СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Широкое внедрение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в таких ключевых отраслях современной промышленности, как ветрои- и гидроэнергетика, авиа- и машиностроение и др., благодаря высокому уровню их упругопрочностных свойств, многофункциональности, экологичности и возможности обеспечения минимальной массы изделий, ставит проблему эффективной обработки этих материалов. Традиционные методы обработки (механическая и гидроабразивная) обладают рядом существенных недостатков: сильный износ режущего инструмента; расслоение материала из-за вибрационных и ударных нагрузок; ограничения на контур раскроя и т.д. В статье рассматривалась лазерная обработка ПКМ, которая в настоящее время считается наиболее перспективным бесконтактным, гибким в управлении, производительным и не требующим расходных материалов способом обработки. В ходе анализа теоретических и экспериментальных отечественных и зарубежных работ установлено, что перспективным направлением для качественной и производительной обработки ПКМ является применение промышленных волоконных иттербиевых лазеров. Результаты исследований с помощью экспериментальных технологических установок на базе наносекундных импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров с мощностью излучения до 1 кВт и оптических двухосевых гальваносканеров с фокусирующей F-Theta линзой со скоростью перемещения луча до 20 м/с показали, что метод лазерной многопроходной обработки ПКМ с послойным удалением (абляцией) материала за счет механизма испарения позволяет осуществлять высококачественную прецизионную резку и сверление стекло- и углепластиков толщиной 1–3 мм.

1. Михайлин, Ю.А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике [Текст] / Ю.А. Михайлин. − СПб.: Научные основы и технологии, 2015. – 720 с.

2. Перепелкин, К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты [Текст] / К.Е. Перепелкин. − СПб.: Научные основы и технологии, 2015. – 380 стр.

3. Находкин, П.А. «Черные крылья» готовятся к полетам [Текст] / П.А. Находкин // Авиаиндустрия. – 2011. – № 2. − С. 42–47.

4. Савин, С.П. Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолетов семейства МС-21 [Текст] / С.П. Савин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – Т. 14. – № 4. − С. 686–693.

5. Irving, P.E. Polymer Composites in the Aerospace Industry [Text] / P.E Irving, C. Soutis. – Cambridge: Woodhead Publishing, 2015. − 520 p.

6. Михайлин, Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы [Текст] / Ю.А. Михайлин. − СПб.: Научные основы и технологии, 2010. – 822 с.

7. Средне-Невский судостроительный завод [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://snsz.ru – СНСЗ. – (Дата обращения 13.03.2018)

8. Композитное кораблестроение [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://compositeshipbuilding.ru – Композитное кораблестроение. – (Дата обращения 13.03.2018)

9. АПАТЕК-Прикладные и перспективные технологии [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.apatech.ru – АПАТЕК. − (Дата обращения 13.03.2018)

10. АВАНГАРД. Проектирование и производство изделий из стеклопластика, полимерных и композиционных материалов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.авангард-пластик.рф – АВАНГАРД. – (Дата обращения 13.03.2018)

11. ОНПП Технология им. А.Г. Ромашина [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://technologiya.ru – Государственный научный центр РФ. − (Дата обращения 13.03.2018)

12. Раскутин, А.Е. Технологические особенности механообработки композиционных материалов при изготовлении деталей конструкций [Текст] / А.Е. Раскутин, А.В. Хрульков, Р.И. Гирш // Труды ВИАМ. − 2016. – № 9. − С. 106–118.

13. Jamal Y., Sheikh-Ahmad Machining of Polymer Composites [Text] / Sheikh-Ahmad Jamal Y. – Berlin: Springer, 2009. – 315 p.

14. Панов, Д.В. Композиты и станки для их обработки [Текст] / Д.В. Панов, А.Н. Коротков, Б.П. Саушкин // РИТМ.− 2014. – № 7.− С. 32–36.

15. Комаров, Г.В. Соединение деталей из полимерных материалов [Текст] / Г.В. Комаров. − СПб.: Профессия, 2006. – 592 с.

16. Григорьянц, А.Г. Особенности лазерной резки углепластиков [Текст] / А.Г. Григорьянц [и др.] // Сварочное производство. − 1991. – № 5. − С. 4–6.

17. Григорьянц, А.Г. Лазерная обработка неметаллических материалов [Текст] / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов. – М.: Высшая школа, 1988. – 191 с.

18. Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки [Текст] / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с.

19. Emmelmann, С. Analysis of laser ablation of CFRP by ultra-short laser pulses with short wavelength / С. Emmelman [et al.] // Physics Procedia. – 2011. − Vol. 12. – Part A. − P. 565–571.

20. Stock, J. Remote laser cutting of CFRP: Improvements in the cut surface [Text] / J. Stock, M. Zaeh, M. Conrad // Physics Procedia. – 2012. − Vol. 39. − P. 161–170.

21. Гуреев, Д.М. Лазерный раскрой углеродных композиционных материалов [Текст] / Д.М. Гуреев, С.И. Кузнецов, А.Л. Петров // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 1999. − № 2. − С. 255–264.

22. Herzog, D. Investigations on the thermal effect caused by laser cutting with respect to static strength of CFRP [Text] / D. Herzog [et. al] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2008. − Vol. 48. − P. 1464–1473.

23. Wolynski, A. Laser ablation of CFRP using picosecond laser pulses at different wavelengths from UV to IR [Text] / A. Wolynski [et al.] // Physics Procedia. – 2011. − Vol. 12. − P. 292–301.

24. Takahashi, K. Heat conduction analysis of laser CFRP processing with IR and UV laser light [Text] / K. Takahashi [et. al] // Composites: Part A applied science and manufacturing. – 2016. − Vol. 84. − P. 114–122.

25. Caprino, G. Maximum cutting speed in laser cutting of fiber reinforced plastics [Text] / G. Caprino, V. Tagliaferri // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 1988. − Vol. 48. – No. 4. − P. 389–398.

26. Cenna, A.A. Evaluation of cut quality of fibrereinforced plastics – a review [Text] / A. A. Cenna, P. Methew // Int. J. Mach. Tools Manufacture. – 1997. − Vol. 37 (6). − P. 723–736.

27. Negarestani, R. Laser machining of fibre− reinforced polymeric composite materials / R. Negarestani // Negarestani R. Machining Technology for Composite Materials [Text] / R. Negarestani, L. Li. – Cambridge, 2012. − P. 288–308.

28. Laser machining of carbon fibre-reinforced plastic composites // Advances in laser materials processing [Text] / Z. L. Li [et al.]. – Cambridge, 2010. − P. 136–177.

29. Chryssolouris, G. Fundamentals of laser machining of composites / G. Chryssolouris // Chryssolouris, G. Machining Technology for Composite Materials [Text] / G. Chryssolouris, K. Salonitis. − Cambridge, 2012. − P. 266–287.

30. Тарасов, В.А. Проблемы и перспективы развития гидроструйных технологий в ракетнокосмической технике [Текст] / В.А. Тарасов, А.Л. Галиновский // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2013. − № 3. − С. 1–12.

31. Степанов, Ю.С. Современные технологии гидрои гидроабразивной обработки заготовок [Текст] / Ю.С. Степанов, Г.В. Барсуков, Е.Г. Алюшин // Наукоемкие технологии в машиностроении. − 2012. − № 6. − С. 11–17.

32. Степанов, Ю.С. Раскрой листовых неметаллических материалов водоледяной струей высокого давления [Текст] / Ю.С. Степанов, М.А. Бурнашов // Наукоемкие технологии в машиностроении. − 2014. − № 8. − С. 23–28.

33. Матюшев, И.И. Справочник конструктора / И.И. Матюшев. – СПб.: Политехника, 2006. – 1027 c.

34. Серебреницкий, П.П. Краткий справочник технолога-машиностроителя / П.П. Серебреницкий. – СПб.: Политехника, 2007. – 951 с.

35. Анурьев, В.И. Справочник конструкторамашиностроителя / В.И. Анурьев. − Т.1. – М.: Машиностроение, 2001. – 920 с.

36. Wu, C. Ablation behaviors of carbon reinforced polymer composites by laser of different operation modes [Text] / C. Wu, X. Wu, C. Huang // Optics and laser technology. – 2015. − Vol. 73. − P. 23–28.

37. Ushida, K. Characteristic analysis of CFRP cutting with nanosecond pulsed laser [Text] / K. Ushida [et al.] // Journal of advanced research in physics. – 2012. − Vol. 3. – No. 1. − P. 1–3.

38. Bluemel, S. Comparative study of achievable quality cutting carbon fibre reinforced thermoplastics using continuous wave and pulsed laser sources [Text] / S. Bluemel [et al.] // Physics Procedia. – 2014. − Vol. 56. − P. 1143–1152.

39. Riveiro, A. Experimental study on the CO2 laser cutting of carbon fiber reinforced plastic composite [Text] / A. Riveiro [et al.] // Composite Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2012. − Vol. 43. − P. 1400–1409.

40. Leone, C. Fibre laser cutting of CFRP thin sheets by multi-passes scan technique [Text] / C. Leone, S. Genna, V. Tagliaferri // Optics and lasers in engineering. – 2014. − Vol. 53. − P. 43–50.

41. Voisey, K.T. Fibre swelling during laser drilling of carbon fibre composites [Text] / K.T. Voisey [et al.] // Optics and lasers in engineering. – 2006. − Vol. 44. − Iss. 11. − P. 1185–1197.

42. Schneider, F. High power laser cutting of fiber reinforced thermoplastic polymers with cwand pulsed lasers [Text] / F. Schneider, N. Wolf, D. Petring // Physics Procedia. – 2013. − Vol. 41. − P. 415–420.

43. Goeke, A. Influence of laser cutting parameters on CFRP part quality [Text] / A. Goeke, C. Emmelmann // Physics Procedia. – 2010. − Vol. 5. – Part B. − P. 253–258.

44. Takahashi, K. Influence of laser scanning conditions on CFRP processing with a pulsed fiber laser [Text] / K. Takahashi [et al.] // Journal of materials processing technology. – 2015. − Vol. 222. − P. 110–121.

45. Leone, C. Investigation of CFRP laser milling using a 30 W Q-switched Yb:YAG fiber laser: Effect of process parameters on removal mechanisms and HAZ formation [Text] / C. Leone [et al.] // Composite Part A: Applied science and manufacturing. – 2013. − Vol. 55. − P. 129–142.

46. Klotzbach, A. Laser cutting of carbon fiber reinforced polymers using highly brilliant laser beam sources [Text] / A. Klotzbach, M. Hauser, E. Beyer // Physics Procedia. – 2011. − Vol. 12. Part A. − P. 572–577.

47. Niino, H. Laser cutting of carbon fiber reinforced thermos-plastic (CFRTP) by IR laser Irradiation [Text] / H. Niino [et al.] // Journal of laser Micro/ Nanoengineering. – 2014. − Vol. 9. – No. 2. − P. 180–186.

48. Lima, M. Laser processing of carbon fiber reinforced polymer composite for optical fiber guidelines [Text] / M. Lima [et al.] // Physics Procedia. – 2013. − Vol. 41. − P. 572–580.

49. Akshay, H. Machining damage in FRPs: Laser versus conventional drilling [Text] / H. Akshay [et al.] // Composite Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2016. − Vol. 82. − P. 42–52.

50. Furst, A. Remote laser processing of composite materials with different opto-thermic properties [Text] / A. Furst [et al.] // Physics Procedia. – 2013. − Vol. 41. − P. 389–398.

51. Dittmar, H. UV-laser ablation of fibre reinforced composites with ns-pulses [Text] / H. Dittmar, F. Gabler, U. Stute // Physics Procedia. – 2013. − Vol. 41. − P. 266–275.

52. Технологические рекомендации «Лазерная резка полимерных композиционных материалов и металлокомпозиционных материалов». №1.4.22722012. − Введен. 2012-07-01. − Национальный Институт Авиационных Технологий, 2012. – 21 c.

53. Zaeh, M. Material processing with remote technology – revolution or Evolution / M. Zaeh [et al.] // Physics Procedia. – 2010. − Vol. 5. – Part A). − P. 19–33.

54. Промышленные волоконные иттербиевые лазеры [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ipgphotonics.com/ru – Лазеры. – (Дата обращения: 13.03.2018).

55. Вейко, В.П. Технологические лазеры и лазерное излучение [Текст] / В.П. Вейко. − СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. – 52 c.

56. Вакс, Е.Д. Практика прецизионной лазерной обработки [Текст] / Е.Д. Вакс, М.Н. Миленький, Л.Г. Сапрыкин. – М.: Техносфера, 2013. − 696 с.

57. Weber, R. Minimum damage in CFRP laser processing [Text] / R. Weber [et al.] // Physics Procedia. – 2011. − Vol. 12. – Part B. − P. 302–307.

58. Weber, R. Short-pulse laser processing of CFRP [Text] / R. Weber [et al.] // Physics Procedia. – 2012. − Vol. 39. − P. 137–146.

59. Mucha, P. Calibrated heat flow model for determining the heat conduction losses in laser cutting of CFRP [Text] / P. Mucha [et al.] // Physics Procedia. – 2014. − Vol. 56. − P. 1208−1217.

60. Ohkubo, T. Numerical simulation of laser beam cutting of carbon fiber reinforced plastics [Text] / T. Ohkubo, M. Tsukamoto, Y. Sato // Physics Procedia. – 2014. − Vol. 56. − P. 1165−1170.

61. Virtual process chain for simulation of heat affected zones during laser cutting of carbon fibre-reinforced plastics [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.scansonic.de/files/publikationen/nafems_simula tion_of_composites.pdf – (Дата обращения: 14.03.2018).

62. Xu, H. Modeling of the material removal and heat affected zone formation in CFRP short pulsed laser processing [Text] / H. Xu, J. Hu // Physics Procedia. – 2017. − Vol. 45. − P. 354−364.

63. Okhubo, T. Three-dimensional numerical simulation during laser processing of CFRP [Text] / T. Okhubo [et al.] // Applied surface science. – 2017. − Vol. 417. − P. 104−107.

64. Котов, С.А. Экспериментальная оценка режимов размерной обработки углепластиков импульсным наносекундным излучением волоконного иттербиевого лазера [Текст] / С.А. Котов [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». – 2017. − № 1. − С. 73−85.

65. Экспериментальное исследование влияния технологического газа на качество обработки углепластиков наносекундным излучением волоконного иттербиевого лазера [Текст] // Лазеры в науке, технике, медицине / С.А. Котов; под. ред. В.А. Петрова. – М., 2016. – Т. 27. − С. 27−31.

66. Котов, С.А. Зависимость качества детали из термореактивного углепластика от вида обработки [Текст] / С.А. Котов, В.В. Блинков, Д.И. Кондратюк // Авиационная промышленность. – 2016. − № 4. − С. 43−47.

67. Котов, С.А. Наукоемкая технология повышения эффективности размерной обработки углепластиков импульсным наносекундным излучением волоконного иттербиевого лазера [Текст] / С.А. Котов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017. − № 1. − С. 30−36.

68. Котов, С.А. Экспериментальное исследование влияния длины волны лазерного излучения на эффективность размерной обработки углепластика [Текст] / С.А. Котов, Н.А. Лябин // Вестник НИЯУ «МИФИ». – 2017. − Т. 6. − № 5. − С. 396−404.

69. Котов, С.А. Качество и оценка эффективности размерной обработки углепластиков излучением волоконных лазеров [Текст] / С.А. Котов [и др.] // Авиационная промышленность. – 2017. − № 3. − С. 42−47.

70. Технология многопроходной обработки углепластика импульсным наносекундным волоконным иттербиевым лазером // Лазеры в науке, технике, медицине [Текст] / С.А. Котов [и др.]; под. ред. В.А. Петрова. – М., 2017. – Т. 28. − С. 33−37.

71. Григорьянц, А.Г. Наукоемкая технология повышения эффективности размерной обработки углепластиков непрерывным излучением волоконного иттербиевого лазера [Текст] / А.Г. Григорьянц [и др.] // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017.− № 11. − С. 33−39.