ES2302418B1

ES2302418B1 - LASER MACHINING METHOD OF EPOXI RESIN COMPOSITE MATERIALS REINFORCED WITH CARBON FIBERS.

Info

Publication number: ES2302418B1
Application number: ES200503143A
Authority: ES
Inventors: Antonio Juan Garcia Fuentes; Daniel Araujo Gay; Pilar Villar Castro; Rafael Garcia Roja; J. Carlos Diez Moñux; J. Ignacio Peña Torre; Carlos Estepa Millan; Clarisa Lopez Gascon
Original assignee: Universidad de Cadiz
Current assignee: Universidad de Cadiz
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2009-05-08
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: WO2007074180A1; ES2302418A1

Abstract

Método de mecanizado láser de materiales compuestos de resina epoxi reforzada con fibras de carbono.Materials laser machining method Carbon fiber reinforced epoxy resin compounds.

Consigue el corte lineal y circular del material con una extensión reducida de zona afectada térmicamente por la acción del láser, con lo que se reducen los daños y por tanto se puede aplicar el método industrialmente.Get the linear and circular cut of the material with a reduced extension of the area thermally affected by the laser action, thereby reducing damage and therefore You can apply the method industrially.

La fuente láser usada es un generador láser de Nd:YAG, operando únicamente a la longitud de onda fundamental del mismo, 1064 nm, con lo que se elimina la problemática de la utilización de una longitud de onda para las fibras y una segunda longitud de onda para la resina.The laser source used is a laser generator of Nd: YAG, operating only at the fundamental wavelength of the same, 1064 nm, which eliminates the problem of use of a wavelength for the fibers and a second wavelength for the resin.

Mediante la aplicación del láser a estos procesos se consiguen acelerarlos y reducir las posibles emisiones contaminantes de partículas micrométricas, aumentando el nivel de precisión del proceso y unos niveles elevados de calidad en el resultado final.By applying the laser to these processes are accelerated and reduce possible emissions micrometric particle contaminants, increasing the level of process accuracy and high levels of quality in the final score.

Description

Sector of the technique to which the invention relates

La presente invención se refiere a un método de mecanizado (cortes circulares y rectos, con una longitud determinada) láser de materiales compuestos de resina epoxi reforzada con fibras de carbono (corte y perforado), tanto en su forma de encintando monolítico como en su forma de tejido, utilizando una única longitud de onda. Es un procedimiento orientado, fundamentalmente, al sector de la manufactura aeronáutica, aunque proyectable también a otras industrias de transporte que empleen estos materiales.The present invention relates to a method of machining (circular and straight cuts, with a length determined) laser of epoxy resin composite materials reinforced with carbon fibers (cut and perforated), both in its monolithic curb form as in its tissue form, using a single wavelength. It is a procedure oriented, fundamentally, to the manufacturing sector aeronautics, but also projected to other industries of transport using these materials.

State of the art

La utilización de materiales compuestos se ha visto enormemente incrementada en los últimos años en sectores como el aeronáutico debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Entre ellos, la resina epoxi reforzada con fibras de carbono es uno de los máximos exponentes de estos materiales, llegando a configurar un elemento imprescindible en algunos sectores industriales. Sin embargo, es precisamente debido a estas propiedades el hecho de que el mecanizado mecánico de estos materiales es, si bien posible de acuerdo a los estrictos requerimientos de algunos sectores, como el aeronáutico, también problemático y costoso.The use of composite materials has been seen greatly increased in recent years in sectors such as the aeronautical due to its excellent mechanical properties. Between them, the carbon fiber reinforced epoxy resin is one of the maximum exponents of these materials, setting up a Essential element in some industrial sectors. Without However, it is precisely because of these properties that The mechanical machining of these materials is, although possible according to the strict requirements of some sectors, such as aeronautical, also problematic and expensive.

Una alternativa al mecanizado mecánico de este tipo de materiales reside en el mecanizado láser. Además, el enorme desarrollo tecnológico sufrido por las tecnologías láser en los últimos años, ha promovido que esta herramienta sea cada vez más importante en la realización de operaciones de mecanizado como las que se proponen en esta invención (corte y perforado). La gran ventaja que aporta la utilización del láser como herramienta de mecanizado es que el proceso se lleva a cabo sin necesidad de contacto con el material, con lo que, entre otros, se elimina el factor de desgaste de la herramienta que es tan importante en materiales de resina epoxi reforzada con fibra de carbono.An alternative to the mechanical machining of this Type of materials resides in laser machining. In addition, the huge technological development suffered by laser technologies in In recent years, it has promoted this tool to be increasingly important in performing machining operations such as which are proposed in this invention (cutting and perforation). The great advantage of using laser as a tool for machining is that the process is carried out without the need for contact with the material, which, among others, eliminates the tool wear factor that is so important in Carbon fiber reinforced epoxy resin materials.

Por otra parte, el láser es una herramienta extremadamente precisa, rápida, y medioambientalmente ventajosa, puesto que no produce las emisiones típicas de otros procesos mecánicos. Todos estos motivos han permitido que el mecanizado de materiales mediante láser se haya visto ampliamente extendido en los últimos años, especialmente para materiales de uso más dilatado en el tiempo, como los metales, aunque la traslación de este proceso a materiales compuestos, especialmente a los de resina epoxi reforzada con fibra de carbono, es enormemente compleja dadas las peculiaridades de dicho material, referidas sobre todo a las grandes diferencias en las propiedades físicas de sus componentes.Moreover, the laser is a tool extremely accurate, fast, and environmentally advantageous, since it does not produce the typical emissions of other processes mechanics All these reasons have allowed the machining of laser materials have been widely spread in the recent years, especially for more extensive use materials in time, like metals, although the translation of this process to composite materials, especially epoxy resin reinforced with carbon fiber, it is enormously complex given the peculiarities of this material, referring mainly to the large differences in the physical properties of its components.

Ejemplos típicos de estos métodos de mecanizado láser son las patentes US3597578 (modo de sujeción de la pieza mecanizada) y US3604890 (utilización de dos cabezales diferenciados), en las que se propone el corte láser de varios materiales usando diferentes gases de aporte. Con la patente US3679863 se introdujeron una serie de mejoras en lo referente al gas de aporte o a la posibilidad de aporte de agua como refrigerante en las zonas próximas al corte. Sucesivas mejoras a este respecto (gas de aporte y refrigeración mediante agua), se introdujeron, por ejemplo, con la patente US4002877. Posteriormente se propuso un procedimiento para la realización de microperforaciones (sin avance del haz láser) en materiales compuestos usando un haz láser (FR2827205).Typical examples of these machining methods lasers are US3597578 patents (part clamping mode mechanized) and US3604890 (use of two heads differentiated), in which the laser cutting of several is proposed materials using different contribution gases. With the patent US3679863 a series of improvements were made regarding the contribution gas or the possibility of water supply as refrigerant in the areas near the cut. Successive improvements to this respect (supply gas and water cooling), is introduced, for example, with US4002877. Later a procedure was proposed for the realization of microperforations (without laser beam advance) in materials compounds using a laser beam (FR2827205).

La patente US5500505 aporta un cambio de procedimiento al objeto de reducir la extensión de la zona afectada por el calor (ZAC) durante el mecanizado, ya que en ella se propone la utilización conjunta de dos longitudes de onda a diferencia del método propuesto, una de ellas adecuada al mecanizado de las fibras y la otra adecuada al de la resina epoxi. Así, se plantea la utilización de un láser de Nd:YAG con un sistema de Q-switch para la obtención de pulsos con una potencia elevada que permita el mecanizado de este material, y con el láser de Nd:YAG se consiguen obtener los múltiplos de la longitud de onda fundamental de emisión del mismo, 1064 nm (región IR), es decir, se consiguen emisiones de 530 nm junto a la de 1064 nm consiguiéndose un aumento de la eficiencia y calidad final del proceso. Mediante la aplicación de dos longitudes de onda al mecanizado láser se consigue la reducción de efectos negativos en el material debido a la transmisión de calor de las fibras a la resina, que debido a limitaciones en la densidad de potencia y duración de pulsos era imposible de controlar. En el sistema propuesto en esta patente se utiliza N_{2} como gas de aporte, es decir, un gas inerte, para evitar reacciones durante el proceso de mecanizado, mientras que en el método propuesto, el gas de aporte utilizado, además de inerte, puede ser reactivo.US5500505 patent provides a change of procedure in order to reduce the extent of the affected area by heat (ZAC) during machining, since it is proposed the joint use of two wavelengths unlike the proposed method, one of them suitable for fiber machining and the other suitable for epoxy resin. Thus, the use of an Nd: YAG laser with a system of Q-switch for obtaining pulses with a high power that allows the machining of this material, and with the Nd: YAG laser gets multiples of the fundamental emission wavelength thereof, 1064 nm (region IR), that is, 530 nm emissions are achieved together with that of 1064 nm achieving an increase in efficiency and final quality of process. By applying two wavelengths to Laser machining achieves the reduction of negative effects in the material due to the heat transfer of the fibers to the resin, which due to limitations in power density and Pulse duration was impossible to control. In the system proposed in this patent, N2 is used as a supply gas, it is that is, an inert gas, to avoid reactions during the process of machining, while in the proposed method, the contribution gas used, in addition to inert, can be reactive.

Explanation of the invention.

El objeto de la presente invención consiste en un método de mecanizado láser de resina epoxi reforzada con fibra de carbono. El proceso aquí recogido permite minimizar los daños infligidos al material, bien de tipo mecánico, bien de tipo térmico, así como una velocidad de retirada de material elevada. La reducción de daños de tipo térmico se consigue con una sola longitud de onda mediante la aplicación de parámetros de operación (fundamentalmente densidad de potencia y tiempo de interacción material-láser) en los que se tiene un proceso en el que se genera plasma y la transferencia térmica de las fibras a la resina se reduce sensiblemente, quedando prácticamente eliminada, con lo que se reduce de forma casi total los daños ocasionados al material por la pérdida de resina en las proximidades de la zona de mecanizado. En lo referente a la retirada de material, se lleva a cabo mediante gases inertes, como se venía llevando a cabo hasta el momento, y con gases reactivos, que favorecen este factor pero sin inducir daños al material debido al posible calor generado por reacciones químicas exotérmicas secundarias. Del mismo modo se consigue mecanizar espesores elevados de hasta 5 mm sin inducir daños importantes al material que pudieran descartar este proceso a nivel industrial.The object of the present invention is to a fiber-reinforced epoxy resin laser machining method carbon The process collected here minimizes damage inflicted on the material, either mechanical or good thermal, as well as a high material removal rate. The Thermal damage reduction is achieved with just one wavelength through the application of operating parameters (fundamentally power density and interaction time material-laser) in which there is a process in the that plasma is generated and the thermal transfer of the fibers to the resin is significantly reduced, being virtually eliminated, which almost completely reduces the damage caused to the material for the loss of resin in the vicinity of the area of machining With regard to the removal of material, it takes conducted by inert gases, as it had been carried out until moment, and with reactive gases, which favor this factor but without induce damage to the material due to the possible heat generated by secondary exothermic chemical reactions. Similarly it manages to mechanize high thicknesses of up to 5 mm without inducing significant damage to the material that could rule out this process at industrial level

En la actualidad, debido a limitaciones causadas por las diferencias en la transmisión de calor existentes entre los dos componentes del material compuesto de resina epoxi reforzada con fibra de carbono y a los requerimientos muy exigentes de las normas de mecanizado de sectores como el aeronáutico en cuanto a rugosidad y calidad de corte, el mecanizado láser no se usa industrialmente para el mecanizado de estos materiales. Como consecuencia del proceso, aparece una gran extensión de zona de daño en la que se modifican las propiedades del material, sufriendo el mismo una caída considerable en las prestaciones para las que ha sido diseñado.At present, due to limitations caused due to the differences in heat transfer between the Two components of the reinforced epoxy resin composite with carbon fiber and to the very demanding requirements of machining standards of sectors such as aeronautics in terms of roughness and cutting quality, laser machining is not used industrially for the machining of these materials. How as a consequence of the process, a large area of damage in which the properties of the material are modified, suffering the same a considerable drop in benefits for which it has been designed

En la presente invención se utiliza como fuente de emisión un láser pulsado de Nd:YAG que permite el mecanizado del material compuesto, con picos de potencia altos suministrados por un sistema de Q-switch operando a un nivel medio-alto de velocidades de repetición de pulsos. Como aspecto novedoso y fundamental del método propuesto cabe destacar la utilización de una única longitud de onda para el mecanizado de los dos componentes del material compuesto, la de emisión fundamental del láser de Nd:YAG en la región espectral del IR, para el mecanizado de los dos componentes del material compuesto propiciando la aparición de una mínima extensión dañada en las proximidades de la zona mecanizada mediante láser. Por mecanizado se entiende la posibilidad de realizar perforaciones circulares de un diámetro determinado o bien cortes lineales tanto en el interior como en el de borde del conjunto de la pieza (recanteado). Como gas de aporte se aplica un gas inerte para evitar reacciones en el material, como pueden ser N_{2} o Ar, o bien se utiliza un gas reactivo para permitir la aparición controlada de reacciones que ayuden al proceso como puede ser el aire comprimido.In the present invention it is used as a source of emission a pulsed laser of Nd: YAG that allows the mechanized of the composite material, with high power peaks supplied by a Q-switch system operating at a level medium-high pulse repetition rates. As a novel and fundamental aspect of the proposed method, highlight the use of a single wavelength for the machining of the two components of the composite material, that of fundamental emission of the Nd: YAG laser in the spectral region of the IR, for the machining of the two components of the material compound leading to the appearance of a minimal damaged extension in the vicinity of the zone mechanized by laser. By machining means the possibility of drilling circular of a certain diameter or linear cuts both inside as in the edge of the piece assembly (reheated). As an input gas an inert gas is applied to avoid reactions in the material, such as N2 or Ar, or either a reactive gas is used to allow the appearance controlled reactions that help the process such as compressed air.

El equipo utilizado para proceder a las operaciones de mecanizado láser de materiales de resina epoxi reforzada con fibra de carbono objeto de la presente invención consta, básicamente, de un resonador láser de Nd:YAG, protegido contra polvo y salpicaduras, de un cabezal láser de Nd:YAG, un cabezal de rotulado un sistema galvanométrico de movimiento del haz láser y un sistema informático de control del equipo, que consta de:The equipment used to proceed to laser machining operations of epoxy resin materials Carbon fiber reinforced object of the present invention It basically consists of a Nd: YAG laser resonator, protected against dust and splashes, from a Nd: YAG laser head, a labeling head a galvanometric beam movement system laser and computer equipment control system, consisting of from:

--: Alimentación de tensión integrada y control por microprocesador.Integrated voltage supply and microprocessor control

--: Tecnología de bus CAN.CAN bus technology.

--: Posibilidad de enlace con ordenador central o sistema de control supervisor.Possibility of computer link central or supervisory control system.

--: Intercambiador de calor.Heat exchanger.

--: Computador de control y terminal.Control computer and terminal.

--: Software de operación.Operation Software

--: Paquete de software adecuado de movimiento de los espejos, control del láser y comunicación entre ambos para elaboración de modelos.Proper software package of mirror movement, laser control and communication between both for modeling.

El cabezal láser es del tipo Nd:YAG de excitación continua dotado de un conmutador de calidad (Quality Switch o Q-switch), y emite luz coherente a una única longitud de onda de 1064 nm. Dicho láser trabaja en multimodo, con una potencia promedio máxima de salida de 65 W y una frecuencia de pulsación de hasta 50 kHz. La duración del pulso es de 0.43 \mus (a 3 kHz y 65 W de potencia promedio).The laser head is of the Nd: YAG type of continuous excitation equipped with a quality switch (Quality Switch or Q-switch), and emits coherent light at a single wavelength of 1064 nm. Said laser works in multimode, with a maximum average power output of 65 W and a pulse rate up to 50 kHz. The pulse duration is 0.43 \ mus (at 3 kHz and 65 W average power).

El cabezal de marcado (o rotulación) incluye lente de enfoque de campo plano, de modo que el haz láser es reflectado a través de dicha lente mediante un sistema de deflectores galvanométricos X-Y. La velocidad de barrido que permite este sistema puede ser de hasta 1 m/s.The marking head (or labeling) includes flat-field focusing lens, so that the laser beam is reflected through said lens by a system of X-Y galvanometric baffles. The speed of Sweep that allows this system can be up to 1 m / s.

Los ajustes angulares de precisión necesarios para este movimiento se consiguen con scanners de alta sensibilidad. En el caso de los sistemas deflectores scanners convencionales, la excitación tiene lugar a través de líneas eléctricas de señalización analógicas. Debido a las grandes longitudes de cable frecuentemente necesarias, se ve considerablemente mermada la precisión de ajuste de los espejos de scanner debido a interferencias y zumbidos. En el caso del cabezal deflector aquí descrito, estas interferencias quedan excluidas. De este modo se consigue una calidad superior de los resultados de la incidencia del haz.The necessary angular precision adjustments for this movement are achieved with high scanners sensitivity. In the case of scanner deflector systems conventional, excitation takes place through lines Electrical analog signaling. Because of the big ones frequently needed cable lengths, it looks considerably diminished the precision of adjustment of the mirrors of scanner due to interference and hum. In the case of the head baffle described here, these interferences are excluded. From this mode achieves a superior quality of the results of the beam incidence.

La transmisión de señales desde el computador de control hasta el cabezal deflector tiene lugar a través de fibras ópticas digitales. De este modo quedan totalmente excluidas las interferencias electrostáticas o electromagnéticas. La supresión de las interferencias de zumbido ya no es necesaria. Gracias a ello se ha podido ampliar el campo dinámico útil.The transmission of signals from the computer control until the deflector head takes place through fibers digital optics In this way, the electrostatic or electromagnetic interference. The suppression of Buzzing interference is no longer necessary. Thanks to that, I know has been able to expand the useful dynamic field.

Embodiment of the invention

El proceso de mecanizado láser de materiales compuestos de resina epoxi reforzada con fibra de carbono requiere un equipo como el descrito en la sección anterior, basado en un equipo láser de Nd:YAG conmutado (Q-switched) que emite únicamente en su longitud de onda fundamental y se mueve mediante espejos galvanométricos, que permiten movimientos del haz incidiendo en una sola pasada o en una sucesión de pasadas.The laser material machining process Carbon fiber reinforced epoxy resin compounds required a team like the one described in the previous section, based on a Nd laser equipment: YAG switched (Q-switched) that emits only at its fundamental wavelength and moves using galvanometric mirrors, which allow beam movements affecting a single pass or a succession of passes.

Se puede trabajar con planchas de CFRP encintado o tejido cuyos espesores oscilen entre 0.5 y 5 mm. Se establecen los parámetros de frecuencia (al menos 10 Hz), velocidad (mayor o igual a 0.1 m/min) y energía de los pulsos (al menos, 0.1 J) según el espesor de la pieza. Se ajusta el gas de aporte (inerte o reactivo) y se coloca la plancha de material compuesto a la distancia focal y se procede a su mecanizado. Al cabo de unos segundos se tiene el corte (interno o recanteado, con una longitud determinada) o perforado realizado.You can work with taped CFRP sheets or fabric whose thickness ranges from 0.5 to 5 mm. Are set frequency parameters (at least 10 Hz), speed (higher or equal to 0.1 m / min) and pulse energy (at least 0.1 J) according to The thickness of the piece. The supply gas is adjusted (inert or reagent) and the composite plate is placed on the Focal length and machining. After a few seconds you have the cut (internal or reheated, with a length determined) or perforated performed.

Industrial application

La calidad de los cortes obtenidos mediante el procedimiento descrito en la presente invención hace que este método sea de un elevado interés en todos aquellos sectores industriales que empleen materiales compuestos de resina epoxi reforzada con fibra de carbono, es decir, fundamentalmente aquellos relacionados con el transporte. De ellos, destaca el sector aeronáutico, en el que los materiales compuestos juegan un papel cada vez más relevante, dadas las elevadas prestaciones mecánicas que ofrecen con un peso mucho más ligero que sus equivalentes aleaciones metálicas.The quality of the cuts obtained through the procedure described in the present invention makes this method is of high interest in all those sectors industrial using epoxy resin composite materials reinforced with carbon fiber, that is, essentially those related to transportation. Of them, the sector stands out aeronautics, in which composite materials play a role increasingly relevant, given the high mechanical performance that offer a much lighter weight than their equivalents metal alloys

La aplicación de este método en el sector permitiría un considerable ahorro de herramienta y un entorno de trabajo más favorable desde el punto de vista higiénico laboral.The application of this method in the sector would allow considerable tool savings and an environment of more favorable work from the hygienic point of view labor.

Claims

1. Laser machining method of carbon fiber reinforced epoxy composite materials, which makes use of a Nd: YAG laser generator that pulses in the IR spectral region. protected against dust and splashes, a Q-switch pulse generation system capable of generating pulses of the order of microseconds, a labeling head to provide the system with the displacements required by the process and a hardware and software computer system which allows full control of the system that contains the appropriate connections to perform this function, it is characterized by:

\bullet?: La longitud de onda del láser pulsado debe ser de únicamente de 1064 nm.Laser wavelength Pulsed must be only 1064 nm.

\bullet?: El mecanizado se realiza haciendo uso de galvanómetros con una pasada o sucesión de pasadas del láser sobre el material y con una velocidad mayor o igual a 0,1 m/min.Machining is done using galvanometers with a pass or succession of passes of the laser on the material and with a speed greater than or equal to 0.1 m / min

\bullet?: La frecuencia de repetición de los pulsos emitidos sobre el material debe ser, de al menos, 10 Hz.The repetition frequency of the pulses emitted on the material must be at least 10 Hz.

\bullet?: La duración de los pulsos emitidos sobre el material sea menor de 10 ms.Pulse duration emitted on the material is less than 10 ms.

\bullet?: La energía de los pulsos emitidos por el generador láser sea, de al menos, 0,01 J.The energy of the pulses emitted by the laser generator be at least 0.01 J.

\bullet?: El haz láser es enfocado sobre el material con un diámetro aproximado de 10 \mum a 300 \mum.The laser beam is focused on the material with an approximate diameter of 10 µm to 300 \ mum.

\bullet?: El mecanizado se realiza mediante un pulso o una sucesión de pulsos sobre el material mecanizado.The machining is done by means of a pulse or a succession of pulses on the material machining

\bullet?: El gas de aporte utilizado sea un gas inerte o un gas reactivo.The contribution gas used is an inert gas or a reactive gas.

\bullet?: El espesor del material debe estar en el intervalo de 0,5 y 5 mm.The thickness of the material should be in the range of 0.5 and 5 mm.

2. Use of the laser machining method of Composite materials made of fiber-reinforced epoxy resin carbon, according to claim 1, for reheating, linear cutting or internal or perforated circular.