雷射切割碳纖維複合材料之技術探討

工研院雷射中心郭靜男工程師、李采錞副工程師

複合材料具有高比模數(Specific modulus) 、高比強度(Specific strength)、高設計自由度、耐腐蝕、耐疲勞性佳等特性,也因為許多優點集於一身,使其有效取代傳統的金屬材料。碳纖維在複合材料中是一個重要的補強材料,因為碳纖維的高強度、高剛性、耐熱性且材料本身較輕之性質,可改善材料的性能,適合應用於汽車工業、航太工業、建築、自行車、運動器材、風力發電機之葉片等結構件上,使碳纖維發展成為高性能材料界的新星。

如圖 1 所示,根據 IEK 近年來於全球碳纖維 與複合材料技術發展趨勢指出,2017 年全球碳纖維複合材料(Carbon fiber reinforced plastics, CFRP) 需求量126.7 千噸,主要應用於航太國防占30%,車輛占22%,風電占13%;其中2018 的年產能為149.3 千噸,與2017 年相比,總產能增加了12.8 千噸,增長約9.4%;營業額為193.1 億美元,預估未來車用CFRP 的需求及用量皆成長,因此,開發更低加工成本、更高加工效率的複合材料切割製程相當重要[1]。

隨著複合材料技術發展,各產業對其需求相對增加,如航太產業複合材料使用總量由1% 提升至50%,汽機車產業亦逐漸將許多組件改為複合材料製品,如車架、座椅結構、隔音板、保桿等。


圖1 近年來CFRP於各產業領域用量分佈與未來預測趨勢[1]
圖1 近年來CFRP於各產業領域用量分佈與未來預測趨勢[1]


然而,航太複合材料零件組裝,大多使用扣件型式,需要大量鑽削加工,而複合材料鑽削時,若鑽削力過大易造成層與層的脫離,稱為脫層現象,如圖 2所示,使機械性質下降,對安全造成疑慮,同時傳統工法乾式銑削,容易造成大量粉塵,且有刀具磨耗高等問題[2]。

針對碳纖維複合材料(CFRP) 的高硬度特性, 目前切削/ 鑽孔等加工仰賴粗加工刀具先進行粗切/鑽製程,再透過精密刀具細加工修整邊緣與外型,使CFRP 材料得以符合需求之尺寸與機械特徵;然而,機械刀具粗加工易有高粉塵汙染、刀具成本損耗高、切削效果不彰等問題。雷射具有高加工速度、高效率、低粉塵、無刀具磨耗等特性,能有效取代機械刀具成為高效率粗加工工法,雷射切割過程中將嚴謹控制熱影響區(Heat affected zone, HAZ) 範圍,除了降低刀具成本外,能有效提高加工效率。


複合材料切割場域環境建置

雷射加工CFRP 的過程中會釋放出刺鼻及毒害氣體,有毒氣體種類如HCN、NOx 與CO 及可呼吸性粉塵 (<10 μm) ,根據醫學研究指出,小於10 微米的懸浮微粒,可直接通過人體支氣管與肺部器官,造成人體健康影響。由碳纖維原物料所交織組成的CFRP 複合材料,經特定的銑削條件與參數設定,如鑽刀具研磨加工或雷射加工,有極高的機率產生小於10 μm 的纖維物質,倘若無即時的環境監測系統,與有效的防護措施,容易造成操作員的工安問題與週邊設備損耗。為符合現行法規要求並確保操作人員安全及兼顧操作環境保護要求,工研院雷射中心針對有害性氣體衍生狀況,訂定具體改善計畫,避免不當使用情形。


圖2 複合材料鑽孔過程中,脫層之破壞機構:(a)戳入脫層、(b)退出或壓出脫層[2]
圖2 複合材料鑽孔過程中,脫層之破壞機構:(a)戳入脫層、(b)退出或壓出脫層[2]


文章轉載自工業技術研究院機械工業雜誌