混合水射流-激光加工提升CFRP与CMC部件制造效率

随碳纤维增强聚合物（CFRP）和陶瓷基复合材料（CMC）在航空发动机、航天部件和高超声速应用普及，加工成精度效率关键环节。因硬度磨蚀性，在CFRP和CMC加工高可靠高精度特征面临挑战：加工速率慢、材料性能不利影响、难满足规格、高运营成本含反复刀具更换。

为应对挑战，开发系列激光技术加工此类先进复合材料。激光虽潜在提效消除刀具成本，但热量散入材料致微裂纹和材质变化。激光在光束焦点切割形成V形切口，对精密公差不利。

Synova（瑞士杜利耶）开发激光微射流技术，激光束完全包裹于水射流中。激光在气水界面全反射，原理类光纤，水冷却切割区冲走切缝碎屑。激光微射流比常规激光优势据报含：无烧蚀热降解、毛刺少表面更光滑、直壁切割、高精度。

CW 2017年考察GE Aviation北卡阿什维尔CMC发动机部件生产厂首遇激光微射流。用于LEAP航空发动机CMC整流罩钻孔。“此技术维持孔径高精度，”GE Aviation CMC生产经理Ryan Huth说。“微射流钻孔2分钟 vs 常规加工1小时，”Huth说。CW姊妹刊Modern Machine Shop也刊登激光微射流深度文章。

水光合力

Synova 1997年由Bernold Richerzhagen博士创立，1990年代在瑞士联邦理工学院（EPFL，洛桑）研究后专利激光微射流技术。2001年半导体晶圆切割广泛采用。2003年美日印韩设子公司，近期拟扩展台湾中国。2009年与牧野铣床（日本东京）建立合作开发伙伴关系，推出新机系列推进医疗器械、钟表机芯、燃气汽轮机叶片、半导体器件及超硬材料刀具加工。

激光微射流系统中，激光束经加压水室聚焦入喷嘴。激光为常见工业型固态Nd:YAG，功率10-200瓦，波长1064（红外）、532或355纳米。发丝细水射流——直径50-70微米——过滤去离子水，低压200-650巴。结果低水耗约2-3升/小时，施于材料力<0.1牛顿可忽略。

如何水中高效激光烧蚀？“激光约每秒脉冲1万次，”Synova美国业务经理Jacques Coderre解释。“每脉冲产生等离子体推水向上，实现烧蚀。脉冲结束等离子体坍塌，水清洁表面散热。”他注水射流消除干式激光系统典型的聚焦维护复杂性和工艺变异。“这使切割厚件或非平件无需担心失焦，”Coderre说。“技术还产生圆柱激光形成完美平行壁、严密切缝宽度。”

复合材料配置

激光微射流不只适用CMC，也适用CFRP和叠层板。测试中在2.6mm厚CFRP层压板钻3mm孔速达1440mm/分。“常规激光因热须减速，”Coderre注。“常规铣削速度相当但刀具更换运营成本高。”

激光微射流可切1英寸厚CMC层压板。“速度基于约1立方毫米/分恒定烧蚀率，”Coderre观察。

Synova机型丰富，去年推出五轴CNC LCS 305系统。“此机擅长高精度3D切割，适配小型CMC部件，”Coderre解释。“但不适合大型CFRP部件。”为此Synova将激光微射流集成龙门机，加工>2×3米大件。“也易集成机器人、易编程，”他加说。2D切割微射流软件转CAD文件为机器码。验证后操作员按键执行切割程序。3D切割Coderre解释后处理器从CAD提取3D数据格式化给激光微射流。

工厂4.0能力方面，激光功率计、定位传感器、自动喷嘴角度校正集成激光微射流系统。“极灵活，”Coderre说，“易融入部件生产作独立系统或全自动产线实现无人高产量生产。”技术已在LEAP发动机CMC部件验证。他续说：“对复合材料，通过更快生产速度、降低运营成本、更高可靠性和良率实现更低制造成本。面对新材料新市场竞争金属技术持续演进，此类效率正是复合材料所需。”