01
Introducción
Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) consisten en una resina que actúa como material de la fase de matriz y fibras de carbono que actúan como material de la fase de refuerzo. Al combinar las propiedades del material tanto de la matriz de resina como del refuerzo de fibra de carbono, el CFRP exhibe características como peso ligero, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste y alta dureza. En consecuencia, se utiliza ampliamente en campos con fuertes demandas de aligeramiento estructural-como el aeroespacial, la industria automotriz, la construcción naval, la generación de energía eólica y la ingeniería civil. Los principales métodos de fabricación de materiales CFRP incluyen el moldeo por transferencia de resina (RTM), el moldeo en autoclave, el moldeo en bolsas de vacío y el bobinado de filamentos; Estos métodos permiten que se produzcan estructuras de CFRP mediante un procesamiento de formas casi-netas-. Sin embargo, en aplicaciones industriales prácticas, normalmente se requiere un procesamiento secundario de CFRP para lograr la geometría deseada de la pieza-incluidas características como orificios, ranuras y ranuras de ensamblaje-y para cumplir con la precisión dimensional y las tolerancias de forma especificadas en el diseño de la pieza. Debido a las importantes disparidades en las propiedades térmicas y mecánicas entre las fibras de carbono de refuerzo y la resina de matriz dentro del CFRP, este procesamiento secundario presenta desafíos considerables y es propenso a varios defectos, lo que a menudo resulta en una calidad de procesamiento comprometida. Por lo tanto, para satisfacer los requisitos dimensionales y de rendimiento de los componentes finales, es de suma importancia investigar tecnologías de procesamiento para materiales CFRP y explorar métodos de procesamiento de alta-calidad y alta-eficiencia.
02
Mecanismos de eliminación de material en el procesamiento por láser
Con la aparición de materiales de ingeniería avanzada que poseen propiedades físicas complejas-como los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP)-la competitividad del mecanizado mecánico tradicional, el mecanizado por chorro de agua y el mecanizado por descarga eléctrica ha disminuido gradualmente. En el procesamiento láser, la eliminación de material implica fundamentalmente la absorción, respuesta y transferencia de energía láser dentro del material. Durante este proceso, el láser irradia la superficie del material y los electrones absorben la energía del fotón. Posteriormente, la transferencia de energía se produce a través de colisiones de red de electrones-, lo que resulta en un aumento de la temperatura de la red y una disminución de la temperatura de los electrones hasta que se establece el equilibrio térmico entre los electrones y la red. Sin embargo, debido a que la temperatura de sublimación de las fibras de carbono (~3600 K) es aproximadamente cinco veces mayor que la de la matriz de resina (~800 K), el aporte de energía requerido para eliminar las fibras de carbono es significativamente mayor que el requerido para la resina. Además, debido a la conductividad térmica anisotrópica de las fibras de carbono, el calor generado durante el proceso de sublimación de la fibra de carbono se propaga preferentemente hacia la matriz de resina, lo que provoca la descomposición de la resina y la formación de sustancias nocivas. Los investigadores han propuesto un mecanismo de eliminación-de dos etapas para el CFRP: pirólisis-inducida por láser y exfoliación termomecánica. El plasma generado durante la etapa inicial de ablación del material absorbe calor y produce ondas de choque térmicas direccionales. Las fibras de carbono expuestas durante el procesamiento están sujetas a fuerzas de corte radiales, lo que resulta en una fractura frágil y desprendimiento del material.
Cuando la duración del pulso del láser cae por debajo de 10 ps, la duración del pulso se vuelve más corta que el tiempo de relajación de la red de electrones-, lo que hace que el mecanismo de eliminación de material se aparte de la ablación térmica tradicional. El mecanismo de procesamiento se ilustra en la Figura 2: el material de resina exhibe una conductividad eléctrica deficiente y un número limitado de electrones libres, con una banda prohibida de energía de 2 a 4 eV; por el contrario, la fibra de carbono posee una buena conductividad eléctrica y contiene una cierta cantidad de electrones libres. Durante la irradiación láser, los electrones libres dentro de la fibra de carbono absorben directamente la energía del láser, lo que provoca un aumento de la temperatura del sistema de electrones. Cuando la energía de un solo fotón es menor que la banda prohibida de la resina, se generan electrones libres mediante el mecanismo de ionización multifotónica (MPI), como se muestra en la Figura 2 (b). Cuando la energía de un solo fotón excede la banda prohibida, la ionización-de un solo fotón domina el mecanismo de excitación de electrones. Los electrones libres generados chocan con los electrones unidos, transfiriendo energía mediante ionización por impacto; esto desencadena la ionización de avalancha-como se muestra en la Figura 2(c)-que aumenta significativamente la densidad de electrones libres. Durante la fase de irradiación con láser de pulso ultracorto-, la temperatura de la red cambia lentamente debido a la inercia térmica, mientras que la temperatura del sistema de electrones aumenta rápidamente. Las transiciones de fase involucradas incluyen transiciones de fase térmicas y no-térmicas. Si la energía del fotón láser es suficientemente alta, los electrones absorben suficiente energía para superar las fuerzas de unión de Coulomb de los núcleos atómicos, lo que lleva a la ionización térmica y deja una gran cantidad de iones positivos. Estos iones positivos se repelen entre sí debido a las fuerzas de Coulomb, lo que resulta en una "explosión de Coulomb" y una ablación electrostática-un proceso conocido como "ablación en frío"-como se muestra en la Figura 2(d). A medida que la dispersión de energía de la red de electrones- ocurre continuamente, la temperatura de la red aumenta gradualmente y tiene lugar la conducción de calor entre la fibra de carbono y la resina, como se ilustra en la Figura 2 (e). En consecuencia, cuando la temperatura excede un cierto umbral, se producen transiciones de fase térmica-como la vaporización y la explosión de fase-, lo que genera un plasma de alta-temperatura, alta-presión y alta-densidad que se expulsa de la superficie, transportando el calor y procesando los desechos.
Los defectos dentro de la zona afectada por el calor-(HAZ) se refieren a regiones dentro del CFRP donde se producen cambios de propiedades localizados como resultado de las interacciones del láser-material, así como de la heterogeneidad y anisotropía inherentes del material. Estos cambios abarcan la evaporación no-uniforme y la degradación térmica de la resina de la matriz, así como la exposición de las fibras de carbono. Un rayo láser gaussiano genera una distribución espacial de energía no-uniforme y los efectos de difusión térmica hacen que el material CFRP se caliente en las proximidades de la zona de procesamiento. En esta región específica, la energía térmica excede el umbral requerido para la descomposición de la matriz de resina pero permanece por debajo del umbral requerido para la eliminación de las fibras de carbono. Esto conduce a un deterioro de las propiedades de la resina y a la exposición localizada de las fibras de carbono. Dentro de esta zona, la conducción de calor calienta tanto la resina como las fibras de carbono. Debido a la disparidad significativa entre las temperaturas de evaporación de la resina y las fibras de carbono, la resina en esta región se evapora mientras que las fibras de carbono no logran alcanzar su temperatura de evaporación, lo que resulta en la exposición de las fibras de carbono.
