基于CFRP纖維編織網(wǎng)格分塊掃描的激光除膠工藝算法

朱小偉，胡 龍，楊文鋒，孫兵濤，李紹龍，曹 宇*

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

引 言

碳纖維復(fù)合增強材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)一般由碳纖維與樹脂溶膠混合后經(jīng)過固化，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)合增強材料具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好、高比強度、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，大型民用客機使用CFRP材料占比已經(jīng)達(dá)到50%以上[2-4]。然而，針對異物沖擊、鳥類撞擊或雷擊、地面事故等造成的CFRP結(jié)構(gòu)破損，如何實現(xiàn)高性能、高效的粘接修補是當(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粘接修補時，如果對表面的樹脂溶膠不進行除膠處理直接進行粘接，會導(dǎo)致粘接頭力學(xué)性能和粘接強度大幅度降低。傳統(tǒng)的機械打磨除膠方式無可避免會造成底下碳纖維鋪層的損傷而直接影響粘接結(jié)構(gòu)整體強度[7-8]。激光是非接觸無應(yīng)力加工，加工精度高，理論上可以實現(xiàn)碳纖維鋪層表面的無損除膠，這使激光成為了CFRP修補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)分子激光輻射對碳纖維布進行表面預(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度。而FISCHER等人[14]認(rèn)為，通過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接頭強度的一種較好選擇。

目前，針對于CFRP修補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)性能與樹脂之間具有顯著的差異，在激光加工過程中容易出現(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，通過優(yōu)化路徑來均衡溫度場，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，加工產(chǎn)生的熱量會沿著纖維方向傳導(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，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，提出并實現(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

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。在每一層上再進行分塊掃描處理，在分塊掃描時，需要考慮纖維紋理編織方向的特點，生成與纖維紋理相匹配的網(wǎng)格塊，在每個網(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)來設(shè)計的。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)。每層的碳纖維交錯地編織在一起，再由環(huán)氧樹脂材料粘接在一起，形成一層纖維/樹脂復(fù)合層，多層的纖維/樹脂復(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單四邊形輪廓的表面燒蝕除膠為例，計算其網(wǎng)格分塊的掃描填充路徑來說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 通過遍歷外輪廓頂點的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)格的長度α和寬度β等參量，在行方向上，以xmin為起始值，xmax為終點值，α為步長，生成1維數(shù)組Ni，此時:

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)格的個數(shù)。同理，在列方向上，以ymin為起始值，ymax為終點值，β為步長，生成1維數(shù)組Nj，此時：

j=

(2)

利用Ni和Nj計算出網(wǎng)格點的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與外輪廓邊進行多邊形的布爾求交運算(見圖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)過布爾求交運算后的分塊網(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 針對每一離散子網(wǎng)格區(qū)域，求取內(nèi)部掃描填充路徑。對于內(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，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，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)時空行程距離，也大大減少了激光器的開關(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)量來進行優(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1的掃描線為第1組，標(biāo)號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，對掃描線進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雙端隊列，記為一個連續(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，對連續(xù)化掃描線組依次遍歷，當(dāng)組數(shù)n為奇數(shù)時，該連續(xù)化掃描線組將路徑數(shù)據(jù)從隊列左端彈出；當(dāng)組數(shù)n為偶數(shù)時，該連續(xù)化掃描線組將路徑數(shù)據(jù)從隊列右端彈出，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

通過改進光柵式填充算法，將掃描線分成n組，將初始為spacing的掃描間距在實際加工過程中變成n個spacing，而在激光加工CFRP時，通過增大一定的掃描間距的激光掃描方式，可以消除加工過程中產(chǎn)生的粉塵和廢氣對激光的屏蔽作用，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，獲得每個分塊內(nèi)部掃描填充路徑。而通過不同的分塊網(wǎng)格路徑加載策略，可以改變實際加工時各分塊網(wǎng)格的加工順序，例如間隔的加載順序有利于熱量擴散，減少加工過程中的熱累積效應(yīng)。

2 工藝驗證

本文中算法主要是針對碳纖維復(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。為了驗證算法的實際加工效果，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位的計算機環(huán)境下進行試驗，得到表1所示結(jié)果。測試時，輸入為輪廓點坐標(biāo)，輸出為規(guī)劃好的掃描填充路徑。從實驗結(jié)果可以看出，算法耗時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進行加工測試，該設(shè)備配備了一臺輸出波長1064nm、平均功率30W、光斑聚焦直徑50μm的光纖激光器，實驗加工設(shè)備平臺如圖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9Pin的機器人通信接口、一個14Pin的激光器通信接口、一個8Pin的振鏡通信接口。同時，該控制系統(tǒng)與計算機上位機通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

Fig.7 The picture of experimental platform

Table 2 The parameters of laser processing

得到實驗加工效果如圖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脂塊，樹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脂殘留，纖維上還有一些微小的樹脂顆粒，圖8e中展示了縱向纖維交界處的樹脂殘留。根據(jù)圖8c和圖8e中樹脂燒蝕的邊緣形狀，其樹脂殘留的邊緣缺口指向都是平行于纖維方向，這也進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脂塊的殘留，樹脂得到了有效去除，只有在纖維上分布著少量的樹脂顆粒，纖維在樹脂去除程度提高的情況下，纖維沒有明顯的破損損壞，只有較少的纖維斷裂，碳纖維本身得到了較好的保護。

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，通過分塊掃描工藝算法，將整塊加工區(qū)域分塊化，在每個分塊中進行單獨掃描，每個分塊中的單位時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)氧樹脂能夠有效的燒蝕去除。而為了保證增加的熱量不會對纖維本身造成熱損傷，在每個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時，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時，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，通過分塊掃描算法對每個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，分塊掃描算法彌補了材料的定向?qū)嵝?，通過利用激光與纖維方向同向時導(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，也能對表面樹脂得到有效的清理，同時也降低了激光熱損傷和熱累積，碳纖維本身不會受到過多的損害，保證其自身強度不被破壞。

3 結(jié) 論

針對民用飛機蒙皮維修這一應(yīng)用場景，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，并進行了理論分析和實驗驗證。在激光能量一定時，通過分塊掃描填充算法將加工區(qū)域分塊化，每個分塊單位時間累積的熱量得到了提高，增加了表面樹脂的去除率，纖維交界處的附著樹脂也得到了有效去除。而在每個分塊中為了保護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，而且還會起到預(yù)熱纖維的作用，保護了纖維本身，更容易獲得較好的加工質(zhì)量。另一方面，在每一分塊中進行多組光柵填充，增大了激光在實際加工中的掃描間距，減少了加工過程中產(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。