具备光束整形功能的激光头，改善复合材料部件的增材制造

近年来，随着环保及降低燃油消耗的呼声不断高涨，在航空领域的飞机制造中，正在越来越多地使用复合材料。与金属材料相比，在机械强度相同的情况下，复合材料的重量更轻。

空客A350是复合材料应用的一个典型先驱案例。在空客A350飞机中，其中一半以上的主要结构是由复合材料制成的。随之而来的，自然是需要一种高效且可重复的方式，来生产结构复杂的大型复合材料部件。同时，在其他行业，如风力涡轮机叶片制造领域，也在出现类似的生产需求。

自动纤维铺设（AFP）工艺能够满足上述生产要求。法国Cailabs公司根据法国复合材料公司Coriolis Composites的技术规格要求，开发出了一款紧凑型激光加热的纤维铺设头，该铺设头已经集成到了AFP设备中，实现高质量、大型复合材料部件的生产。

AFP是什么？

图1：用于制造弯曲部件的自动化纤维铺设（AFP）设备。

AFP是一种增材制造方式，其通过在模具上连续铺设纤维带，来生产复合材料部件（见图1）。纤维带通过机械臂从卷轴上输送到模具腔或复合材料铺层上，铺层之间有足够的凝结力以确保层间的粘合。在制造过程中，通常需要对纤维带和基材进行加热。有些设备可以同时放置多条纤维带，并且不同的纤维带可以在不同的位置独立切割。

制造复合材料部件的模具有两种：公模和母模。这种自动化纤维铺设的生产方式适用于热固性、热塑性树脂纤维以及干纤维等不同类型的材料。此外，与传统的生产方式相比，这种生产方式不需要高压炉，预浸料纤维直接固化在模具上，干纤维可以通过低压转移的方式注入到树脂内。

与传统技术相比，自动纤维铺设技术拥有明显优势。对于曲率半径不大的曲面，机械臂可以在复杂几何形状的模具上铺设纤维带。此外，自动铺设方法的重复性高，并且还可以优化铺层的长度，减少材料损失。

用激光加热复合材料

对于聚合温度为200°C的热固性树脂，可以用红外灯加热。而对于热塑性树脂，其需要更高的加工温度（300~ 400°C之间），因此红外灯的加热功率是远远不够的。尽管加热温度较高，但热塑性树脂具有可回收和再加工的特性，因此其使用量正在逐步增长。鉴于此，激光就成为了一种加热热塑性树脂带的合适解决方案；激光能以定向方式在选定区域给热塑性树脂加热，在保证加工速度的同时，还能提供足够的功率密度。

对激光束整形不仅可以与加热区域的几何形状相匹配，而且还可以提高层间的粘合质量。事实上，Mazumdar和Hoa的研究表明，激光功率是影响粘合质量的最主要因素，其影响比重大约占到79%。

研发激光纤维铺设头

Cailabs公司专门为Coriolis Composites公司的C-Solo AFP设备开发了一套激光束整形方案（见图2）。CoriolisComposites公司通过设计和制造AFP设备，专门从事复合材料的自动化生产。Cailabs公司开发的激光头，基于多平面光转换（MPLC）技术，将激光束整形为Coriolis Composites公司要求的矩形。矩形光束的能量分布均匀，从长宽两个维度看，都具备类似顶帽的形状。

图2：Coriolis公司的C-solo机械臂，机械臂左边是Cailabs公司研发的纤维铺设头。

除了光束整形功能，激光头还必须满足严格的尺寸和重量要求。激光头模块越紧凑，就越能缩小机械臂的尺寸，从而增加曲面铺层的能力。此外，由于激光头安装在机械臂的移动部件上，因此重量越轻越好。

降低激光头的重量，可以减少机械臂的惯性以实现更精确、更快速的定位。Cailabs公司研发的这款激光头外观非常紧凑，总尺寸为127mm×94mm    ×70mm，重量仅1kg（而这其中还有一半是连接器的重量）。在一些航空应用中，母模通常比公模更受欢迎，而这款紧凑型激光头能与小曲率半径的母模相适配。

激光头在高功率条件下的稳定性得到了验证，冷却系统在3min内使光学元件降到了可接受的稳定温度（见图3）。此外，该光学整形模块景深比较大，超过±15mm。并且在这个景深范围内，整形后的光束形状都是矩形的，类似顶帽形状。甚至在超过景深范围时，形状尺寸的变化幅度也只有±3%。还在不同的工作距离下（长达295mm）进行了高功率测试。

图3：在瞬时工作状态下（激光开启），透镜温度随时间的变化图。

结论

因此，Cailabs公司提供的解决方案符合Coriolis Composites公司C-Solo设备的集成规格。光束整形模块通过LLK-D连接器与Laserline LDM 6000-100半导体激光器（900~1080nm）连接，输出功率达6kW，并与机器的机械接口及其冷却系统集成（见图4）。

图4：光模块安装在C-solo机械臂上，准备进行纤维铺设。

为了使空间更加紧凑，在光束整形模组输出端增加了一个17.5°偏角的厚棱镜，使光束倾斜输出，从而使设备及整形系统更加紧凑。

结构紧凑的激光头模块，可以在2D表面上，在380°C的温度下，以1.2m/s的速度铺设1.5英寸宽的热塑性树脂带，这就为在具有双曲率的凹形或凸形面板上进行复合材料的铺层铺平了道路。激光头模块结构紧凑，占地面积小，可以提供稳定、坚固、灵活和精确的加热过程。整形后的激光强度的均匀性，也确保了复合材料成型的质量，保证各层之间具有更好的粘合力和内聚力。此外，高质量的激光整形也防止了树脂滴漏现象。