原創(chuàng) Sueuel 光電匯OESHOW

2025年04月07日 17:20 上海

隨著低空經(jīng)濟的全球性崛起，無人機、eVTOL（電動垂直起降飛行器）及衛(wèi)星通信裝備的輕量化需求激增。碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）憑借其比強度高、耐腐蝕性強等特性，成為低空飛行器結(jié)構(gòu)件的理想材料。然而，CFRP的異質(zhì)性（纖維與樹脂結(jié)合）和各向異性導致傳統(tǒng)機械加工易引發(fā)分層、毛刺等問題，嚴重制約生產(chǎn)效率與產(chǎn)品可靠性。激光加工技術(shù)因其非接觸、高精度特性，逐漸成為CFRP高效成形的核心工藝。

一、激光加工碳纖維的三大主流技術(shù)

激光加工碳纖維復合材料的本質(zhì)是光-熱-化學耦合作用過程。激光束通過熱解（Pyrolysis）或燒蝕（Ablation）機制去除材料，其效果受激光波長、脈沖寬度、能量密度及材料導熱性共同影響。目前加工碳纖維的主流激光技術(shù)可分為連續(xù)波激光加工、超短脈沖激光加工、復合輔助激光工藝三類。

連續(xù)波激光加工

采用高功率連續(xù)激光（如CO2激光：10.6 μm，光纖激光：1.06 μm）實現(xiàn)快速切割，通過熱累積效應汽化樹脂基體并斷裂碳纖維。

相比傳統(tǒng)的機械加工方法，連續(xù)波激光加工碳纖維復合材料時，切割精度高，切口寬度窄，一般在0.1-0.3 mm左右；切割面光滑，無明顯毛刺和瑕疵；熱影響區(qū)相對較小，一般熱影響區(qū)寬度在0.5-2 mm左右，對材料的熱損傷較小；可以實現(xiàn)復雜圖形和曲線的切割，切割質(zhì)量高。但由于持續(xù)的熱作用，容易在加工區(qū)域周圍形成較大的熱影響區(qū)，可能導致材料的性能發(fā)生變化，如碳纖維的強度下降、樹脂基體的性能劣化等。

2024年6月，歐洲研究人員已成功使用CO2激光技術(shù)焊接了長達8 m的碳纖維機身部分，這一突破預示著超輕型客機的制造將成為可能。

超短脈沖激光加工

超快激光加工具有超快、超強、超精密的獨特優(yōu)勢，其利用物理/化學效應，作用機制不同于傳統(tǒng)激光加工，有望成為CFRP低損傷高質(zhì)量加工手段。

飛秒（fs）、皮秒（ps）激光通過非線性吸收產(chǎn)生冷燒蝕效應，可在幾乎無熱擴散（脈寬1 ps）條件下實現(xiàn)原子級材料去除。但設(shè)備成本高昂（單臺超快激光系統(tǒng)價格超50萬美元），目前多用于航空航天精密零件制造。

當使用皮秒、飛秒等超快激光加工CFRP時，其“冷”加工效果可輕松將熱影響區(qū)寬度降低到百微米甚至十微米以下。目前超快激光加工CFRP仍面臨以下三大挑戰(zhàn)：

1）如何實現(xiàn)CFRP非均質(zhì)材料的均質(zhì)加工；

2）如何同時進一步降低熱影響區(qū)寬度和斷面傾角（錐度）；

3）如何提高CFRP加工效率以滿足工程需求。

目前，極具代表性的華工激光碳纖維超快激光切割智能裝備，專門針對折疊屏手機減重設(shè)計需求而打造，可實現(xiàn)高精度碳纖維背板工藝槽切割，為行業(yè)應用批量化生產(chǎn)提質(zhì)增效。

復合輔助激光工藝

復合輔助激光工藝則是為了解決激光加工CFRP熱損傷嚴重、加工效率較低等問題而提出的一種新型加工方法。這種方法結(jié)合了激光無接觸、無應力集中、靈活性強的特點，并通過水射流、機械加工等輔助手段減小材料加工的熱致?lián)p傷，提高加工精度。其中，水導激光加工和激光與機械復合加工是兩種常用的復合輔助激光工藝方法。

水導激光加工：利用高壓水射流（20-50 MPa）引導激光并冷卻切縫，該方式能夠解決激光加工中飛濺物堆積、熱損傷嚴重等問題，為CFRP高質(zhì)高效加工提供了可能。在國際市場上，水導激光相關(guān)企業(yè)有瑞士Synova公司、瑞士AVonisys公司等，瑞士Synova公司是處于技術(shù)領(lǐng)先地位的壟斷企業(yè)；國內(nèi)水導激光主要研發(fā)企業(yè)和機構(gòu)有沈陽自動化所、哈工大、哈焊研究院、長春理工、西安晟光硅研、上海冷辰科技、渥特鐳銫、中科煜宸、英谷激光等。

激光與機械復合加工：是在激光鉆孔的基礎(chǔ)上，預留一定精加工余量用于機械擴孔的復合工藝，主要應用于厚度較大的CFRP構(gòu)件加工，有效避免了機械加工應力集中導致的材料易分層和激光加工熱影響區(qū)殘留、錐度較大等問題，提高激光加工效率的同時延長了刀具壽命。然而刀具磨損問題無法完全避免，且激光與機械復合加工方法目前主要用于毫米級的孔加工，突破加工尺寸限制仍有待深入研究。

其他激光復合加工方法：超聲振動輔助激光加工、電場輔助激光加工、磁場輔助激光加工等激光復合加工方法也已被應用在玻璃、金屬、碳化硅復合材料中，但目前針對CFRP的研究較少，激光與CFRP非均質(zhì)材料相互作用的研究有待進一步開展。

二、應用領(lǐng)域：輕量化與高性能的完美結(jié)合

碳纖維復合材料（CFRP）憑借其高強度、輕量化、耐腐蝕等特性，已成為高端制造業(yè)的“明星材料”。隨著低空經(jīng)濟、新能源、航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，碳纖維激光加工技術(shù)已滲透到多個關(guān)鍵行業(yè)，以下是其典型應用領(lǐng)域：

航空航天領(lǐng)域：用于加工飛機的機翼、機身等結(jié)構(gòu)件中的碳纖維復合材料，如切割出復雜形狀的碳纖維部件、在機翼結(jié)構(gòu)上進行高精度鉆孔以安裝連接件等，能夠減輕飛機重量，提高燃油效率和飛行性能。德國通快集團的TruLaser Cell 7040激光系統(tǒng)可切割碳纖維零件。

汽車工業(yè)：可對汽車的碳纖維車身部件、引擎蓋、傳動軸等進行加工，有助于實現(xiàn)汽車的輕量化，提升汽車的加速性能、操控性能和燃油經(jīng)濟性，同時保證汽車的安全性能。大族粵銘激光提供的碳纖維汽車防撞梁總成激光切割機，采用了最先進的激光切割技術(shù)，確保了產(chǎn)品的高質(zhì)量和精度。通過精密的激光加工，每個防撞梁總成都能夠精準地符合設(shè)計要求，保障了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

高端裝備與工業(yè)制造：可對風力發(fā)電葉片、機器人機械臂等高端制造領(lǐng)域進行加工。瑞士ABB的YuMi機器人采用皮秒激光加工諧波減速器支架，表面粗糙度Ra1.6 μm，壽命延長40%。

消費電子：用于加工碳纖維復合材料的電子設(shè)備外殼，如筆記本電腦外殼、手機外殼等，利用激光加工可以實現(xiàn)超薄、超輕的設(shè)計，同時提高外殼的強度和散熱性能，提升電子設(shè)備的品質(zhì)和競爭力。2024年，德龍激光推出了針對折疊屏的碳纖維切割設(shè)備，搭配自主研發(fā)的高功率激光器，使用高能量激光對碳纖維進行高效切割。

體育用品行業(yè)：在自行車、球拍、滑雪板等體育用品的碳纖維部件加工中應用廣泛。Scott 采用德國通快集團的TruPrint 3000設(shè)備加工碳纖維材料的車把，打破了形狀和功能的界限。

醫(yī)療與生物工程：可對醫(yī)療設(shè)備外殼、骨科植入物與假肢、手術(shù)機器人部件等進行加工。如采用紫外激光精細切割碳纖維假肢的仿生結(jié)構(gòu)。

小結(jié)

隨著低空經(jīng)濟、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)，碳纖維復合材料的應用場景將持續(xù)擴展。然而，碳纖維復合材料的非均質(zhì)性、各向異性和層合結(jié)構(gòu)的特性仍然給加工過程帶來挑戰(zhàn)。為了進一步提升碳纖維復合材料的加工質(zhì)量和效率，需要更深入地探索與研究超快激光加工和激光復合加工等新方法新工藝。相信在不久的將來，激光加工技術(shù)這位“精雕師”將在碳纖維材料加工領(lǐng)域創(chuàng)造更多的奇跡。

參考來源：

[1]Limei Chen,Limei Chen, Maojun Li., et al. Thermal analysis of CFRP cutting with continuous-wave fiber lasers. Journal of Materials Processing Tech. (2020)

[2] 李欣,宋綺夢,et al.激光加工碳纖維增強復合材料及其在航空航天領(lǐng)域應用.《中國激光》. (2024)