浙大&重大联合顶刊丨激光辅助原位固结增材制造过程中激光作用机理和行为

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摘要

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近日，浙江大学机械工程学院流体动力与机电系统国家重点实验室/3D打印工艺与装备浙江省重点实验室的傅建中教授团队联合重庆大学机械传动国家重点实验室在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》上发表其最新研究成果“Mechanism and behavior of laser irradiation on carbon fiber reinforced polyetheretherketone (CF/PEEK) during the laser-assisted in-situ consolidation additive manufacturing process”，论文从机械性能、表面质量和结晶度方面研究了激光辅助原位固结增材制造(LCAM)过程中激光照射的机理和行为。

Graphical Abstract

该工作分析了激光功率和运动速度对单根碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）带拉伸和弯曲性能的影响。随着激光功率的增加，力学性能先快速下降，后趋于稳定，拉伸强度和弯曲强度最大衰减分别为70.69%和81.94%。此外，随着激光功率的增加和运动速度的降低，结晶度降低，损伤加剧，导致机械强度急剧衰减。最后观察到树脂挥发变质、局部纤维暴露翘起、纤维断裂烧蚀以及致密杂质粘附等现象，不利于层间粘合质量。

图1. 激光照射过程及实验场景示意图：(a)激光照射原理示意图，(b)激光照射后四种损伤类型示意图，(c)实验装置图。

图 2. 辐照实验中使用的激光光斑：(a) 光斑的 3D 形状和能量分布，(b) 辐照实验中光斑的 2D 形状和有效面积，(c) 光斑的能量分布 (b)中的-a'线及其高斯拟合曲线，以及(d)(b)中的b-b'线的能量分布及其高斯拟合曲线。

图3. 拉伸试验中失效样品的三种失效模式。

该工作研究了在激光移动速度和功率的不同参数组合下，激光照射对单个CF/PEEK胶带的机械性能、表面质量和结晶度的影响。首先分析了激光源的形状和能量分布。然后测试不同参数激光照射后胶带的拉伸和弯曲性能。研究发现，随着激光功率的增加，胶带的拉伸和弯曲强度先下降，然后稳定。同时，激光照射速度的降低加剧了胶带的损坏。不适当的工艺参数会对胶带的机械性能造成毁灭性的损害。当移动速度为20mm/s时，50W功率使胶带的拉伸强度和弯曲强度分别降低了16.6%和49.35%。当功率增加到500 W时，胶带出现全厚度失效，对应的拉伸强度和弯曲强度进一步降低了70.69%和81.94%。此外，激光照射后超过115℃/s的高冷却速率会导致结晶度下降，这与胶带机械性能的变化密切相关。

而且，激光照射对胶带的表面质量也有很大的影响。首先，它会成倍增加胶带的表面粗糙度，从而降低胶带之间的紧密接触程度，最终影响化学键的交联。此外，高功率激光照射还会造成一些缺陷，如树脂蒸发和变质、局部纤维暴露和翘曲、纤维断裂和烧蚀，甚至胶带表面粘有致密的杂质。两者都会极大地影响胶带之间的粘合质量。

来源：增材制造硕博联盟