01
מָבוֹא
פולימרים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP) מורכבים משרף הפועל כחומר שלב המטריצה וסיבי פחמן המשמשים כחומר שלב החיזוק. על ידי שילוב תכונות החומר הן של מטריצת השרף והן של חיזוק סיבי הפחמן, CFRP מציג מאפיינים כגון משקל קל, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני שחיקה וקשיות גבוהה. כתוצאה מכך, הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומים עם דרישות חזקות למשקל קל מבני-כגון תעופה וחלל, תעשיית הרכב, בניית ספינות ימית, ייצור כוח רוח והנדסה אזרחית. שיטות הייצור העיקריות של חומרי CFRP כוללות יציקת שרף (RTM), יציקת אוטוקלאב, יציקת שקיות ואקום וסיפוף נימה; שיטות אלו מאפשרות לייצר מבני CFRP באמצעות עיבוד צורה כמעט-נטו-. עם זאת, ביישומים תעשייתיים מעשיים, נדרש בדרך כלל עיבוד משני של CFRP כדי להשיג את הגיאומטריה הרצויה של החלק-כולל תכונות כגון חורים, חריצים וחריצי הרכבה-וכדי לעמוד ברמת הדיוק הממדית ובסובלנות הצורה שצוינו בתכנון החלק. בשל הפערים המשמעותיים במאפיינים התרמיים והמכאניים בין סיבי הפחמן החיזוקים לשרף המטריצה בתוך CFRP, עיבוד משני זה מציב אתגרים ניכרים ונוטה לפגמים שונים, שגורמים לרוב לפגיעה באיכות העיבוד. לכן, כדי לעמוד בדרישות הממדים והביצועים של הרכיבים הסופיים, ישנה חשיבות עליונה לחקור טכנולוגיות עיבוד לחומרי CFRP ולחקור שיטות עיבוד-איכותיות ויעילות-גבוהות.
02
מנגנוני הסרת חומרים בעיבוד לייזר
עם הופעתם של חומרים הנדסיים מתקדמים בעלי תכונות פיזיקליות מורכבות-כגון פולימרים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP)-התחרותיות של עיבוד מכני מסורתי, עיבוד שבבי סילון מים ועיבוד שבבי פריקה חשמלי פחתה בהדרגה. בעיבוד לייזר, הסרת חומר כרוכה ביסודה בספיגה, תגובה והעברת אנרגיית לייזר בתוך החומר. במהלך תהליך זה, הלייזר מקרין את פני החומר, ואלקטרונים סופגים את אנרגיית הפוטון. לאחר מכן, העברת אנרגיה מתרחשת באמצעות התנגשויות סריג אלקטרוני-, וכתוצאה מכך עלייה בטמפרטורת הסריג וירידה בטמפרטורת האלקטרונים עד שנוצר שיווי משקל תרמי בין האלקטרונים לסריג. עם זאת, מכיוון שטמפרטורת הסובלימציה של סיבי פחמן (~3600 K) היא בערך פי חמישה מזו של מטריצת השרף (~800 K), צריכת האנרגיה הנדרשת להסרת סיבי הפחמן גדולה משמעותית מזו הנדרשת עבור השרף. יתר על כן, בשל המוליכות התרמית האניזוטרופית של סיבי פחמן, החום הנוצר במהלך תהליך הסובלימציה של סיבי פחמן מתפשט באופן מועדף לתוך מטריצת השרף, מה שמוביל לפירוק שרף ולהיווצרות חומרים מזיקים. חוקרים הציעו מנגנון הסרה של CFRP דו-שלבי{{11}: פירוליזה-מושרה בלייזר וקילוף תרמו-מכני. הפלזמה שנוצרת בשלב הראשוני של אבלציה של החומר סופגת חום ומייצרת גלי הלם תרמיים כיווניים. סיבי הפחמן שנחשפים במהלך העיבוד נתונים לכוחות גזירה רדיאליים, וכתוצאה מכך שבר שביר וניתוק חומרים.
כאשר משך פעימות הלייזר יורד מתחת ל-10 ps, משך הפולס הופך לקצר יותר מזמן הרפיית הסריג האלקטרונים, מה שגורם למנגנון הסרת החומר לסטות מהאבלציה התרמית המסורתית. מנגנון העיבוד מודגם באיור 2: חומר השרף מפגין מוליכות חשמלית ירודה ומספר מוגבל של אלקטרונים חופשיים, עם מרווח פס אנרגיה של 2-4 eV; לעומת זאת, לסיבי הפחמן יש מוליכות חשמלית טובה ומכילים כמות מסוימת של אלקטרונים חופשיים. במהלך הקרנת לייזר, אלקטרונים חופשיים בתוך סיבי הפחמן סופגים ישירות את אנרגיית הלייזר, וכתוצאה מכך לעלייה בטמפרטורה של מערכת האלקטרונים. כאשר האנרגיה של פוטון בודד נמוכה מפער הפס של השרף, אלקטרונים חופשיים נוצרים באמצעות מנגנון יינון רב-פוטונים (MPI), כפי שמוצג באיור 2(ב). כאשר האנרגיה של פוטון בודד חורגת מפער הפס, יינון פוטון בודד שולט במנגנון עירור האלקטרונים. האלקטרונים החופשיים שנוצרו מתנגשים באלקטרונים קשורים, ומעבירים אנרגיה באמצעות יינון השפעה; זה מפעיל יינון מפולת שלגים-כמתואר באיור 2(ג)-מה שמגדיל באופן משמעותי את צפיפות האלקטרונים החופשיים. במהלך שלב הקרנת הלייזר האולטרה-קצר-, טמפרטורת הסריג משתנה באיטיות עקב אינרציה תרמית, בעוד הטמפרטורה של מערכת האלקטרונים עולה במהירות. מעברי פאזה המעורבים כוללים מעברי פאזה לא-תרמיים וגם תרמיים. אם אנרגיית הפוטון של הלייזר גבוהה מספיק, האלקטרונים סופגים מספיק אנרגיה כדי להתגבר על כוחות הקישור של קולומב של גרעיני האטום, מה שמוביל ליינון תרמי ומשאיר מאחוריהם מספר רב של יונים חיוביים. יונים חיוביים אלו דוחים זה את זה בגלל כוחות קולומב, וכתוצאה מכך "פיצוץ קולומב" ואבלציה אלקטרוסטטית-תהליך המכונה "אבלציה קרה"-כמתואר באיור 2(ד). כאשר פיזור אנרגיית הסריג האלקטרוני- מתרחש ברציפות, טמפרטורת הסריג עולה בהדרגה, ומתרחשת הולכת חום בין סיבי הפחמן לשרף, כפי שמוצג באיור 2(ה). כתוצאה מכך, כאשר הטמפרטורה עולה על סף מסוים, מתרחשים מעברי פאזה תרמיים-כגון אידוי ופיצוץ פאזה-, שיוצרים פלזמה-גבוהה,-לחץ גבוה וצפיפות-גבוהה שנפלטת מהמשטח, נושאת חום ועיבוד.
פגמים בתוך אזור -השפעת החום (HAZ) מתייחסים לאזורים בתוך ה-CFRP שבהם מתרחשים שינויים במאפיינים מקומיים כתוצאה מאינטראקציות לייזר- עם חומרים, כמו גם ההטרוגניות והאניזוטרופיה המובנית של החומר. שינויים אלה כוללים אידוי-לא אחיד ופירוק תרמי של שרף המטריצה, כמו גם חשיפת סיבי הפחמן. קרן לייזר גאוס מייצרת חלוקת אנרגיה מרחבית לא אחידה, והשפעות של דיפוזיה תרמית גורמות לחומר ה-CFRP להתחמם בקרבת אזור העיבוד. באזור ספציפי זה, האנרגיה התרמית עולה על הסף הנדרש לפירוק מטריצת השרף אך נשארת מתחת לסף הנדרש להסרת סיבי הפחמן. זה מוביל להידרדרות של תכונות השרף ולחשיפה מקומית של סיבי הפחמן. בתוך אזור זה, הולכת חום מחממת גם את השרף וגם את סיבי הפחמן. בשל הפער המשמעותי בין טמפרטורות האידוי של השרף וסיבי הפחמן, השרף באזור זה מתאדה בעוד שסיבי הפחמן אינם מצליחים להגיע לטמפרטורת האידוי שלהם, וכתוצאה מכך חשיפת סיבי הפחמן.
