Fusing waterjet, laser voor efficiëntie in CFRP/CMC-bewerkingen

Naarmate materialen van koolstofvezelversterkt polymeer (CFRP) en keramische matrixcomposiet (CMC) zich verspreiden in vliegtuigmotoren, ruimtecomponenten en hypersonische toepassingen, wordt machinale bewerking een probleem waarbij precisie en efficiëntie de resultaten van het programma kunnen veranderen. Het kan een uitdaging zijn om zeer betrouwbare en zeer nauwkeurige eigenschappen in CFRP's en CMC's te verwerken vanwege hun hardheid en abrasiviteit, wat resulteert in lage bewerkingssnelheden, ongewenste effecten op materiaaleigenschappen, onvermogen om aan de specificaties van onderdelen te voldoen en hoge operationele kosten, inclusief terugkerend gereedschap vervanging.

Om deze uitdaging aan te gaan, is een reeks lasertechnologieën ontwikkeld voor het bewerken van dergelijke geavanceerde composieten. Hoewel lasers het potentieel bieden voor verhoogde efficiëntie en eliminatie van terugkerende gereedschapskosten, verdwijnt de gegenereerde warmte in het materiaal, waardoor er potentieel ontstaat voor microscheurtjes en materiaalverandering. Lasers snijden ook in het brandpunt van de lichtstraal, wat resulteert in V-vormige sneden die problematisch kunnen zijn voor precieze toleranties.

Laser MicroJet-technologie ontwikkeld door Synova (Duillier, Zwitserland) creëert een laserstraal die zich volledig in een waterstraal bevindt. De laser wordt gereflecteerd op het lucht-watergrensvlak, in principe vergelijkbaar met een optische vezel, terwijl het water de snijzone afkoelt en vuil van de zaagsnede wast. Voordelen van de Laser MicroJet in vergelijking met conventionele lasers zijn naar verluidt geen verbranding of thermische degradatie, minder bramen voor gladdere oppervlakken, rechte sneden en hogere precisie.

CW ontmoette de Laser MicroJet voor het eerst tijdens zijn 2017-tour door GE Aviation's Asheville, N.C., Amerikaanse productiefabriek voor CMC-motorcomponenten. Hier wordt het gebruikt om gaten in CMC-omhulsels voor LEAP-vliegtuigmotoren te bewerken. "Deze technologie helpt om een ​​hoge mate van nauwkeurigheid in de gatdiameter te behouden", zegt Ryan Huth, manager van GE Aviation voor CMC-productie. "De MicroJet kan deze gaten in twee minuten boren in plaats van een uur met conventionele bewerking", zegt Huth. CW ’s zustermagazine, Modern Machine Shop , heeft ook een informatief artikel over de Laser MicroJet gepubliceerd.

De kracht van water en licht

Synova werd in 1997 opgericht door Dr. Bernold Richerzhagen, die de Laser MicroJet-technologie patenteerde na zijn onderzoek aan het Federal Institute of Technology (EPFL, Lausanne, Zwitserland) in de jaren negentig. De technologie werd in 2001 breed toegepast voor het snijden van halfgeleiderwafels. Vervolgens richtte Synova in 2003 lokale dochterondernemingen op in de V.S., Japan, India en Korea. Deze zijn nu uitgebreid met microbewerkingscentra, en op korte termijn is uitbreiding gepland voor Taiwan en China. In 2009 is Synova een samenwerkingspartnerschap voor ontwikkeling aangegaan met Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokyo, Japan), waarbij een nieuwe serie machines wordt geïntroduceerd en verbeterd voor de bewerking van medische apparaten, horlogemechanismen, turbinebladen voor gas- en straalmotoren, halfgeleiderapparaten en snijgereedschappen van superharde materialen.

In het Laser MicroJet-systeem gaat een laserstraal door een waterkamer onder druk en wordt gefocusseerd in een mondstuk. De lasers zijn van een gangbaar industrieel type — solid state Nd:YAG — met een vermogen van 10-200 watt en een golflengte van 1.064 (infrarood), 532 of 355 nanometer. De haardunne straal - diameter van 50-70 micron - van gefilterd, gedeïoniseerd water wordt gebruikt bij een lage druk van 200-650 bar. Dit resulteert in een laag waterverbruik, in de orde van 2-3 l/uur, en een verwaarloosbare kracht van minder dan 0,1 newton die op het materiaal wordt uitgeoefend.

Hoe is het mogelijk om efficiënte laserablatie in water te bereiken? "De laser wordt ongeveer 10.000 keer per seconde gepulseerd", legt Jacques Coderre, businessmanager van Synova voor de VS uit. "Voor elke laserpuls wordt een plasma gegenereerd dat het water omhoog duwt, waardoor ablatie kan plaatsvinden. Aan het einde van de puls stort het plasma in en het water reinigt nu het oppervlak en voert de warmte af.” Hij merkt op dat de waterstraal ook de complexiteit en procesvariaties elimineert die nodig zijn voor het scherp houden van de laser die normaal gesproken nodig is bij droge lasersystemen. "Hierdoor kunnen dikke of niet-platte onderdelen worden gesneden zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over de focus", zegt Coderre. "De technologie produceert ook een cilindrische laser die perfect evenwijdige wanden creëert met nauwe kerfbreedtes."

Configureren voor composieten

De Laser MicroJet presteert niet alleen goed voor CMC's, maar ook voor CFRP en gestapelde laminaten. Tijdens het testen produceerde het gaten met een diameter van 3 millimeter in een 2,6 millimeter dik laminaat van koolstofvezelversterkt plastic (CFRP) met snelheden tot 1.440 mm/min. “Bij een conventionele laser moet je vertragen vanwege de hitte”, merkt Coderre op. "Conventionele frezen kunnen vergelijkbare snelheden bereiken, maar hebben hogere bedrijfskosten vanwege de vereiste gereedschapsvervanging."

De Laser MicroJet kan 1-inch dikke CMC-laminaten snijden. “De snelheid is gebaseerd op een vrij constante ablatiesnelheid van 1 mm ³ /min,” merkt Coderre op.

Synova heeft een reeks machines en introduceerde vorig jaar zijn vijfassige CNC LCS 305-systeem. "Deze machine blinkt uit in zeer nauwkeurige 3D-sneden en is zeer geschikt voor kleine CMC-onderdelen", legt Coderre uit. "Maar het is niet geschikt voor grote CFRP-onderdelen." Hiervoor heeft Synova zijn Laser MicroJet geïntegreerd in een portaalmachine, die in staat is onderdelen te bewerken die groter zijn dan 2 meter bij 3 meter. "Het is ook eenvoudig te integreren met robots en eenvoudig te programmeren", voegt hij eraan toe. Voor 2D-sneden zet de MicroJet-software een CAD-bestand om in machinecode. Eenmaal geverifieerd, drukt de operator gewoon op een knop en de machine voert de snijroutine uit. Voor 3D-cuts legt Coderre uit dat een postprocessor de benodigde 3D-gegevens uit het CAD-bestand haalt en opmaakt voor de Laser MicroJet.

Voor Factory 4.0-capaciteit zijn een laservermogensmeter, positioneringssensor en automatische straalhoekcorrectie geïntegreerd in het Laser MicroJet-systeem. "Het is zeer flexibel", zegt Coderre, "gemakkelijk te integreren in de productie van onderdelen als een stand-alone systeem of als onderdeel van volledig geautomatiseerde lijnen voor een operatorloze productie van grote volumes." De technologie heeft zich al bewezen in CMC-onderdelen voor de LEAP-vliegtuigmotoren, vervolgt hij. "Voor composieten biedt het lagere productiekosten, bereikt door hogere productiesnelheden, lagere operationele kosten, hogere betrouwbaarheid en hogere opbrengsten." Een dergelijke efficiëntie is inderdaad wat composieten nodig hebben naarmate nieuwe materialen, markten en concurrerende metaaltechnologieën zich blijven ontwikkelen.