Hybride waterstraal-laser bewerking verhoogt efficiëntie voor CFRP & CMC-componenten

Naarmate koolstofvezel-versterkte polymeren (CFRP) en keramische matrix-composieten (CMC) materialen prolifereren in vliegtuigmotoren, ruimtecomponenten en hypersonische toepassingen, wordt bewerking een kwestie waar precisie en efficiëntie programma-uitkomsten kunnen veranderen. Het proberen om high-reliability en high-accuracy kenmerken in CFRPs en CMCs te bewerken kan uitdagend zijn door hun hardheid en slijtendheid, wat resulteert in trage bewerkingsnelheden, ongewenste effecten op materiaaleigenschappen, onvermogen om deel-specificaties te halen en hoge operationele kosten, inclusief terugkerende tool-vervanging.

Om deze uitdaging tegemoet te komen, is een reeks laser-technologieën ontwikkeld voor het bewerken van dergelijke geavanceerde composieten. Terwijl lasers het potentieel bieden voor verhoogde efficiëntie en eliminatie van terugkerende tool-kosten, dissipeert de gegenereerde warmte in het materiaal, wat potentieel creëert voor micro-kraken en materiaalverandering. Lasers snijden ook in het brandpunt van het lichtbundel, wat resulteert in V-vormige sneden die problematisch kunnen zijn voor nauwe toleranties.

Laser MicroJet-technologie ontwikkeld door Synova (Duillier, Zwitserland) creëert een laserbundel die volledig binnen een waterstraal bevat is. De laser wordt gereflecteerd aan de lucht-water-interface, vergelijkbaar in principe met een optische vezel, terwijl het water de snijzone koelt en afval uit de snijvlak afspoelt. Voordelen van de Laser MicroJet vergeleken met conventionele lasers omvatten rapporteerder geen branden of thermische degradatie, minder graten voor gladde oppervlakken, rechte zijkanten en hogere precisie.

De kracht van water en licht

Synova werd in 1997 opgericht door Dr. Bernold Richerzhagen, die Laser MicroJet-technologie patenteerde na zijn onderzoek aan het Federal Institute of Technology (EPFL, Lausanne, Zwitserland) in de jaren '90. De technologie werd breed geadopteerd voor halfgeleider-wafer-dicing in 2001. Synova vestigde toen lokale dochtermaatschappijen in de VS, Japan, India en Korea in 2003. Deze zijn uitgebreid naar nu ook micromachining-centra, met nabije uitbreiding gepland voor Taiwan en China. In 2009 vestigde Synova een coöperatief ontwikkelingspartnerschap met Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokio, Japan), wat een nieuwe machineserie introduceerde en deze vooruitbracht voor de bewerking van medische hulpmiddelen, horlogemechanismen, gas- en straalmotorturbinebladen, halfgeleiderapparaten en snijgereedschappen van superharde materialen.

In het Laser MicroJet-systeem passeert een laserbundel een geperoxideerde waterkamer en wordt gefocust in een mondstuk. De lasers zijn een algemene industriële type - solid state Nd:YAG - met een vermogen van 10-200 watt en een golflengte van 1.064 (infrarood), 532 of 355 nanometer. De haar-dunne straal - diameter van 50-70 micron - van gefilterd, gedemineraliseerd water wordt gebruikt bij een lage druk van 200-650 bar. Dit resulteert in laag waterverbruik, in de orde van 2-3 L/uur, en een verwaarloosbare kracht van minder dan 0,1 newton uitgeoefend op het materiaal.

Hoe is het mogelijk om efficiënte laserablatie binnen water te bereiken? "De laser wordt ongeveer 10.000 keer per seconde gepulst," legt Jacques Coderre, Synova business manager voor de VS, uit. "Voor elke laserpuls wordt een plasma gegenereerd dat het water omhoog duwt, wat ablatie mogelijk maakt. Aan het einde van de puls, valt de plasma in en het water schoont nu het oppervlak op en dissipeert de warmte." Hij merkt op dat de waterstraal ook de complexiteit en procesvariaties van het houden van de laser in focus elimineert die typisch vereist is met droge laser-systemen. "Dit maakt het snijden van dikke of niet-platte onderdelen mogelijk zonder je zorgen te maken over in focus zijn," zegt Coderre. "De technologie produceert ook een cylindrische laser die perfect parallelle wanden creëert met strakke kerf-breedtes."

Configureren voor composieten

De Laser MicroJet presteert goed niet alleen voor CMCs, maar ook voor CFRP en gestapelde laminaten. Tijdens testen produceerde het 3-millimeter-diameter gaten in een 2,6-millimeter-dikke koolstofvezel-versterkte plastic (CFRP) laminaat met snelheden tot 1.440 mm/min. "Met een conventionele laser moet je vertragen vanwege warmte," merkt Coderre op. "Conventionele frezen kunnen vergelijkbare snelheden halen maar hebben hogere operationele kosten door vereiste tool-vervanging."

De Laser MicroJet kan 1-inch-dikke CMC-laminaten snijden. "De snelheid is gebaseerd op een vrij constante ablatiesnelheid van 1 mm³/min," waarnemt Coderre.

Synova heeft een reeks machines, introduceerde zijn vijf-as CNC LCS 305-systeem vorig jaar. "Deze machine uitblinkt in hoge-nauwkeurigheid 3D-sneden en is goed geschikt voor kleine, CMC-onderdelen," legt Coderre uit. "Maar het is geen goede fit voor grote CFRP-onderdelen." Hiervoor heeft Synova de Laser MicroJet geïntegreerd in een gantry-machine, capabel van het bewerken van onderdelen groter dan 2 meter bij 3 meter. "Het is ook gemakkelijk te integreren met robots en gemakkelijk te programmeren," voegt hij toe. Voor 2D-sneden, converteert de MicroJet-software een CAD-bestand in machine-code. Eenmaal geverifieerd, drukt de operator gewoon op een knop en de machine voert de snijroutine uit. Voor 3D-sneden, legt Coderre uit dat een postprocessor de benodigde 3D-data uit het CAD-bestand extraheert en het formatteert voor de Laser MicroJet.

Voor Factory 4.0-capaciteit, zijn een laser-vermogen-meter, positioneringssensor en automatische jet-hoek-correctie geïntegreerd in het Laser MicroJet-systeem. "Het is heel flexibel," zegt Coderre, "gemakkelijk te incorporeren in deelproductie als standalone-systeem of als deel van volledig geautomatiseerde lijnen voor operator-vrije, hoog-volume-productie. De technologie is al bewezen in CMC-onderdelen voor de LEAP-vliegtuigmotoren," gaat hij door. "Voor composieten biedt het lagere productiekosten, bereikt door snellere productiesnelheden, verminderde operationele kosten, hogere betrouwbaarheid en hogere opbrengsten. Zulke efficiëntie is inderdaad wat composieten nodig hebben naarmate nieuwe materialen, markten en competitieve metalen-technologieën blijven evolueren."