融合水刀、激光，提高 CFRP/CMC 加工效率

随着碳纤维增强聚合物 (CFRP) 和陶瓷基复合材料 (CMC) 材料在飞机发动机、空间部件和高超音速应用中激增，加工成为一个问题，精度和效率可以改变程序结果。由于 CFRP 和 CMC 的硬度和磨蚀性，尝试将高可靠性和高精度特征加工到 CFRP 和 CMC 中可能具有挑战性，从而导致加工速度缓慢、对材料特性产生不良影响、无法满足零件规格和高运营成本，包括经常使用的刀具替换。

为了应对这一挑战，已经开发了一系列激光技术来加工这种先进的复合材料。虽然激光提供了提高效率和消除重复工具成本的潜力，但产生的热量会消散到材料中，从而产生微裂纹和材料变化的可能性。激光还会在光束的焦点处进行切割，从而导致 V 形切割，这对于精确公差来说可能是个问题。

Synova（瑞士杜利耶）开发的 Laser MicroJet 技术可产生完全包含在水刀内的激光束。激光在空气-水界面反射，原理类似于光纤，而水冷却切割区并清洗切口上的碎屑。据报道，与传统激光器相比，Laser MicroJet 的优点包括无燃烧或热降解、毛刺更少、表面更光滑、切割面直且精度更高。

连续波 在 2017 年参观 GE Aviation 位于美国北卡罗来纳州阿什维尔的 CMC 发动机部件生产工厂时，首次遇到了 Laser MicroJet。在这里，它用于在 LEAP 飞机发动机的 CMC 护罩上加工孔。 “这项技术有助于保持高水平的孔径精度，”GE Aviation 的 CMC 生产经理 Ryan Huth 说。 “MicroJet 可以在两分钟内钻出这些孔，而传统加工需要一小时，”Huth 说。 连续波 的姊妹杂志，Modern Machine Shop , 还发表了一篇关于 Laser MicroJet 的信息文章。

水与光的力量

Synova 由 Bernold Richerzhagen 博士于 1997 年创立，他于 1990 年代在联邦理工学院（EPFL，瑞士洛桑）进行研究后获得了 Laser MicroJet 技术的专利。该技术于 2001 年被广泛用于半导体晶圆切割。Synova 随后于 2003 年在美国、日本、印度和韩国建立了当地子公司。这些子公司现已扩展到现在包括微加工中心，并计划近期在台湾和中国大陆进行扩张。 2009年，Synova与Makino Milling Machine Co. Ltd.（日本东京）建立合作开发伙伴关系，推出新的机器系列并推进这些机器的加工，用于医疗设备、手表机构、燃气和喷气发动机涡轮叶片、半导体设备的加工和超硬材料切削刀具。

在 Laser MicroJet 系统中，激光束穿过加压水室并聚焦到喷嘴中。激光器是一种常见的工业类型——固态 Nd:YAG——功率为 10-200 瓦，波长为 1,064（红外）、532 或 355 纳米。在 200-650 巴的低压下使用过滤后的去离子水，直径为 50-70 微米的细如头发的喷射流。这导致耗水量低，约为 2-3 升/小时，并且施加在材料上的力小于 0.1 牛顿，可以忽略不计。

如何在水中实现高效的激光烧蚀？ “激光脉冲大约每秒 10,000 次，”Synova 美国业务经理 Jacques Coderre 解释说，“对于每个激光脉冲，都会产生等离子体，将水向上推，从而发生消融。在脉冲结束时，等离子体崩溃，水现在清洁表面并散发热量。”他指出，水刀还消除了干式激光系统通常所需的保持激光聚焦的复杂性和工艺变化。 “这使得切割厚零件或非平面零件成为可能，而不必担心对焦，”Coderre 说。 “该技术还产生了一种圆柱形激光器，可以创建具有紧密切口宽度的完美平行壁。”

配置复合材料

Laser MicroJet 不仅适用于 CMC，而且适用于 CFRP 和堆叠层压板。在测试过程中，它在 2.6 毫米厚的碳纤维增强塑料 (CFRP) 层压板中以高达 1,440 毫米/分钟的速度生产了 3 毫米直径的孔。 “使用传统激光器时，由于热量的原因，您必须放慢速度，”Coderre 指出。 “传统轧机可以达到类似的速度，但由于需要更换刀具，因此运营成本更高。”

Laser MicroJet 可以切割 1 英寸厚的 CMC 层压板。 “速度基于 1 毫米的相当恒定的消融率 ³ /min，”Coderre 观察到。

Synova 拥有一系列机器，去年推出了其五轴 CNC LCS 305 系统。 “这台机器擅长高精度 3D 切割，非常适合小型 CMC 零件，”Coderre 解释说。 “但它不太适合大型 CFRP 零件。”为此，Synova 将其 Laser MicroJet 集成到龙门机器中，能够加工大于 2 米乘 3 米的零件。 “它也很容易与机器人集成并易于编程，”他补充道。对于 2D 切割，MicroJet 软件会将 CAD 文件转换为机器代码。一旦确认，操作员只需按下一个按钮，机器就会执行切割程序。对于 3D 切割，Coderre 解释说，后处理器从 CAD 文件中提取必要的 3D 数据并将其格式化以用于 Laser MicroJet。

对于 Factory 4.0 功能，激光功率计、定位传感器和自动喷射角度校正集成到 Laser MicroJet 系统中。 “它非常灵活，”Coderre 说，“很容易将其作为独立系统或作为全自动生产线的一部分纳入零件生产中，以实现无需操作员的大批量生产。”该技术已经在 LEAP 飞机发动机的 CMC 部件中得到验证，他继续说道。 “对于复合材料，它通过更快的生产速度、更低的运营成本、更高的可靠性和更高的产量来提供更低的制造成本。”随着新材料、市场和竞争金属技术的不断发展，这种效率确实是复合材料所需要的。