01
การแนะนำ
โพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) ประกอบด้วยเรซินที่ทำหน้าที่เป็นวัสดุเฟสเมทริกซ์และเส้นใยคาร์บอนทำหน้าที่เป็นวัสดุเฟสเสริมแรง ด้วยการรวมคุณสมบัติของวัสดุทั้งเมทริกซ์ของเรซินและการเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์เข้าด้วยกัน CFRP จึงแสดงคุณลักษณะต่างๆ เช่น น้ำหนักเบา ความต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานการสึกหรอ และความแข็งสูง ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ ที่มีความต้องการอย่างมากสำหรับการลดน้ำหนักของโครงสร้าง-เช่น การบินและอวกาศ อุตสาหกรรมยานยนต์ การต่อเรือ การผลิตพลังงานลม และวิศวกรรมโยธา วิธีการผลิตหลักสำหรับวัสดุ CFRP ได้แก่ การขึ้นรูปแบบเรซิน (RTM) การขึ้นรูปแบบนึ่งฆ่าเชื้อ การขึ้นรูปแบบถุงสูญญากาศ และการพันเส้นใย วิธีการเหล่านี้ทำให้สามารถผลิตโครงสร้าง CFRP ผ่านการประมวลผลรูปร่างที่ใกล้-สุทธิ- อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริงทางอุตสาหกรรม โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการประมวลผลขั้นที่สองของ CFRP เพื่อให้ได้รูปทรงของชิ้นส่วนที่ต้องการ-รวมถึงคุณลักษณะต่างๆ เช่น รู ช่อง และร่องการประกอบ- และเพื่อให้เป็นไปตามความแม่นยำของมิติและพิกัดความเผื่อของรูปทรงที่ระบุไว้ในการออกแบบชิ้นส่วน เนื่องจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในคุณสมบัติทางความร้อนและทางกลระหว่างเส้นใยคาร์บอนเสริมแรงและเมทริกซ์เรซินภายใน CFRP การประมวลผลขั้นที่สองนี้นำเสนอความท้าทายอย่างมากและมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องต่างๆ ซึ่งมักส่งผลให้คุณภาพการประมวลผลลดลง ดังนั้น เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านมิติและประสิทธิภาพของส่วนประกอบสุดท้าย จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการตรวจสอบเทคโนโลยีการประมวลผลสำหรับวัสดุ CFRP และสำรวจวิธีการประมวลผล-คุณภาพสูงและ{12}}ประสิทธิภาพสูง
02
กลไกการกำจัดวัสดุในกระบวนการแปรรูปด้วยเลเซอร์
ด้วยการเกิดขึ้นของวัสดุวิศวกรรมขั้นสูงที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่ซับซ้อน-เช่น โพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP)- ความสามารถในการแข่งขันของการตัดเฉือนแบบดั้งเดิม การตัดเฉือนวอเตอร์เจ็ท และการตัดเฉือนด้วยไฟฟ้าจึงค่อยๆ ลดน้อยลง ในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ การกำจัดวัสดุโดยพื้นฐานเกี่ยวข้องกับการดูดซับ การตอบสนอง และการถ่ายโอนพลังงานเลเซอร์ภายในวัสดุ ในระหว่างกระบวนการนี้ เลเซอร์จะฉายรังสีที่พื้นผิวของวัสดุ และอิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงานโฟตอน ต่อมา การถ่ายโอนพลังงานเกิดขึ้นผ่านการชนกันของอิเล็กตรอน-ของโครงตาข่าย ส่งผลให้อุณหภูมิของโครงตาข่ายเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิของอิเล็กตรอนลดลงจนกระทั่งสมดุลทางความร้อนเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนกับโครงตาข่าย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอุณหภูมิการระเหิดของเส้นใยคาร์บอน (~3600 K) อยู่ที่ประมาณห้าเท่าของอุณหภูมิเมทริกซ์ของเรซิน (~800 K) พลังงานที่ป้อนเข้าไปที่จำเป็นในการขจัดเส้นใยคาร์บอนจึงมากกว่าที่จำเป็นสำหรับเรซินอย่างมาก นอกจากนี้ เนื่องจากการนำความร้อนแบบแอนไอโซโทรปิกของเส้นใยคาร์บอน ความร้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการระเหิดของคาร์บอนไฟเบอร์จึงแพร่กระจายไปยังเมทริกซ์เรซินได้ดีกว่า ซึ่งนำไปสู่การสลายตัวของเรซินและการก่อตัวของสารที่เป็นอันตราย นักวิจัยได้เสนอกลไกการกำจัด CFRP สองขั้นตอน: ไพโรไลซิสที่เกิดจากเลเซอร์และการขัดผิวด้วยความร้อนเชิงกล พลาสมาที่สร้างขึ้นในระหว่างขั้นตอนแรกของการระเหยวัสดุจะดูดซับความร้อนและสร้างคลื่นกระแทกความร้อนแบบทิศทาง เส้นใยคาร์บอนที่ถูกเปิดเผยระหว่างการประมวลผลจะต้องได้รับแรงเฉือนในแนวรัศมี ส่งผลให้เกิดการแตกหักแบบเปราะและการหลุดออกจากวัสดุ
เมื่อระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์ลดลงต่ำกว่า 10 ps ระยะเวลาของพัลส์จะสั้นกว่าเวลาผ่อนคลายของตาข่าย-ของอิเล็กตรอน ส่งผลให้กลไกการกำจัดวัสดุแตกต่างจากการระเหยด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม กลไกการประมวลผลแสดงไว้ในรูปที่ 2: วัสดุเรซินมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ และมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนจำกัด โดยมีแถบพลังงานอยู่ที่ 2–4 eV; ในทางกลับกัน คาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดีและมีอิเล็กตรอนอิสระอยู่จำนวนหนึ่ง ในระหว่างการฉายรังสีด้วยเลเซอร์ อิเล็กตรอนอิสระภายในคาร์บอนไฟเบอร์จะดูดซับพลังงานเลเซอร์โดยตรง ส่งผลให้อุณหภูมิของระบบอิเล็กตรอนสูงขึ้น เมื่อพลังงานของโฟตอนเดี่ยวต่ำกว่าแถบความถี่ของเรซิน อิเล็กตรอนอิสระจะถูกสร้างขึ้นผ่านกลไกมัลติโฟตอนไอออไนเซชัน (MPI) ดังแสดงในรูปที่ 2(b) เมื่อพลังงานของโฟตอนตัวเดียวเกินกว่าแบนด์แกป โฟตอนไอออไนซ์{10}}ตัวเดียวจะครอบงำกลไกการกระตุ้นอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนอิสระที่สร้างขึ้นจะชนกับอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ และถ่ายโอนพลังงานผ่านการกระแทกไอออไนซ์ สิ่งนี้จะกระตุ้นให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของหิมะถล่ม-ดังที่บรรยายไว้ในรูปที่ 2(c)-ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระอย่างมีนัยสำคัญ ในระหว่างระยะการฉายรังสีด้วยเลเซอร์พัลส์ที่สั้นเกิน- อุณหภูมิของโครงตาข่ายจะเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ เนื่องจากความเฉื่อยทางความร้อน ในขณะที่อุณหภูมิของระบบอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนเฟสที่เกี่ยวข้องนั้นรวมถึงการเปลี่ยนเฟสที่ไม่ใช่-ความร้อนและความร้อน หากพลังงานโฟตอนเลเซอร์สูงเพียงพอ อิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงานมากพอที่จะเอาชนะแรงจับคูลอมบ์ของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งนำไปสู่การแตกตัวด้วยความร้อนและทิ้งไอออนบวกจำนวนมากไว้เบื้องหลัง ไอออนบวกเหล่านี้จะผลักกันเนื่องจากแรงคูลอมบ์ ส่งผลให้เกิด "การระเบิดคูลอมบ์" และการระเหยด้วยไฟฟ้าสถิต-เป็นกระบวนการที่เรียกว่า "การระเหยด้วยความเย็น"-ดังแสดงในรูปที่ 2(d) เนื่องจากการกระเจิงของพลังงานโครงตาข่ายของอิเล็กตรอน-เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง อุณหภูมิของโครงตาข่ายจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น และการนำความร้อนเกิดขึ้นระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และเรซิน ดังแสดงในรูปที่ 2(e) ด้วยเหตุนี้ เมื่ออุณหภูมิสูงเกินเกณฑ์ที่กำหนด การเปลี่ยนเฟสความร้อน-เช่น การกลายเป็นไอและการระเบิดของเฟส-จะเกิดขึ้น ทำให้เกิด-อุณหภูมิสูง-ความดันสูง และ-พลาสมาความหนาแน่นสูงที่ถูกดีดออกจากพื้นผิว เพื่อพาความร้อนออกไปและแปรรูปเศษซาก
ข้อบกพร่องภายใน-โซนที่ได้รับผลกระทบ (HAZ) หมายถึงบริเวณภายใน CFRP ที่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเฉพาะที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์-ของวัสดุ เช่นเดียวกับความหลากหลายโดยธรรมชาติและแอนไอโซโทรปีของวัสดุ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ครอบคลุมถึง-การระเหยที่ไม่สม่ำเสมอและการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนของเมทริกซ์เรซิน รวมถึงการสัมผัสกับคาร์บอนไฟเบอร์ ลำแสงเลเซอร์แบบเกาส์สร้างการกระจายพลังงานเชิงพื้นที่ไม่-สม่ำเสมอ และผลกระทบจากการแพร่กระจายความร้อนทำให้วัสดุ CFRP ร้อนขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับโซนการประมวลผล ในภูมิภาคเฉพาะนี้ พลังงานความร้อนเกินเกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการสลายตัวของเมทริกซ์เรซิน แต่ยังต่ำกว่าเกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการกำจัดเส้นใยคาร์บอน สิ่งนี้นำไปสู่การเสื่อมคุณสมบัติของเรซินและการสัมผัสกับคาร์บอนไฟเบอร์ในบางจุด ภายในโซนนี้ การนำความร้อนจะทำความร้อนทั้งเรซินและคาร์บอนไฟเบอร์ เนื่องจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างอุณหภูมิการระเหยของเรซินและเส้นใยคาร์บอน เรซินในภูมิภาคนี้จะระเหยในขณะที่เส้นใยคาร์บอนไม่ถึงอุณหภูมิการระเหย ส่งผลให้เกิดการสัมผัสของเส้นใยคาร์บอน
