CFRP / CMC加工の効率​​のためのウォータージェットとレーザーの融合

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）およびセラミックマトリックス複合材料（CMC）材料が航空機のエンジン、宇宙部品、および超音速アプリケーションで急増するにつれて、機械加工が問題になり、精度と効率によってプログラムの結果が変わる可能性があります。信頼性と精度の高い機能をCFRPとCMCに加工しようとすると、硬度と研磨性が低下し、加工速度が遅くなり、材料特性に望ましくない影響が出て、部品の仕様を満たせなくなり、繰り返し工具を含む高い運用コストが発生する可能性があります。交換。

この課題に対処するために、このような高度な複合材料を機械加工するためのさまざまなレーザー技術が開発されてきました。レーザーは効率を高め、繰り返し発生する工具コストを削減する可能性を提供しますが、発生した熱は材料に放散され、微小亀裂や材料交換の可能性を生み出します。レーザーも光線の焦点で切断するため、V字型の切断が発生し、正確な公差が問題になる可能性があります。

Synova（Duillier、Switzerland）によって開発されたLaser MicroJetテクノロジーは、ウォータージェット内に完全に含まれるレーザービームを作成します。レーザーは、原則として光ファイバーと同様に、空気と水の界面で反射されます。一方、水は切断ゾーンを冷却し、切り口から破片を洗い流します。報告によると、従来のレーザーと比較したLaser MicroJetの利点には、燃焼や熱劣化がなく、より滑らかな表面のバリが少なく、側面がまっすぐにカットされ、精度が高いことが含まれます。

CW 2017年のGEAviationのノースカロライナ州アッシュビルのCMCエンジンコンポーネントの生産工場のツアーで、LaserMicroJetに初めて遭遇しました。ここでは、LEAP航空機エンジン用のCMCシュラウドの穴を加工するために使用されます。 「このテクノロジーは、穴の直径の高レベルの精度を維持するのに役立ちます」と、GEAviationのCMC生産マネージャーであるRyanHuthは述べています。 「MicroJetは、従来の機械加工では1時間であったのに対し、2分でこれらの穴を開けることができます」とHuth氏は言います。 CW の姉妹誌、 Modern Machine Shop 、LaserMicroJetに関する有益な記事も公開しています。

水と光の力

Synovaは、1990年代に連邦工科大学（EPFL、ローザンヌ、スイス）で研究した後、LaserMicroJetテクノロジーの特許を取得したDr.BernoldRicherzhagenによって1997年に設立されました。この技術は2001年に半導体ウェーハダイシングに広く採用されました。その後、Synovaは2003年に米国、日本、インド、韓国に現地子会社を設立しました。これらは現在、マイクロマシニングセンターを含むように拡張されており、台湾と中国で短期的な拡張が計画されています。シノバは2009年に牧野フライス製作所（東京、日本）と共同開発パートナーシップを確立し、新しい機械シリーズを導入し、医療機器、時計機構、ガスおよびジェットエンジンのタービンブレード、半導体装置の機械加工にそれらを発展させました超硬材料からの工具の切断。

Laser MicroJetシステムでは、レーザービームは加圧水型原子炉を通過し、ノズルに集束されます。レーザーは一般的な産業用タイプであり、ソリッドステートNd：YAGであり、出力は10〜200ワット、波長は1,064（赤外線）、532または355ナノメートルです。ろ過された脱イオン水の毛のように薄いジェット（直径50〜70ミクロン）は、200〜650バールの低圧で使用されます。これにより、水の消費量が2〜3 L / hrのオーダーになり、材料にかかる力は0.1ニュートン未満になります。

水中で効率的なレーザーアブレーションを実現するにはどうすればよいですか？ 「レーザーは1秒間に約10,000回パルスされます」と、米国のSynovaビジネスマネージャーであるJacquesCoderre氏は説明します。パルスの終わりに、プラズマが崩壊し、水が表面をきれいにし、熱を放散します。」彼はまた、ウォータージェットが、乾式レーザーシステムで通常必要とされるレーザーの焦点を維持することの複雑さとプロセスのばらつきを排除すると述べています。 「これにより、焦点が合っていることを心配することなく、厚い部品や平らでない部品を切断できます」とCoderre氏は言います。 「この技術は、カーフ幅が狭い完全に平行な壁を作成する円筒形レーザーも生成します。」

コンポジットの構成

Laser MicroJetは、CMCだけでなく、CFRPやスタックラミネートにも適しています。テスト中に、最大1,440 mm / minの速度で、厚さ2.6 mmの炭素繊維強化プラスチック（CFRP）ラミネートに直径3mmの穴を作成しました。 「従来のレーザーでは、熱のために減速する必要があります」とCoderre氏は述べています。 「従来のミルは同様の速度を達成できますが、工具の交換が必要なため、運用コストが高くなります。」

Laser MicroJetは、厚さ1インチのCMCラミネートを切断できます。 「速度は、1mmのかなり一定の切除率に基づいています ³ / min」、Coderreは観察します。

Synovaにはさまざまな機械があり、昨年は5軸CNC LCS305システムを導入しました。 「この機械は高精度の3Dカットに優れており、小さなCMC部品に最適です」とCoderre氏は説明します。 「しかし、それは大きなCFRP部品には適していません。」このため、SynovaはLaser MicroJetをガントリーマシンに統合し、2メートル×3メートルを超える部品を加工することができます。 「ロボットとの統合もプログラミングも簡単です」と彼は付け加えます。 2Dカットの場合、MicroJetソフトウェアはCADファイルをマシンコードに変換します。確認が完了すると、オペレーターはボタンを押すだけで、機械が切断ルーチンを実行します。 3Dカットの場合、Coderreは、ポストプロセッサがCADファイルから必要な3Dデータを抽出し、それをLaserMicroJet用にフォーマットすると説明しています。

Factory 4.0機能では、レーザーパワーメーター、位置決めセンサー、および自動ジェット角度補正がLaserMicroJetシステムに統合されています。 「非常に柔軟性があります」とCoderre氏は言います。「スタンドアロンシステムとして、またはオペレーター不要の大量生産のための完全自動化ラインの一部として、部品生産に簡単に組み込むことができます。」この技術は、LEAP航空機エンジンのCMC部品ですでに証明されていると彼は続けます。 「複合材料の場合、製造コストの削減、生産速度の高速化、運用コストの削減、信頼性の向上、歩留まりの向上によって実現されます。」このような効率は、新しい材料、市場、競争力のある金属技術が進化し続ける中で、複合材料が実際に必要としているものです。