複合材料雷射加工發展趨勢

摘要：由於複合材料 (Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP) 重量輕、強度大、可設計性好、耐衝擊及耐腐蝕等優勢，使其廣泛被應用於汽車、航空、航太、綠能等領域，且在使用上隨著時代進步、運動器材的輕量化、風力葉片發電效能的提升、交通運輸工具的節能需求與工業生產設備大型化需求 … 等，均使複合材料結構件朝向大型化與輕量化的趨勢。然而複材產業加工應用技術仍以傳統接觸式刀具加工為主，其中刀具嚴重的磨耗問題及加工參數沒有辦法有效調整的情況下，加工品質容易出現問題，使得廠商常面臨高成本、低良率的問題。近年來，雷射的興起帶來非接觸式加工的熱潮，亦同時為複合材料加工帶來新的發展。透過非接觸式雷射加工玻璃纖維複合材料，可避免接觸式鑽削加工對於材料之脫層影響達到降低粉塵之功效。而材料吸收率對於雷射加工的品質具有很關鍵的影響，針對玻璃纖維材料使用波長 10640 nm是較為適合的波段，但其光路傳遞無法像光纖雷射般便捷，需另外加裝導光臂系統才可搭配機器手臂及CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) 路徑規劃，進行大尺寸三維切割應用，例如運動器材管件切割、車體殼件切割等應用。本文將針對複合材料雷射切割技術、技術發展趨勢進行介紹。
Abstract：With the advantages of light weight, high strength, good designability, impact resistance and corrosion resistance, Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) is widely used in automotive, aviation, aerospace, green energy and other fields. With the progress of the times, the lightweight of sports equipment, the improvement of the power generation efficiency of wind blades, the energy-saving needs of transportation vehicles, and the need for large-scale industrial production equipment, etc., all make CFRP structure parts toward the trend of large-scale and lightweight. However, the processing of CFRP is still dominated by traditional contact tool processing. When the tool is seriously worn and the processing parameters cannot be adjusted effectively, the processing quality is prone to problems.In recent years, the rise of lasers has brought an upsurge in non-contact processing, and at the same time brought new developments in CFRP processing. Through non-contact laser processing of CFRP, the impact of drilling on the delamination of materials can be avoided, and reduce the effect of dust. The material absorptivity has a key influence on the quality of laser processing. For CFRP, the wavelength of 10640 nm is more suitable. However, its transmission is not as convenient as that of fiber lasers. The articulated arms can be used with robotic arms and CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) motionpath planning for large-scale 3D cutting applications, such as sports equipment pipe cutting, auto body cutting and the other applications. This article will introduce the CFRP laser cutting technology and technology development trend.

關鍵詞：雷射切割、複合材料、電腦輔助設計與製造
Keywords：Laser cutting, CFRP, CAD/CAM

前言
根據 Grand View Research 資訊，全球對於複合材料的需求都與日俱增，從汽車產業到航空航太，各國對於省油車輛以及汽車污染防制法規的制訂，在在都推動汽車產業朝向車體輕量化，這無疑對於複合材料產業是一大利多，另外北美及歐洲所發展的航空航太也為該產業注入薪柴。而亞太地區則是運動休閒產業應用的大本營，疫情的延燒致使居家健身及相關運動器材產業蓬勃發展，成為疫情下逆勢而起的產業之一。另 外， 富 士 經 濟 株 式 會 社， 調 查 了 CFRP/CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics) 的全球市場，如圖 1 所示，該市場有望在未來進一步普及，包括替代現有材料、增加應用、降低材料成本以及開發短時間成型加工技術。需求主要集中在航空、風力發電葉片、汽車、運動和休閒用品應用等，預計未來將強勁增長，但汽車應用將特別增加。汽車應用在車殼和結構部件方面的應用將會增加，汽車應用規模將從 2016 年的 955億日圓達到 2030 年的 6,631 億日圓，比 2016 年增長 6.9 倍。另外，航空方面則持續穩定成長，從2016 年的 5,474 億日圓成長至 2030 年的 17,920 億
日圓，漲幅約 3.2 倍。如圖 2 所示。
針對雷射加工而言，根據不同材料種類適用的波長與其所對應的雷射種類皆不盡相同，不同的加工材料種類，選用適合的雷射波長加工，可以獲得較佳的加工效果。針對玻璃纖維複合材料進行雷射加工，玻璃纖維對於不同波段的雷射光吸收效果差異大，如圖 3 所示，分別於波長 1064nm 與 10640 nm 的 波 段 下 進 行 雷 射 加 工。 波 長1064 nm 常用於加工金屬、樹脂、陶瓷，而波長10640 nm 常用於加工紙、樹脂、玻璃、陶瓷等材料，由於波長可被透明體吸收，因此也可用於薄膜的加工。從圖 3 (a) 之加工結果，使用波長 1064nm 的雷射對玻璃纖維複合材料進行加工，由於此波段之波長對透明體，如玻璃而言，吸收效果不佳，因此經雷射切割後，材料並未穿透，縱使加大雷射能量，依然無法切斷此玻璃纖維複合材料。因此更換雷射波長為可被透明體吸收的 10640nm，切割結果如圖 3 (b) 所示，材料可被雷射穿透

進行加工，相較於現今機械銑削加工之成品，

圖 1 PAN 碳纖維複合材料（CFRP/CFRTP）全球市場預測