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0431-81702023
光学工程
气囊激光切割技术
     作为被动安全系统的一部分,汽车安全气囊对提高乘客安全性起到了非常重要的作用。这些各式各样的安全气囊需要高效灵活的加工解决方案。
     在汽车内饰中,有一些织物的切割在传统上一般采用机械模切的方式,如汽车地毯、汽车座垫 和安全气囊织物。激光切割在金属加工领域得到了广泛的应用。如今,这种高效的加工工艺已经逐渐应用到汽车织物如安全气囊的切割加工中。
      激光切割系统与机械式模切系统相比具有较明显的优势。首先,激光系统不采用切割模具,这不仅节省了模具本身的成本,还不会出现因模具制造而导致的生产计划的延误。另外,机械模切系统还存在许多自身的局限性,这源于其通过切割工具与材料之间的接触进行加工的特性。与机械模切的接触式加工方式不同的是,激光切割通过聚焦镜将激光束聚焦在材料表面,使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。因此,激光切割是一个加热分离的过程,在安全气囊等织物切割时,材料熔化后分离,因此切割边缘不会出现类似机械切割方式导致的毛边现象。
      此外,在激光切割过程中,织物的熔点比金属低,因此激光光束的强度要求也不高,功率在几百瓦左右的连续激光器都可以满足要求,比如可以采用功率为300w的co2激光器,切割速度可以达到5m/min。
      不过,一般的激光切割机在织物切割过程中由于设计的局限性未必能够发挥其应有的性能。常见的激光切割机都采用龙门架结构,x和y轴用于移动激光器和待切割材料。受制于这种结构,激光焦点在材料上的动态性能就很差,因此在切割半径较小的弧线或几何图形时,速度就很难提高,而且光束路径的准确性也不高。不过,一些激光切割机制造商采取了一些应对的方法,比如采用更牢固的机器结构、提高轴的驱动力、采用碳纤维增强材料部件来降低机器整体的重量,或者采用多层切割的方式。
      多层切割系统的发展提高了织物激光切割的效率,可以同时切割最多30层的织物。多层切割的优势很明显——较单层切割相比,多层切割可以大大提高生产效率并降低生产成本。不过,该生产工艺非常复杂,因为在切割完成后必须进行材料的分离,而单层有时候还要被中间层再分开。此外,切割质量很难做到一致,因此只能根据对切割质量的要求来决定同时切割的层数。这也限制了激光切割的潜在加工效率和性能。
      德国弗劳恩霍夫协会位于德累斯顿市的材料和射线研究所试图将用于激光打标行业的振镜扫描仪应用到织物激光切割系统中,来解决上述激光切割具有的局限性。研究人员发现,解决激光焦点动态性能差问题的根本是采用高动态光束折射方法,即采用快速倾斜反射镜将激光光束折射到材料上。折射镜随着振镜扫描仪移动,其质量较轻,因此即使在较高的切割速度下,光束的移动也很准确。大概可以实现10g的加速度。这样的动态性能在不采用切割辅助气的情况也可以实现,不过在切割边缘上的残留材料需要被完全气化掉。
      在这种远程激光加工中,一般采用连续激光辐射方式,功率可以达到几千瓦。加工距离可以达到2m,范围可达1m×1m。更高的激光功率与更长焦距相结合,提供了更高的光束质量,因此在织物加工中能实现每秒切割数米的切割速度。
      常见的远程激光切割系统包含扫描光学元件,且放置于材料上方。光点的移动主要通过扫描镜片完成。工作距离、加工范围和焦距之间的关联非常复杂,因此可同时加工到的材料范围有限。德国一家公司通过与弗劳恩霍夫协会的合作设计了一种切割系统,在安全气囊激光切割方面具有借鉴意义。该设计的原理是,在切割过程中不断移动织物,同时让扫描光学元件来回摆动来覆盖到整块材料。采用这种方法在即使采用一个扫描头和一台激光器的情况下就可以切割各种宽度的织物。
      采用该系统进行单层切割,省却了织物层之间的分隔材料,通常为锡箔或纸,此外还省掉了工作人员分开材料的时间。即使是单层切割,整个系统的产量依然比采用双扫描头的系统高10~100%,具体取决于切割的轮廓和长度。此外,该系统占地面积与多层切割系统相比减少了三分之二,嵌套达到7m长。该系统比多层切割系统更牢固,还配备了交换台和排气系统。
       该系统的最大特点就是其可升级性和模块化的设计。此外,它还可以切割一次成型式安全气囊。这种安全气囊采用多层纺织技术,可以将多片材料同时织成一块织物。对切割系统来说,一次成型式安全气囊切割的最大挑战是如何对面料的不平整进行自动修复,比如收缩或褶皱等。材料上的参照点必须通过摄像头来捕捉,然后操作系统对探测到的位置进行分析,根据材料的真实属性重新计算激光切割的路径。
      将多轴系统与不同的动态和机械性能结合起来需要对运动进行智能化的分割处理。在这里,材料移动的最快速度是主要的判断标准。将激光束移动的参考路径在扫描头轴向运动和数控主轴运动之间进行分割,可以在被切割的不同部分之间以最短的时间定位。
      远程切割技术使加工各种轮廓和不同宽度的织物材料成为可能。通过将不同的动态和机械参数与轴系统相结合,可以进一步改善该技术,这样,与传统的冲裁或机械切割相比,在安全气囊等汽车织物切割方面,激光技术更具优势,更能满足当前汽车制造商对生产效率和成本效益的要求。

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