朱小偉，胡 龍，楊文鋒，孫兵濤，李紹龍，曹 宇*

(1.溫州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，溫州 325035；2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣漢 618307)

引 言

碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)一般由碳纖維與樹(shù)脂溶膠混合后經(jīng)過(guò)固化，根據(jù)不同的使用需求，按照不同的鋪設(shè)方向鋪設(shè)和層壓制作完成[1]。由于碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好、高比強(qiáng)度、高比模量、低密度等一系列優(yōu)異性能，因此在航空航天工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。目前，大型民用客機(jī)使用CFRP材料占比已經(jīng)達(dá)到50%以上[2-4]。然而，針對(duì)異物沖擊、鳥(niǎo)類撞擊或雷擊、地面事故等造成的CFRP結(jié)構(gòu)破損，如何實(shí)現(xiàn)高性能、高效的粘接修補(bǔ)是當(dāng)前復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的重要技術(shù)挑戰(zhàn)[5-6]。在CFRP粘接修補(bǔ)時(shí)，如果對(duì)表面的樹(shù)脂溶膠不進(jìn)行除膠處理直接進(jìn)行粘接，會(huì)導(dǎo)致粘接頭力學(xué)性能和粘接強(qiáng)度大幅度降低。傳統(tǒng)的機(jī)械打磨除膠方式無(wú)可避免會(huì)造成底下碳纖維鋪層的損傷而直接影響粘接結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度[7-8]。激光是非接觸無(wú)應(yīng)力加工，加工精度高，理論上可以實(shí)現(xiàn)碳纖維鋪層表面的無(wú)損除膠，這使激光成為了CFRP修補(bǔ)中表面燒蝕除膠最佳的選擇[9-12]。KRELING等人[13]的研究發(fā)現(xiàn)，利用準(zhǔn)分子激光輻射對(duì)碳纖維布進(jìn)行表面預(yù)處理，獲得了與手工打磨相當(dāng)?shù)奶祭w維布粘接接頭的粘接強(qiáng)度。而FISCHER等人[14]認(rèn)為，通過(guò)激光選擇性去除碳纖維布的環(huán)氧基體材料是提高粘結(jié)CFRP接頭強(qiáng)度的一種較好選擇。

目前，針對(duì)于CFRP修補(bǔ)中激光表面燒蝕除膠研究，其掃描策略還是采用的一般的平行掃描線填充或者輪廓偏置填充，然而CFRP中的碳纖維其膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等熱力學(xué)性能與樹(shù)脂之間具有顯著的差異，在激光加工過(guò)程中容易出現(xiàn)不均勻熱影響區(qū)、纖維破損、復(fù)合層分層等缺陷，嚴(yán)重影響了CFRP基底在除膠后的靜態(tài)強(qiáng)度[11,15-16]。參考文獻(xiàn)[17]中提出一種掃描填充路徑規(guī)劃算法，通過(guò)優(yōu)化路徑來(lái)均衡溫度場(chǎng)，從而達(dá)到提高快速成型加工質(zhì)量的目的。LEONE等人[18]提出當(dāng)激光光束掃描規(guī)劃路徑平行于纖維方向時(shí)，加工產(chǎn)生的熱量會(huì)沿著纖維方向傳導(dǎo)，并且產(chǎn)生的熱量可以在光束到達(dá)之前預(yù)熱材料，因此熱影響區(qū)會(huì)變少。相反，當(dāng)激光光束掃描規(guī)劃路徑垂直于纖維方向時(shí)，熱量只能在纖維塊中傳導(dǎo)，從而加熱基材，導(dǎo)致熱影響區(qū)增大。由于碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料是由不同方向的碳纖維絲束編織而成，根據(jù)絲束分塊中的纖維方向平行于纖維方向進(jìn)行掃描填充，就可以減小熱影響區(qū)，獲得較好的加工結(jié)果。作者基于CFRP纖維編織結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等各向異性熱力學(xué)性能特點(diǎn)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于CFRP纖維編織網(wǎng)格分塊掃描的激光除膠工藝算法，大幅改善了CFRP表面除膠的纖維完整性和工藝一致性。

1 CFRP纖維編織網(wǎng)格分塊掃描激光除膠工藝

1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料激光表面燒蝕除膠工藝流程如圖1所示。首先根據(jù)用戶輸入相關(guān)參量，生成用戶模型，將模型分層處理。在每一層上再進(jìn)行分塊掃描處理，在分塊掃描時(shí)，需要考慮纖維紋理編織方向的特點(diǎn)，生成與纖維紋理相匹配的網(wǎng)格塊，在每個(gè)網(wǎng)格分塊中，保證掃描填充方向與纖維束方向一致，生成相應(yīng)的路徑，以激光加工工藝數(shù)控代碼的形式輸入激光加工設(shè)備，完成碳纖維復(fù)合材料的加工。

Fig.1 Laser epoxy removal process of CFRP

1.2 網(wǎng)格分塊掃描填充算法

網(wǎng)格分塊掃描填充算法主要基于CFRP的編織網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)的。如圖2所示，從圖中可以清晰地看出CFRP的編織網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。每層的碳纖維交錯(cuò)地編織在一起，再由環(huán)氧樹(shù)脂材料粘接在一起，形成一層纖維/樹(shù)脂復(fù)合層，多層的纖維/樹(shù)脂復(fù)合層不同方向疊加在一起就形成了CFRP的復(fù)合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

Fig.2 The schematic diagram of the braided structure

算法基本流程如圖3所示。以碳纖維材料上某簡(jiǎn)單四邊形輪廓的表面燒蝕除膠為例，計(jì)算其網(wǎng)格分塊的掃描填充路徑來(lái)說(shuō)明分塊掃描填充算法的基本原理。

Fig.3 Flow chart of algorithm

1.2.1 求外輪廓的最小正四邊形包圍盒 通過(guò)遍歷外輪廓頂點(diǎn)的x和y坐標(biāo)值，冒泡排序求出x和y的最大值和最小值，xmin,xmax,ymin,ymax即為輪廓頂點(diǎn)坐標(biāo)的最大、最小值，構(gòu)成了上述最小正四邊形包圍盒。如圖4a和圖4b所示,最小正四邊形包圍盒可以為后續(xù)的分塊網(wǎng)格的生成提供一個(gè)基準(zhǔn)，保證后續(xù)算法更易執(zhí)行。

Fig.4 Schematic diagram of mesh subdivided scanning algorithm

1.2.2 分塊網(wǎng)格集合的生成 指定子分塊網(wǎng)格的長(zhǎng)度α和寬度β等參量，在行方向上，以xmin為起始值，xmax為終點(diǎn)值，α為步長(zhǎng)，生成1維數(shù)組Ni，此時(shí):

i=

(1)

式中，%表示整除。(xmax-xmin)%α≠0表示如圖4c中的情況，生成的分塊網(wǎng)格區(qū)域大于包圍盒，否則，生成的分塊網(wǎng)格區(qū)域剛好完全填充包圍盒區(qū)域；i值指分塊網(wǎng)格的個(gè)數(shù)。同理，在列方向上，以ymin為起始值，ymax為終點(diǎn)值，β為步長(zhǎng)，生成1維數(shù)組Nj，此時(shí)：

j=

(2)

利用Ni和Nj計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)的x和y的坐標(biāo)矩陣，分別記為xNij和yNij。分塊網(wǎng)格集合記為M1。這一步應(yīng)要滿足完整性原則，生成的分塊網(wǎng)格要完整填充最小包圍盒或者覆蓋超出最小包圍盒。

1.2.3 分塊網(wǎng)格集合與外輪廓各邊求交運(yùn)算 將1.2.2節(jié)中生成的分塊網(wǎng)格集合M1與外輪廓邊進(jìn)行多邊形的布爾求交運(yùn)算(見(jiàn)圖4d)，獲得的結(jié)果記為集合M2，用于下一步在離散子網(wǎng)格內(nèi)做內(nèi)部掃描填充。經(jīng)過(guò)布爾求交運(yùn)算后的分塊網(wǎng)格，可能不再是完整的初始的正四邊形子網(wǎng)格，而是原始子網(wǎng)格的一部分，如圖4e所示，上邊緣的網(wǎng)格已經(jīng)被切分成三角形或四邊形。

1.2.4 離散子網(wǎng)格內(nèi)部掃描填充 針對(duì)每一離散子網(wǎng)格區(qū)域，求取內(nèi)部掃描填充路徑。對(duì)于內(nèi)部掃描填充策略的選擇，一般是采用光柵式填充算法或者輪廓偏置填充算法。當(dāng)激光光束方向與碳纖維方向保持平行時(shí)，得到的加工效果更好，所以選擇合適的填充角度的光柵式填充來(lái)完成離散網(wǎng)格內(nèi)部掃描填充。如圖5所示，分別是光柵式填充的兩種形式，這兩種光柵式填充都是按照活性邊表法計(jì)算初始掃描填充線，只是掃描線的連接方式不同，圖5a中每掃描完一次，需要跳轉(zhuǎn)回到左邊端點(diǎn)，增加了空行程的距離，不滿足最小空行程約束原則。而圖5b中，通過(guò)改變掃描線的連接方式，減少了加工中的跳轉(zhuǎn)次數(shù)和跳轉(zhuǎn)時(shí)空行程距離，也大大減少了激光器的開(kāi)關(guān)次數(shù)。但是圖5b中的路徑規(guī)劃方式，增加了加工中的熱累積效應(yīng)，從而熱影響區(qū)增大，導(dǎo)致加工質(zhì)量降低。

Fig.5 General form of raster filling

因此，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料本身特性，現(xiàn)提出一種多組光柵式填充算法。多組光柵式填充主要從減少跳轉(zhuǎn)次數(shù)、空行程距離和提高加工質(zhì)量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。該多組光柵式填充算法表述如下：(1)多組掃描線生成。利用活性邊表法生成n組掃描線，如圖6a所示，標(biāo)號(hào)1的掃描線為第1組，標(biāo)號(hào)2的掃描線為第1組，以此類推，圖6a中n=2(n為并行組數(shù))，分為深色淺色兩組掃描線;(2)掃描線連續(xù)化處理。遍歷每一組掃描線，對(duì)掃描線進(jìn)行從上到下首尾相連接，在每根掃描線之間添加連接線，將整組的離散掃描線連續(xù)化處理(如圖6b所示)，將連續(xù)化后的掃描線存入一個(gè)雙端隊(duì)列，記為一個(gè)連續(xù)化掃描線組;(3)多組連續(xù)化掃描線組連接處理。當(dāng)n組連續(xù)化掃描線組生成完畢后，對(duì)連續(xù)化掃描線組依次遍歷，當(dāng)組數(shù)n為奇數(shù)時(shí)，該連續(xù)化掃描線組將路徑數(shù)據(jù)從隊(duì)列左端彈出；當(dāng)組數(shù)n為偶數(shù)時(shí)，該連續(xù)化掃描線組將路徑數(shù)據(jù)從隊(duì)列右端彈出，在奇偶掃描線組之間添加連接線，完成多組連續(xù)化掃描線組連接處理。最終效果圖如圖6c所示。

Fig.6 Schematic diagram of multigroup raster filling algorithm

通過(guò)改進(jìn)光柵式填充算法，將掃描線分成n組，將初始為spacing的掃描間距在實(shí)際加工過(guò)程中變成n個(gè)spacing，而在激光加工CFRP時(shí)，通過(guò)增大一定的掃描間距的激光掃描方式，可以消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和廢氣對(duì)激光的屏蔽作用，使激光更好地作用于材料去除，從而獲得良好的加工質(zhì)量[19]。

1.2.5 分塊網(wǎng)格路徑加載策略規(guī)劃 第1.2.4節(jié)中，根據(jù)分塊內(nèi)纖維方向完成多組光柵式填充，獲得每個(gè)分塊內(nèi)部掃描填充路徑。而通過(guò)不同的分塊網(wǎng)格路徑加載策略，可以改變實(shí)際加工時(shí)各分塊網(wǎng)格的加工順序，例如間隔的加載順序有利于熱量擴(kuò)散，減少加工過(guò)程中的熱累積效應(yīng)。

2 工藝驗(yàn)證

本文中算法主要是針對(duì)碳纖維復(fù)合材料本身特性，生成一種與碳纖維紋理相匹配的分塊掃描填充路徑，這種填充路徑更有利于加工熱量的傳導(dǎo)，減少熱累積效應(yīng)，從而提高表面的加工質(zhì)量。為了驗(yàn)證算法的實(shí)際加工效果，將生成的激光填充掃描路徑數(shù)控代碼以socket通信軟件傳輸給下位機(jī)加工設(shè)備完成加工。在Intel(R)Core(TM)i5-8300H@2.30GHz CPU、16GDDR4內(nèi)存、Windows10 64位的計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，得到表1所示結(jié)果。測(cè)試時(shí)，輸入為輪廓點(diǎn)坐標(biāo)，輸出為規(guī)劃好的掃描填充路徑。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，算法耗時(shí)隨著分塊尺寸的增加而減少。

Table 1 Application example results of the algorithm

以并行組數(shù)為2在環(huán)境溫度為室溫的條件下，以東麗T3003K/環(huán)氧樹(shù)脂板材為樣品材料，在溫州天琴激光公司的激光加工設(shè)備RLCS-1進(jìn)行加工測(cè)試，該設(shè)備配備了一臺(tái)輸出波長(zhǎng)1064nm、平均功率30W、光斑聚焦直徑50μm的光纖激光器，實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備平臺(tái)如圖7所示。加工參量如表2所示。主要由STM32控制系統(tǒng)控制，主控芯片是STM32F446ZET6微控制器，包括192kbit SRAM、512kbit FLASH、一個(gè)9Pin的機(jī)器人通信接口、一個(gè)14Pin的激光器通信接口、一個(gè)8Pin的振鏡通信接口。同時(shí)，該控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

Fig.7 The picture of experimental platform

Table 2 The parameters of laser processing

得到實(shí)驗(yàn)加工效果如圖8所示。圖8a為整塊掃描算法加工效果圖，可以明顯地觀察到殘留的樹(shù)脂塊，樹(shù)脂塊主要分布在纖維的交界處;圖8b為分塊掃描算法加工效果圖，幾乎觀察不到有樹(shù)脂的殘留;圖8c為整塊掃描算法在橫向交界處形貌放大圖;圖8d為分塊掃描算法縱向交界處形貌放大圖;圖8e為整塊掃描算法縱向交界處形貌放大圖;圖8f為分塊掃描算法橫向交界處形貌放大圖。從圖8c可以觀察到橫向纖維交界處大塊的樹(shù)脂殘留，纖維上還有一些微小的樹(shù)脂顆粒，圖8e中展示了縱向纖維交界處的樹(shù)脂殘留。根據(jù)圖8c和圖8e中樹(shù)脂燒蝕的邊緣形狀，其樹(shù)脂殘留的邊緣缺口指向都是平行于纖維方向，這也進(jìn)一步證明了熱量沿著纖維傳導(dǎo)更快，導(dǎo)致了CFRP材料熱力學(xué)性能的各向異性。圖8d和圖8f為使用分塊掃描填充算法激光加工后纖維交界處的形貌放大圖，在纖維交界處幾乎觀察不到還有樹(shù)脂塊的殘留，樹(shù)脂得到了有效去除，只有在纖維上分布著少量的樹(shù)脂顆粒，纖維在樹(shù)脂去除程度提高的情況下，纖維沒(méi)有明顯的破損損壞，只有較少的纖維斷裂，碳纖維本身得到了較好的保護(hù)。

Fig.8 SEM images of CFRP-surface after cleaning with whole-area scanning algorithm and mesh subdivided scanning algorithm

當(dāng)激光能量一定時(shí)，通過(guò)分塊掃描工藝算法，將整塊加工區(qū)域分塊化，在每個(gè)分塊中進(jìn)行單獨(dú)掃描，每個(gè)分塊中的單位時(shí)間累積的熱量得到了提高，借助于碳纖維上累積的熱量，從而將附著在纖維上的環(huán)氧樹(shù)脂能夠有效的燒蝕去除。而為了保證增加的熱量不會(huì)對(duì)纖維本身造成熱損傷，在每個(gè)分塊中激光光束的掃描方向與纖維方向保持一致。當(dāng)光束平行于纖維方向移動(dòng)時(shí)，熱量主要沿著纖維方向傳導(dǎo)，并在激光束達(dá)到之前預(yù)熱材料。然而，當(dāng)光束垂直于纖維移動(dòng)時(shí)，熱量在纖維局部塊中傳導(dǎo)，從而加熱基體，激光熱損傷和熱累積也因此增大。因此，通過(guò)分塊掃描算法對(duì)每個(gè)分塊中掃描方向的處理，激光加工的熱累積造成的纖維損傷得到了抑制。所以，分塊掃描算法彌補(bǔ)了材料的定向?qū)嵝?，通過(guò)利用激光與纖維方向同向時(shí)導(dǎo)熱速率更快的性質(zhì)，在每一分塊中將其方向同向化，從而使激光能量受限時(shí)，也能對(duì)表面樹(shù)脂得到有效的清理，同時(shí)也降低了激光熱損傷和熱累積，碳纖維本身不會(huì)受到過(guò)多的損害，保證其自身強(qiáng)度不被破壞。

3 結(jié) 論

針對(duì)民用飛機(jī)蒙皮維修這一應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一種基于CFRP纖維編織網(wǎng)格分塊掃描的激光除膠工藝算法，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在激光能量一定時(shí)，通過(guò)分塊掃描填充算法將加工區(qū)域分塊化，每個(gè)分塊單位時(shí)間累積的熱量得到了提高，增加了表面樹(shù)脂的去除率，纖維交界處的附著樹(shù)脂也得到了有效去除。而在每個(gè)分塊中為了保護(hù)纖維本身不被燒蝕破壞，激光光束的掃描方向與纖維方向保持一致，累積的熱量更易沿著纖維方向傳導(dǎo)散退，而且還會(huì)起到預(yù)熱纖維的作用，保護(hù)了纖維本身，更容易獲得較好的加工質(zhì)量。另一方面，在每一分塊中進(jìn)行多組光柵填充，增大了激光在實(shí)際加工中的掃描間距，減少了加工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和廢氣的影響，使激光更好地作用于材料上，從而獲得更好的工藝效果。