熱塑碳纖複合材料雷射貼合成型技術

摘要：熱塑性碳纖複合材料具備可回收再利用的特性，在全球節能減碳及綠色環保議題推動下，熱塑性碳纖複合材料 (Thermoplastic composites) 漸漸取代熱固碳纖複合材料而成為產業發展主流。碳纖自動鋪帶為碳纖維複合材料成型術之一，具有生產效率高、自動化與易於數位化設計的優點，可解決手工貼合大尺寸、小曲率零件不穩定、效率低等問題。本文將介紹工研院南分院開發雷射加熱熱塑碳纖複合材料自動貼合成型技術，將雷射光束整形產生均勻能量之加熱源，與可連續貼合碳纖帶之貼合頭應用於碳纖複合材料成型，雷射加熱碳纖複合材料使其軟化，然後經貼合頭連續滾壓進行貼合成型，可避免因裁切碳纖而暫時停止送料而造成對碳纖帶同一區域加熱過久，而造成貼合面加熱不均勻導致碳纖成型後強度降低，此技術提供穩定熱源與連續貼合製程，貼合過程碳纖帶加熱均勻，成型後強度增加，可提供快速生產、節省成本與節能自動化碳纖複合材料成型生產製程。

Abstract：Driven by global energy conservation, carbon reduction and green environmental protection issues,the recyclable thermoplastic carbon fiber composites gradually replace thermosetting carbon fiber composites andbecome the mainstream of industry development. Automatic tape laying (ATL) is one of the molding technologies of carbon fiber composite, it has the advantages of high production efficiency, automation, and easy digital design.It can solve the unstable lay-up and low efficiency problems of manual lamination of large-size small curvature parts. This article will introduce the laser heating thermoplastic carbon fiber composites automatic tape laying technology developed by ITRI Southern Region Campus. The laser beam is shaped to generate a heating source with uniform energy and a head that can continuously laminate carbon fiber tapes are applied to carbon fiber composites molding. The laser heats the carbon fiber tape to melt it, and then the fiber tape is continuously pressedfor lamination. It can avoid heating the same area of carbon fiber tapes for a long time and get overheated dueto the temporary stop of feeing when the cutter cuts carbon fiber tapes. If the heating process is not uniform, thestrength of the carbon fiber will be reduced after molding. This equipment can provide rapid production, costsaving, energy-saving and improve the process stability.solution to the current process cost dilemma.

關鍵詞：碳纖複合材料、自動貼合、雷射加熱
Keywords：Carbon fiber composite materials, Automated lamination, Laser heating

前言
碳纖維複合材料具有質量輕、高結構強度、高耐熱性、耐疲勞強度、耐化學腐蝕性與熱膨脹係數小等優異的特性，因此被廣泛地應用於各種產業，例如航太、無人機、能源、生醫、汽機車、腳踏車等民用交通工具，甚至是運動器材等民生用品，在各國的市場規模也大幅度地逐年成長。碳纖維複合材料是將碳纖維 (carbon fiber) 添加或預浸 (pre-impregnated) 於如樹脂 (resin) 等基材而製成的複合材料，成品通常被製成帶狀或片狀，以便於進行貼合或鋪設於產品表面的製程。

基於材料的不同，碳纖維複合材料可大致上分為熱固性與熱塑性。熱固性料帶可以使用人力或貼合設備進行自動化貼合，貼合後還需要經過熱壓成型的程序，耗時且增加製造成本，此外，熱固性碳纖維複合材料無法回收利用。隨著高功率雷射源技術的成熟發展，熱塑性碳纖維複合材料需要極短時間大幅度升溫的需求得以被滿足 [1-4]，而具有製造上的優勢，且熱塑性碳纖維複合材料可加熱再利用，具備可再回收之特性，因應環保與綠色替代能源之趨勢下，對於熱塑性碳纖維複合材料之需求大增。自動纖維鋪放技術為碳纖維複合材料成型技術之一，主要有自動纖維絲鋪放 (Automated FiberPlacement, AFP) 和自動纖維帶鋪放(Automated Tape Laying, ATL) 技術。自動纖維帶鋪放技術包含碳纖帶傳輸、裁切、定位、鋪疊、滾動壓合，且具有溫度控制的複合材料成型技術，其鋪帶頭按規畫路徑進行碳纖帶鋪放，並使碳纖帶經鋪帶頭傳送、切割、加熱等操作，在滾壓的作用下直接鋪放貼合於模具表面。

自動纖維帶鋪放帶狀熱塑性碳纖帶的貼合是透過一次貼一條的方式逐條地覆蓋產品所預定的表面，且在貼合每條熱塑性碳纖帶的過程中都需要對熱塑性碳纖帶之貼合面進行加熱產生黏性，因此，貼合設備需要配置瞬間能加熱到熱塑碳纖複材軟化雷射加裝置外，還需要配置裁切刀將碳纖帶裁切成適當的長度，如圖 1。然而，裁切刀進刀以裁切碳纖帶的行程需要時間，因此在貼合每條碳纖帶的末端前停止進給，等待裁切刀進刀並切斷該條碳纖帶後才會再繼續進給該條碳纖帶尚未貼合的部分。當停止進給碳纖帶的動作的過程中，加熱裝置仍持續對碳纖帶的短暫停頓區域施加熱能，導致有過度加熱而有燒焦之情況。並且，每條碳纖帶若需要等待進刀時間，隨著產品所需貼合的碳纖帶之條數越多，裁切刀累積的進刀時間將大幅增加整體製程的時間。自動貼合設備應用非常廣泛，使用的材料有高分子材料、複合材料與金屬材料，目前，工研院南分院開發之自動貼合設備可應用於熱固性與熱塑性碳纖複合材料貼合成型，且開發應用於熱塑碳纖帶之自動貼合設備，在貼合過程雷射加熱不需中斷，可改善碳纖帶裁切時因停頓而雷射持續對碳纖帶加熱而造成過熱，或雷射功率與貼合速度無法搭配而造成貼合過程加熱不均等缺點，本文針對熱塑碳纖帶介紹自動貼合與雷射加熱於熱塑性碳纖複合材料成型技術。

雷射自動貼合設備
自動貼合設備可用於複合材料與銅箔貼合，本設備以熱塑碳纖帶貼合為例。熱塑碳纖帶自動貼合技術，可在複雜的幾何形狀進行高效率之生產作業。這個技術在製程中可自動鋪陳碳纖維帶，並且透過雷射在碳纖維帶進行加熱貼合，同時，滾壓輪施加壓力使碳纖維布進行加熱貼合的作用。