作為被動安全系統的一部分,汽車安全氣囊對提高乘客安全性起到了非常重要的作用。這些各式各樣的安全氣囊需要高效靈活的加工解決方案。
在汽車內飾中,有一些織物的切割在傳統上一般采用機械模切的方式,如汽車地毯、汽車座墊 和安全氣囊織物。激光切割在金屬加工領域得到了廣泛的應用。如今,這種高效的加工工藝已經逐漸應用到汽車織物如安全氣囊的切割加工中。
激光切割系統與機械式模切系統相比具有較明顯的優勢。首先,激光系統不采用切割模具,這不僅節省了模具本身的成本,還不會出現因模具制造而導致的生產計劃的延誤。另外,機械模切系統還存在許多自身的局限性,這源于其通過切割工具與材料之間的接觸進行加工的特性。與機械模切的接觸式加工方式不同的是,激光切割通過聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面,使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。因此,激光切割是一個加熱分離的過程,在安全氣囊等織物切割時,材料熔化后分離,因此切割邊緣不會出現類似機械切割方式導致的毛邊現象。
此外,在激光切割過程中,織物的熔點比金屬低,因此激光光束的強度要求也不高,功率在幾百瓦左右的連續激光器都可以滿足要求,比如可以采用功率為300W的CO2激光器,切割速度可以達到5m/min。
不過,一般的激光切割機在織物切割過程中由于設計的局限性未必能夠發揮其應有的性能。常見的激光切割機都采用龍門架結構,X和Y軸用于移動激光器和待切割材料。受制于這種結構,激光焦點在材料上的動態性能就很差,因此在切割半徑較小的弧線或幾何圖形時,速度就很難提高,而且光束路徑的準確性也不高。不過,一些激光切割機制造商采取了一些應對的方法,比如采用更牢固的機器結構、提高軸的驅動力、采用碳纖維增強材料部件來降低機器整體的重量,或者采用多層切割的方式。
多層切割系統的發展提高了織物激光切割的效率,可以同時切割最多30層的織物。多層切割的優勢很明顯——較單層切割相比,多層切割可以大大提高生產效率并降低生產成本。不過,該生產工藝非常復雜,因為在切割完成后必須進行材料的分離,而單層有時候還要被中間層再分開。此外,切割質量很難做到一致,因此只能根據對切割質量的要求來決定同時切割的層數。這也限制了激光切割的潛在加工效率和性能。
德國弗勞恩霍夫協會位于德累斯頓市的材料和射線研究所試圖將用于激光打標行業的振鏡掃描儀應用到織物激光切割系統中,來解決上述激光切割具有的局限性。研究人員發現,解決激光焦點動態性能差問題的根本是采用高動態光束折射方法,即采用快速傾斜反射鏡將激光光束折射到材料上。折射鏡隨著振鏡掃描儀移動,其質量較輕,因此即使在較高的切割速度下,光束的移動也很準確。大概可以實現10g的加速度。這樣的動態性能在不采用切割輔助氣的情況也可以實現,不過在切割邊緣上的殘留材料需要被完全氣化掉。
在這種遠程激光加工中,一般采用連續激光輻射方式,功率可以達到幾千瓦。加工距離可以達到2m,范圍可達1m×1m。更高的激光功率與更長焦距相結合,提供了更高的光束質量,因此在織物加工中能實現每秒切割數米的切割速度。
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