01
giriiş
Karbon Elyaf Takviyeli Polimerler (CFRP), matris fazı malzemesi olarak görev yapan bir reçine ve takviye fazı malzemesi olarak görev yapan karbon fiberlerden oluşur. Hem reçine matrisinin hem de karbon fiber takviyesinin malzeme özelliklerini birleştiren CFRP, hafiflik, korozyon direnci, aşınma direnci ve yüksek sertlik gibi özellikler sergiler. Sonuç olarak, havacılık, otomotiv endüstrisi, askeri gemi yapımı, rüzgar enerjisi üretimi ve inşaat mühendisliği gibi yapısal hafifleştirmeye yönelik güçlü taleplerin- olduğu alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. CFRP malzemeleri için birincil üretim yöntemleri arasında Reçine Transfer Kalıplama (RTM), otoklav kalıplama, vakumlu torba kalıplama ve filaman sarma yer alır; bu yöntemler, CFRP yapılarının yakın-net-şekle yakın işleme yoluyla üretilmesini sağlar. Bununla birlikte, pratik endüstriyel uygulamalarda, -delikler, yuvalar ve montaj olukları gibi özellikler dahil olmak üzere istenen parça geometrisini elde etmek- ve parça tasarımında belirtilen boyutsal doğruluk ve form toleranslarını karşılamak için genellikle CFRP'nin ikincil işlenmesi gerekir. Güçlendirici karbon fiberler ile CFRP içindeki matris reçinesi arasındaki termal ve mekanik özelliklerdeki önemli eşitsizlikler nedeniyle, bu ikincil işlem önemli zorluklar sunar ve çeşitli kusurlara eğilimlidir ve çoğu zaman işleme kalitesinden ödün verilmesine neden olur. Bu nedenle, nihai bileşenlerin boyut ve performans gereksinimlerini karşılamak için CFRP malzemelerine yönelik işleme teknolojilerini araştırmak ve yüksek-kaliteli, yüksek-verimli işleme yöntemlerini keşfetmek büyük önem taşıyor.
02
Lazer İşlemede Malzeme Giderme Mekanizmaları
Karbon Fiberle Güçlendirilmiş Polimerler (CFRP) gibi karmaşık fiziksel özelliklere sahip ileri düzey mühendislik malzemelerinin ortaya çıkmasıyla birlikte-geleneksel mekanik işleme, su jeti ile işleme ve elektrik deşarjlı işlemenin rekabet gücü giderek azaldı. Lazer işlemede malzeme kaldırma temel olarak lazer enerjisinin malzeme içinde emilmesini, tepkisini ve transferini içerir. Bu işlem sırasında lazer malzeme yüzeyini ışınlar ve elektronlar foton enerjisini emer. Daha sonra enerji aktarımı, elektron-kafes çarpışmaları yoluyla meydana gelir ve bu, elektronlar ile kafes arasında termal denge oluşana kadar kafes sıcaklığında bir artışa ve elektron sıcaklığında bir düşüşe neden olur. Bununla birlikte, karbon fiberlerin süblimleşme sıcaklığı (~3600 K), reçine matrisinin (~800 K) yaklaşık beş katı olduğundan, karbon fiberleri çıkarmak için gereken enerji girişi, reçine için gerekenden önemli ölçüde daha fazladır. Ayrıca, karbon fiberlerin anizotropik termal iletkenliği nedeniyle, karbon fiber süblimleştirme işlemi sırasında üretilen ısı tercihen reçine matrisine yayılarak reçinenin ayrışmasına ve zararlı maddelerin oluşumuna yol açar. Araştırmacılar CFRP için iki aşamalı bir çıkarma mekanizması önerdiler: lazerin- tetiklediği piroliz ve termomekanik pul pul dökülme. Malzeme ablasyonunun ilk aşamasında üretilen plazma, ısıyı emer ve yönlü termal şok dalgaları üretir. İşleme sırasında açığa çıkan karbon fiberler radyal kesme kuvvetlerine maruz kalır, bu da gevrek kırılmaya ve malzemenin ayrılmasına neden olur.
Lazer darbe süresi 10 ps'nin altına düştüğünde, darbe süresi elektron-kafes gevşeme süresinden kısalır ve bu da malzeme çıkarma mekanizmasının geleneksel termal ablasyondan farklılaşmasına neden olur. İşleme mekanizması Şekil 2'de gösterilmektedir: reçine malzemesi zayıf elektrik iletkenliği ve 2-4 eV enerji bant aralığıyla sınırlı sayıda serbest elektron sergiler; tersine, karbon fiber iyi bir elektrik iletkenliğine sahiptir ve belirli miktarda serbest elektron içerir. Lazer ışınlaması sırasında, karbon fiber içindeki serbest elektronlar lazer enerjisini doğrudan emer ve bu da elektron sisteminin sıcaklığının artmasına neden olur. Tek bir fotonun enerjisi reçinenin bant aralığından düşük olduğunda, Şekil 2(b)'de gösterildiği gibi çoklu foton iyonizasyon (MPI) mekanizması yoluyla serbest elektronlar üretilir. Tek bir fotonun enerjisi bant aralığını aştığında, tek{10}}foton iyonizasyonu elektron uyarma mekanizmasına hakim olur. Üretilen serbest elektronlar bağlı elektronlarla çarpışarak darbe iyonizasyonu yoluyla enerji aktarır; bu,-Şekil 2(c)'de gösterildiği gibi-çığ iyonlaşmasını tetikler ve serbest elektronların yoğunluğunu önemli ölçüde artırır. Ultra kısa-darbeli lazer ışınlama aşaması sırasında, kafes sıcaklığı termal atalet nedeniyle yavaşça değişirken, elektron sisteminin sıcaklığı hızla yükselir. İlgili faz geçişleri hem termal olmayan hem de termal faz geçişlerini- içerir. Lazer foton enerjisi yeterince yüksekse, elektronlar atom çekirdeğinin Coulomb bağlanma kuvvetlerinin üstesinden gelmeye yetecek kadar enerjiyi emer, bu da termal iyonlaşmaya yol açar ve arkalarında çok sayıda pozitif iyon bırakır. Bu pozitif iyonlar Coulomb kuvvetleri nedeniyle birbirini iter ve Şekil 2(d)'de gösterildiği gibi bir "Coulomb patlaması" ve elektrostatik ablasyon-"soğuk ablasyon" olarak bilinen bir süreç- ile sonuçlanır. Elektron-kafes enerji saçılımı sürekli olarak meydana geldiğinden, kafes sıcaklığı kademeli olarak yükselir ve Şekil 2(e)'de gösterildiği gibi karbon fiber ile reçine arasında ısı iletimi gerçekleşir. Sonuç olarak, sıcaklık belirli bir eşiği aştığında, yüksek-sıcaklık, yüksek-basınç ve yüksek-yoğunlukta bir plazma oluşturarak-buharlaşma ve faz patlaması gibi-termal faz geçişleri meydana gelir ve yüzeyden dışarı atılır, ısıyı ve işlem kalıntılarını uzaklaştırır.
Isıdan-etkilenen bölge (HAZ) içindeki kusurlar, CFRP içindeki lazer-malzeme etkileşimlerinin yanı sıra malzemenin doğal heterojenliği ve anizotropisinin bir sonucu olarak lokalize özellik değişikliklerinin meydana geldiği bölgeleri ifade eder. Bu değişiklikler, matris reçinesinin tekdüze olmayan buharlaşmasını ve termal bozunmasını, ayrıca karbon fiberlerin açığa çıkmasını da kapsar. Bir Gauss lazer ışını, tekdüze olmayan bir-uzaysal enerji dağılımı üretir ve termal difüzyon etkileri, CFRP malzemesinin işleme bölgesinin yakınında ısınmasına neden olur. Bu spesifik bölgede termal enerji, reçine matrisinin ayrışması için gereken eşiği aşar ancak karbon fiberlerin çıkarılması için gereken eşiğin altında kalır. Bu, reçinenin özelliklerinin bozulmasına ve karbon fiberlerin lokal olarak açığa çıkmasına yol açar. Bu bölgede ısı iletimi hem reçineyi hem de karbon fiberleri ısıtır. Reçine ile karbon fiberlerin buharlaşma sıcaklıkları arasındaki önemli farklılık nedeniyle, karbon fiberler buharlaşma sıcaklığına ulaşamazken bu bölgedeki reçine buharlaşır, bu da karbon fiberlerin açığa çıkmasına neden olur.
