《COMPOSITE STRUCTURES》：Modulus control cutting of CFRPs prepreg laminates by thermo-field modulation
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本研究提出模量控制切割（MCC）方法，通过激光加热和强制对流冷却调控碳纤维增强预浸料层压板（CPL）的树脂模量分布，有效降低切割力，扩展超声波切割进给范围，同时保持加工质量。实验分析了不同纤维方向（0°、45°、90°）的切割效果，验证了MCC在提升效率和质量方面的可行性。
屈忠月|冯平发|王宇天|徐杰|马源|尚凯峰|王建建|冯峰
清华大学深圳国际研究生院智能仪器与设备系，中国深圳518055
摘要
碳纤维增强聚合物（CFRP）预浸料层压板（CPL）的加工是现代航空航天工程中复合结构制造的关键技术。尽管使用锋利工具进行超声切割可以有效去除材料，但可应用的加工参数受到机械载荷和加工过程中热分布的显著限制。本研究探讨了通过引入外部热源和边界来调节CPL中未固化树脂的模量分布的方法，从而实现更高效的切割。从理论角度来看，基于Winkler基础梁模型开发了一种温度依赖的载荷预测方法。实验上，通过集中加热、增强对流表面冷却以及结合提出的模量控制切割（MCC）概念的混合方法进行了切割试验。结果表明，MCC能够有效地将CPL的模量变化限制在特定区域内，显著降低了切割力，同时不牺牲加工质量，并扩大了超声切割的可行进给速度范围。主要实验对象是纤维方向垂直于进给方向（即90度方向）的单向CPL层压板，这是与最大切割载荷相关的配置；同时也讨论了其他纤维方向（包括0度和45度方向）的比较结果。本研究为考虑温度影响的CPL制造提供了一种理论分析方法，并提出了一种基于温度控制的超声振动切割方法。
引言
在制造大型碳纤维增强聚合物（CFRP）部件的过程中，共固化是一种高效的制造技术，即先形成多个未固化部件，然后组装后再进行最终固化。因此，未固化工件的成形精度和表面质量面临挑战，这直接关系到固化组件的质量。将未固化的碳纤维预浸料制成成型中间体（即预制品）已成为先进复合材料制造中的关键技术挑战。通常有两种主要的成形方法：（i）自动铺设法和（ii）切割分层CFRP预浸料层压板（CPL）。在铺设技术中，单层预浸料或纤维束被精确放置在指定位置并通过滚压压实；而切割技术则用于分离单层材料。工件轮廓的精度受到纤维束宽度的限制，只能形成由直线段组成的直线或规则锯齿状边缘[1]。使用层压板切割方法时，切割形状的精度和加工速度完全受限于锋利的切割工具，虽然加工效率较高，但会产生一定材料浪费。然而，树脂的柔韧性和纤维的高强度在切割过程中带来了矛盾的需求，这对CPL的加工构成了重大挑战[2]。本研究重点关注CPL切割技术的建模和改进。
鉴于共固化工艺目前正迅速普及，关于CPL加工的研究主要集中在多效应头切割设备和轨迹自动生成设备等设备的设计上[3]。在切割技术方面，普遍认为需要高应变率的方法来实现材料分离，其中最有效的工业技术是超声振动切割[4]，其原理是高频（>16 kHz）振动切割使切割工具与工件之间产生间歇性接触，从而快速裂纹扩展、降低残余应力并高效去除材料[5][6]。
使用超声切割时，效率和质量受温度、速度和输入切割能量的影响[7]。Song[8]指出，CPL的切割速度必须保持在最佳范围内——过低会导致热量积聚和树脂软化，过高则会使切割力超过加工能力。关于锋利工具切割，Dong[9]率先研究了工具姿态和进给参数对加工性能的影响。锋利切割工具的关键姿态参数包括倾斜角、俯仰角和旋转角，参考了用于纸基蜂窝结构加工的现有方法[10][11][12]。该研究的一个代表性发现表明，增加超声振幅可以降低切割力，但同时会增加步高变化，从而可能影响表面质量。Wei[13]采用高速单点飞切法评估了CPL的加工性能，特别是研究了切割力与切割速度和纤维方向等参数之间的关系。研究表明，最大切割力出现在纤维方向为30/150度时。总体而言，CPL加工的研究仍然较为分散，常常采用金属/固化复合材料的方法，而没有充分利用纤维/未固化树脂的特性。现有的关于机制和表面完整性的研究主要集中在超声辅助和纤维方向上，缺乏提高效率和质量的新技术。
必须考虑CPL独特的加工特性，特别是树脂和纤维行为之间的差异。未固化树脂是一种低强度的粘弹性材料，而碳纤维则坚硬且易碎[14][15]。在不同温度下，碳纤维的性能保持稳定，但未固化树脂的模量高度依赖于温度，随温度升高而显著降低[16]。因此，局部加热可以降低树脂模量和切割力，但会减弱纤维的支撑作用；相反，冷却则会增强纤维的固定效果，但会增加切割负荷。这种机械支撑与切割负荷之间的权衡受温度分布（即树脂模量的空间变化）的控制，是主要的限制因素。理解这一点对于利用模量分布来平衡效率和质量至关重要。一种可行的策略是在切割区域进行局部加热以降低局部树脂模量和切割力，而在较大面积上进行冷却则可以增强基体的整体强度和支撑作用。工作原理和框架如图1所示。
温度场辅助加工是复合材料制造中一种成熟的方法。深度低温处理（DCP）可以在热塑性塑料的软树脂切割中保持高树脂模量[17][18]，而激光辅助技术则可以在陶瓷基复合材料中诱导局部软化[19][20]。据我们所知，目前尚无研究通过定制的热调节同时创建一个有限宽度的可加工区域（软化区）和一个周围的增强固定区域（硬化区）以实现高性能加工。这种差距可能是因为大多数材料对这种双模式修改反应不佳。然而，CPL中未固化树脂的强温度-模量相关性使其成为可能。
本研究探讨了超声切割区域内温度场分布对切割力和纤维变形的内在机制，并提出了一种基于激光热源和增强对流冷却的模量控制切割方法。该方法旨在降低切割力同时确保加工质量。进一步讨论了该方法在超声切割中的效果、适用性和实际价值。
方法
本节介绍了CPL切割的研究方法，包括温度场分析、温度依赖的载荷分析以及实验验证，从而建立了模量控制切割（MCC）的理论可行路径。2.1材料属性和2.2热模拟展示了树脂的温度相关参数以及切割过程中的温度分布的有限元模拟。2.3节分析了纤维变形和加工过程。
结果
如图7所示，展示了不同切割方法得到的CPL表面状况。可以看出，采用传统超声切割、冷却辅助切割和MCC（特征为激光-冷却协同切割）处理的CPL表面完整性相对较好，而采用激光辅助超声切割的CPL表面质量较差。原因是激光加热扩大了树脂的软化区域。
结论
本研究主要探讨了在温度场影响下的CPL超声振动切割，分析了可控温度相关树脂模量对切割负荷的影响，并通过实验比较了温度场辅助超声振动切割获得的切割负荷和加工质量。提出了一种基于模量控制的新加工方法。主要结论如下：
•CPL的树脂模量具有显著的温度依赖性
未引用参考文献
[30]。
CRediT作者贡献声明
屈忠月：撰写——初稿、方法论、数据整理。冯平发：撰写——审稿与编辑、监督、研究。王宇天：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。徐杰：撰写——审稿与编辑、可视化、研究。马源：撰写——审稿与编辑、研究。尚凯峰：撰写——审稿与编辑、方法论。王建建：撰写——审稿与编辑、监督。冯峰：撰写——审稿与编辑、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
