "ψυχρή αφαίρεση"-όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(δ). Καθώς η σκέδαση της ενέργειας του πλέγματος ηλεκτρονίων-συμβαίνει συνεχώς, η θερμοκρασία του πλέγματος αυξάνεται σταδιακά και η αγωγιμότητα της θερμότητας λαμβάνει χώρα μεταξύ της ίνας άνθρακα και της ρητίνης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(ε). Κατά συνέπεια, όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει ένα ορισμένο όριο, συμβαίνουν μεταβάσεις θερμικής φάσης-όπως η εξάτμιση και η έκρηξη φάσης-, δημιουργώντας πλάσμα υψηλής-θερμοκρασίας, υψηλής-πίεσης και υψηλής{32}}πυκνότητας που εκτοξεύεται από τη διεργασία και την επιφάνεια.
Τα ελαττώματα εντός της επηρεαζόμενης από τη θερμότητα ζώνης (HAZ) αναφέρονται σε περιοχές εντός του CFRP όπου συμβαίνουν εντοπισμένες αλλαγές ιδιοτήτων ως αποτέλεσμα αλληλεπιδράσεων υλικού λέιζερ-, καθώς και της εγγενούς ετερογένειας και ανισοτροπίας του υλικού. Αυτές οι αλλαγές περιλαμβάνουν τη μη-μη ομοιόμορφη εξάτμιση και τη θερμική αποικοδόμηση της ρητίνης μήτρας, καθώς και την έκθεση των ινών άνθρακα. Μια δέσμη λέιζερ Gauss δημιουργεί μια μη-μη ομοιόμορφη κατανομή χωρικής ενέργειας και τα φαινόμενα θερμικής διάχυσης προκαλούν τη θέρμανση του υλικού CFRP κοντά στη ζώνη επεξεργασίας. Στη συγκεκριμένη περιοχή, η θερμική ενέργεια υπερβαίνει το όριο που απαιτείται για την αποσύνθεση της μήτρας της ρητίνης, αλλά παραμένει κάτω από το όριο που απαιτείται για την αφαίρεση των ινών άνθρακα. Αυτό οδηγεί σε επιδείνωση των ιδιοτήτων της ρητίνης και στην τοπική έκθεση των ινών άνθρακα. Μέσα σε αυτή τη ζώνη, η αγωγιμότητα θερμότητας θερμαίνει τόσο τη ρητίνη όσο και τις ίνες άνθρακα. Λόγω της σημαντικής διαφοράς μεταξύ των θερμοκρασιών εξάτμισης της ρητίνης και των ινών άνθρακα, η ρητίνη σε αυτή την περιοχή εξατμίζεται ενώ οι ίνες άνθρακα αποτυγχάνουν να φτάσουν τη θερμοκρασία εξάτμισης τους, με αποτέλεσμα την έκθεση των ινών άνθρακα.
