01
Inngangur
Kolefnistrefjastyrktar fjölliður (CFRP) samanstanda af plastefni sem virkar sem fylkisfasa efni og koltrefjar sem þjóna sem styrkingarfasa efni. Með því að sameina efniseiginleika bæði plastefnisins og styrkingarinnar úr koltrefjum, sýnir CFRP eiginleika eins og létt þyngd, tæringarþol, slitþol og mikla hörku. Þar af leiðandi er það mikið notað á sviðum þar sem miklar kröfur eru til léttvigtar-eins og flugvéla, bílaiðnaðar, sjóskipasmíði, vindorkuframleiðslu og byggingarverkfræði. Aðal framleiðsluaðferðir fyrir CFRP efni eru meðal annars Resin Transfer Moulding (RTM), autoclave mótun, lofttæmipokamótun og filament vinda; þessar aðferðir gera kleift að framleiða CFRP mannvirki með nærri-net-formvinnslu. Hins vegar, í hagnýtum iðnaðarforritum, er aukavinnsla á CFRP venjulega nauðsynleg til að ná æskilegri rúmfræði hluta-þar á meðal eiginleikum eins og götum, raufum og samsetningargrófum-og til að uppfylla víddarnákvæmni og mótunarvikmörk sem tilgreind eru í hlutahönnuninni. Vegna verulegs misræmis í hitauppstreymi og vélrænni eiginleikum milli styrkjandi koltrefja og fylkisplastefnisins innan CFRP, býður þessi aukavinnsla töluverðar áskoranir og er viðkvæmt fyrir ýmsum göllum, sem oft leiðir til skerðingar á vinnslugæðum. Þess vegna, til að fullnægja víddar- og frammistöðukröfum lokaþáttanna, er afar mikilvægt að rannsaka vinnslutækni fyrir CFRP efni og kanna hágæða,-hagkvæmar vinnsluaðferðir.
02
Efnisflutningar í Laservinnslu
Með tilkomu háþróaðra verkfræðilegra efna sem búa yfir flóknum eðliseiginleikum-eins og koltrefjastyrktum fjölliðum (CFRP)- hefur samkeppnishæfni hefðbundinnar vélrænnar vinnslu, vatnsdæluvinnslu og raflosunarvinnslu smám saman minnkað. Í leysirvinnslu felur efnisflutningur í grundvallaratriðum í sér frásog, svörun og flutning leysiorku innan efnisins. Í þessu ferli geislar leysirinn yfirborð efnisins og rafeindir gleypa ljóseindarorkuna. Í kjölfarið á sér stað orkuflutningur í gegnum rafeinda-grindarárekstra, sem leiðir til hækkunar á grindarhitastigi og lækkunar á rafeindahita þar til hitajafnvægi er komið á milli rafeindanna og grindarinnar. Hins vegar, vegna þess að sublimation hitastig koltrefja (~ 3600 K) er um það bil fimm sinnum hærra en kvoða fylkisins (~ 800 K), er orkuinntakið sem þarf til að fjarlægja koltrefjarnar verulega meira en það sem þarf fyrir plastefnið. Ennfremur, vegna anísótrópískrar hitaleiðni koltrefja, dreifist hitinn sem myndast við undirlimunarferlið koltrefja helst inn í plastefnisgrunninn, sem leiðir til niðurbrots plastefnis og myndunar skaðlegra efna. Vísindamenn hafa lagt til tveggja{11}}fjarlægingarkerfi fyrir CFRP: leysir-hita og hitameðrísk flögnun. Plasma sem myndast á upphafsstigi efnishreinsunar gleypir hita og framleiðir stefnubundnar hitastuðbylgjur. Koltrefjarnar sem verða fyrir snertingu við vinnsluna verða fyrir geislamynduðum skurðkraftum, sem leiðir til brothættra brota og efnislosunar.
Þegar leysirpúlstíminn fer niður fyrir 10 ps, verður púlstíminn styttri en rafeinda-slökunartími grindunnar, sem veldur því að efnisfjarlægingarbúnaðurinn víkur frá hefðbundinni hitauppstreymi. Vinnslubúnaðurinn er sýndur á mynd 2: plastefnisefnið sýnir lélega rafleiðni og takmarkaðan fjölda frjálsra rafeinda, með orkubandsbilið 2–4 eV; öfugt, koltrefjarnar hafa góða rafleiðni og inniheldur ákveðið magn af frjálsum rafeindum. Við leysigeislun gleypa frjálsar rafeindir innan koltrefjanna leysiorkuna beint, sem leiðir til hækkunar á hitastigi rafeindakerfisins. Þegar orka einnar ljóseindar er lægri en bandbil plastefnisins myndast frjálsar rafeindir með fjölljóseindajónunarkerfi (MPI), eins og sýnt er á mynd 2(b). Þegar orka einnar ljóseindar fer yfir bandbilið, ræður jónun stakrar-ljóseinda yfir rafeindaörvunarbúnaðinum. Frjálsu rafeindirnar sem myndast rekast á bundnar rafeindir og flytja orku með höggjónun; þetta kallar á snjóflóðajónun-eins og sýnt er á mynd 2(c)-sem eykur þéttleika frjálsra rafeinda verulega. Meðan á örstuttum-púlsleysisgeislunarfasa stendur breytist grindarhitastigið hægt vegna hitatregðu á meðan hitastig rafeindakerfisins hækkar hratt. Fasaskipti sem um ræðir innihalda bæði ekki-hita- og varmafasaskipti. Ef ljóseindaorkan leysir er nægilega mikil, gleypa rafeindirnar nægilega orku til að sigrast á Coulomb bindikrafti atómkjarna, sem leiðir til varmajónunar og skilur eftir sig mikinn fjölda jákvæðra jóna. Þessar jákvæðu jónir hrinda hver öðrum frá sér vegna Coulomb krafta, sem leiðir til "Coulomb sprengingu" og rafstöðueiginleikar-ferli sem kallast "kalt brottnám"-eins og sýnt er á mynd 2(d). Þar sem rafeinda-orkudreifing á sér stað stöðugt hækkar grindarhitastigið smám saman og hitaleiðni á sér stað milli koltrefja og plastefnis, eins og sýnt er á mynd 2(e). Þar af leiðandi, þegar hitastigið fer yfir ákveðinn þröskuld, verða varma fasaskipti-eins og uppgufun og fasasprenging-, sem myndar háan-hita, háan-þrýsting og há-þéttleika plasma sem kastast út af yfirborðinu og flytur með sér hita og vinnslu.
Gallar innan hita-áhrifasvæðisins (HAZ) vísa til svæða innan CFRP þar sem staðbundnar eiginleikabreytingar eiga sér stað vegna leysis-efnasamskipta, sem og eðlislægrar misleitni og anisotropy efnisins. Þessar breytingar ná yfir ó-jafnvæga uppgufun og hitauppstreymi úr kvoðaefninu, sem og útsetningu koltrefjanna. Gaussískur leysigeisli myndar ó-jafna orkudreifingu í rýminu og hitauppstreymisáhrif valda því að CFRP-efnið hitnar í nágrenni vinnslusvæðisins. Á þessu tiltekna svæði fer varmaorkan yfir þröskuldinn sem þarf til niðurbrots plastefnisfylkisins en helst undir þeim þröskuldi sem þarf til að fjarlægja koltrefjarnar. Þetta leiðir til rýrnunar á eiginleikum plastefnisins og staðbundinnar útsetningar koltrefja. Innan þessa svæðis hitar varmaleiðsla bæði plastefni og koltrefjar. Vegna verulegs misræms milli uppgufunarhita plastefnisins og koltrefjanna gufar plastefnið á þessu svæði upp á meðan koltrefjarnar ná ekki uppgufunarhitastigi, sem leiðir til útsetningar koltrefjanna.
