What can lasers do with composite fibers? Cutting, Marking and Drilling

Lasers with composite fibers

Composites are materials created in the laboratory to obtain a product with superior properties. Most of these called "composite fibers" can be processed with the laser to perform operations such as cutting, marking and drilling.

 

What are Composite Fibers

Composite materials are formed by combining two or more materials with different properties to create a new material that will have properties superior to those of its individual components.

Generally a fiber is added to a matrix material. An example of this is the composite of carbon fiber and epoxy resin in which the former is incorporated into the latter.

 

Carbon fiber is strong but not rigid enough while epoxy resin lacks strength, but the sum of these two elements produces a composite material that is both light and strong at the same time.

 

Another example in this sense is a composite fiber that may have the unique property of being very rigid in one direction and extremely flexible in another direction.

 

The main types of composite materials that can be laser processed include composites:

 

fiber-reinforced polymers (FRP),

metal matrix (MMC),

ceramic matrix (CMC).

Even within the same class of composites, the characteristics can vary considerably. Designers can vary the quantity, shape, size and orientation of the second materials.

Lasers allow you to work with these composites and, among other things, offer an excellent option with respect to how to cut carbon fiber or cut glass fiber.

 

Carbon fiber composite materials

Laser processing of composite fibers

Due to their design, the structure of most composites is less uniform than elements such as plastics, metals, metal alloys and ceramics.

This uneven structure makes composites more prone to damage during processing than homogeneous materials.

 

Delamination, fiber extraction, die chipping, heat damage and tool wear are generally major concerns when machining composites with conventional machining processes.

 

These challenges led manufacturers to look for ways to process composites cost-effectively without damaging them in the process, and the laser proved to be the ideal solution

 

Ceramic composite materials

The Laser as a solution

Nowadays, various laser sources are used for laser cutting, perforation and marking of composites, including fiber lasers, CO2 and ultrafast pulse lasers.

Each material has unique characteristics that affect the way the laser beam interacts with it and consequently the final result.

uv laser | green laser | Ultraviolet lasers | uv dpss laser | nanosecond laser | UV laser source | Solid State Lasers 

In the case of composites, the three main laser processes that can be carried out are the following:

 

Laser cutting of composites. The cutting of carbon fiber or other composite materials can be carried out by setting the machinery to the appropriate wavelength. With sufficient power the laser will not only heat the material until it vaporises, but will allow you to make a clean and precise cut, leaving behind a smooth and clean edge. For organic composites, a CO2 laser with a 10.6 micron wavelength can be used, while for metal composites, laser cutting can be performed with a fiber laser with a 1 micron wavelength.

Verbundlasergravur und -markierung. Der CO2-Laser kann verwendet werden, um einen Oberflächenteil von Verbundmaterialien erfolgreich zu entfernen und so einen sichtbaren Einschnitt zu erzeugen, der es Ihnen ermöglicht, Muster und Bilder auf das Material zu zeichnen oder Informationen darauf zu gravieren.

Laserbohren. Um Operationen wie Bohren, Schneiden und Gravieren durchzuführen, kann die Laserleistung zwischen 25 und 1500 Watt im Fall von Verbundwerkstoffen mit organischer Matrix wie Laminaten und zwischen 40 und 50 Watt im Fall von Verbundwerkstoffen mit Metallmatrix betragen. Im ersten Fall werden CO2-Laser bevorzugt, im zweiten Fall wird die Wahl auf Faserlaser fallen.

Lesen Sie für weitere Informationen: Vom C02-Laser bis zum Faserlaser entdecken wir die beliebtesten Lasertypen

 

Kohlefaser-Objekt

Vorteile der Laserbearbeitung von Verbundwerkstoffen

Präzision des Schnitts. Ein Beispiel ist das Laserschneiden von Kohlefaser, das äußerst präzise ist und Schäden an den Kanten des Elements im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Schneiden minimiert. Darüber hinaus ist nach Abschluss des Laserschneidens keine weitere Bearbeitung erforderlich.

Kein Werkzeugverschleiß. Herkömmliche Verbundwerkstoff-Bearbeitungsverfahren erzeugen einen hohen Werkzeugverschleiß und diese sind mit sehr hohen Kosten verbunden. Für einige Anwendungen wie Schneiden und Gravieren ist ein berührungsloses Materialabtragsverfahren wie das Lasermarkieren eine interessante und wirtschaftliche Alternative.

Das Material wird nicht beschädigt. Die Bearbeitung erfolgt ohne jeglichen Kontakt zwischen Laser und Material und somit wird jegliches Beschädigungsrisiko vermieden.

Maximale Flexibilität. Der Laser kann so eingerichtet werden, dass er verschiedene Operationen durchführt, wie z. B. präzises Laserschneiden, Markieren und Bohren. Dies demonstriert die extreme Flexibilität dieser Technologie, die auf eine große Vielfalt von Verbundfasern angewendet werden kann.

Anwendungsgebiete

Laser sind eine mehr als vielversprechende Technologie für die Herstellung und Bearbeitung von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, während die weit verbreitete Verwendung von fortschrittlichen Polymerverbundwerkstoffen in dieser Branche zu einem zunehmenden Einsatz in anderen Branchen führt, insbesondere in der Automobilindustrie. , wo Gewichtsreduktion von zunehmender Bedeutung ist.

Verbundwerkstoffe sind von Natur aus inhomogen, daher ändern sich ihre physikalischen Eigenschaften auf sehr kleinen Flächen erheblich. Bei kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), dem am weitesten verbreiteten Verbundwerkstoff, unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften von Faser und Matrix enorm, da Kohlenstofffasern alle Wellenlängen des Lichts sehr effizient absorbieren und Wärme sehr schnell leiten Epoxidmatrix absorbiert und leitet viel weniger gut.

 

Der Druck der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Transportindustrie verschiebt die Verbundstoffindustrie in Richtung der Herstellung thermoplastischer Verbundwerkstoffe, und die Aussichten in diesem Bereich für Laser sind sogar noch besser, da sie bereits zur Konsolidierung von Materialien eingesetzt werden.