CN115246039A - 一种基于激光处理cfrp材料的回收装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光处理CFRP材料的回收装置和方法，该方法包括：采用连续激光器或长脉冲激光器发出的大光斑激光作用CFRP表面，使大面积树脂基体热解，表层碳纤维裸露；采用短脉冲激光发出的小光斑激光作用在露出的碳纤维上，通过计算激光峰值功率密度，控制激光器参数，使残余的树脂气化，而碳纤维未达到气化点无损伤，实现精准热解，获得表面光滑的碳纤维；通过软体机械手将碳纤维抓取拉出；本发明可实现大尺寸CFRP废料大面积高效率高质量回收。

Description

一种基于激光处理CFRP材料的回收装置和方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料回收领域，尤其涉及一种基于激光处理CFRP材料的回收装置和方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是由碳纤维作为增强相，环氧树脂作为基体相，经热压固化成型的战略性复合材料，广泛应用于航空航天、汽车、海上风电、体育用品等产业领域。然而，CFRP的大范围应用也意味着在生产过程中、零件服役结束后，会产生大量的CFRP废料、报废工件亟待处理。
目前，CFRP的回收技术包括机械切割回收、化学降解回收和热处理回收等，而热处理回收包括高温热解、流化床热解、微波热解法。与机械切割回收、化学试剂降解回收法相比，热处理回收利用了环氧树脂气化温度远低于碳纤维气化温度的性质，使树脂易去除，并极大程度保留完整的碳纤维，该方法是目前广泛应用的CFRP回收技术。然而，高温热解设备存在能耗较高且碳纤维易损伤等缺点。流化床热解法需前期粉碎CFRP，只能回收短小碳纤维，且装备复杂、碳纤维性能退化严重。微波热解法位于微波谐振腔中不易于回收大尺寸CFRP，且微波对碳纤维损伤尚不清楚。
针对激光回收碳纤维复合材料技术，中国专利公开号CN 110951110 A申请公开了一种采用激光回收纤维增强树脂基体复合材料的方法。通过去除基体，强化碳纤维表面，切割碳纤维，最后采用压缩空气喷吹回收纤维。该方法主要通过脉冲激光热解以及脉冲激光切割的方法回收局部区域的碳纤维，由于脉冲激光热解加工效率低，无法满足大尺寸高效率碳纤维回收要求。此外，由于其采用局部热解再局部切割的方法回收碳纤维，无法整丝、长丝回收碳纤维。另外，回收过程中采用压缩空气喷吹的方式回收短纤维，所回收的纤维杂乱无序，限制了回收后的碳纤维再次应用于高端场合。
迄今，尚没有碳纤维激光热解回收的高效率高质量解决方案，也没有相关的装置设备。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于激光处理CFRP材料的回收装置和方法，可实现大尺寸CFRP废料大面积高效率高质量回收。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于激光处理CFRP材料的回收装置，包括：第一加工单元、第二加工单元、第三加工单元和可移动平台；
所述第一加工单元与第二加工单元的结构相同，包括激光器、升降臂、扫描振镜系统和聚焦场镜，所述激光器安装于所述升降臂上，所述激光器与所述扫描振镜系统连接，所述激光器发出的光束的光轴与所述扫描振镜系统位于同一条中心线上，所述扫描振镜系统与所述聚焦场镜连接，所述第一加工单元中的激光器为连续激光器或长脉冲激光器，所述第二加工单元中的激光器为短脉冲激光器；
所述第三加工单元包括机械臂和软体机械手，所述软体机械手通过所述机械臂控制；
所述可移动平台可控制CFRP废料在第一加工单元、第二加工单元、第三加工单元之间移动。
进一步的，所述扫描振镜系统通过设定扫描速度控制激光束在CFRP废料表面沿X和Y方向匀速移动。
进一步的，所述软体机械手采用橡胶或者聚合物制成。
一种基于激光处理CFRP材料的回收方法，包括：
采用连续激光器或长脉冲激光器发出的大光斑激光作用CFRP表面，使大面积树脂基体热解，表层碳纤维裸露；
采用短脉冲激光发出的小光斑激光作用在露出的碳纤维上，通过计算激光峰值功率密度，控制激光器参数，使残余的树脂气化，而碳纤维未达到气化点无损伤，实现精准热解，获得表面光滑的碳纤维；
通过软体机械手将碳纤维抓取拉出。
进一步的，所述连续激光器发出的连续激光束的光斑直径为0.5～5mm，输出功率为1～2000W，扫描速度为4～5000mm/s。
进一步的，所述连续激光器发出的连续激光束的离焦量为-10～10mm，扫描策略为“弓”字或”Z”字形路径扫描。
进一步的，所述长脉冲激光器发出的长脉冲激光束的脉冲宽度为0.1～100ms，光斑直径为0.2～5mm，输出功率为1～1000W，扫描速度为1～2000mm/s，重复频率为0.1～500Hz。
进一步的，所述长脉冲激光器发出的长脉冲激光束的离焦量为-10～10mm，扫描策略为“弓”字或”Z”字形路径扫描。
进一步的，所述短脉冲激光发出的短脉冲激光束的脉冲宽度为10ps～200ns，光斑直径为10～200μm，平均功率为1～500W，控制扫描振镜系统设置扫描速度为5～8000mm/s，重复频率为10～1000kHz。
进一步的，所述短脉冲激光发出的短脉冲激光束的离焦量约为-10～10mm，峰值功率密度为104W/cm2～106W/cm2数量级。
本发明的有益效果：
1)本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料激光热解回收的方法，不受CFRP尺寸的限制，利用激光时空可控性好的优点，可实现大尺寸CFRP废料大面积高效率回收。
2)本发明相比于现有机械回收、化学回收、热处理回收方法，无需对CFRP废料进行前处理，也无需使用化学试剂，工艺简单、无污染。
3)本发明利用激光能量可控性好的优点，通过严格控制激光参数，精准热解树脂基体，保留无损伤、表面干净的碳纤维。
4)本发明可根据实际工程应用需求，选择实现激光与软体机械手异步或同步回收碳纤维丝束，实现碳纤维高质量、规整有序回收。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种基于激光处理CFRP材料的回收装置的示意图；
图2为本发明实施例1中对应的图1A区域局部放大图。
图3为本发明实施例1中对应的图1B区域局部放大图。
图4为本发明实施例1热解碳纤维复合材料后碳纤维表面SEM图。
图5为本发明实施例2中对应的图1A、B区域局部放大图。
图6为本发明实施例2热解碳纤维复合材料后碳纤维表面SEM图。
附图标记：
1-加工平台；2-升降臂；3-长脉冲激光器；4-短脉冲激光器；5-扫描振镜系统；6-聚焦场镜；7-可移动平台；8-机械臂；9-软体机械手；10-树脂基体；11-扫描路径；12-暴露碳纤维。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种基于激光处理CFRP材料的回收装置，包括：第一加工单元、第二加工单元、第三加工单元和可移动平台7。
具体的所述第一加工单元与第二加工单元的结构相同，包括激光器、升降臂2、扫描振镜系统5和聚焦场镜6，所述激光器安装于所述升降臂2上，所述激光器与所述扫描振镜系统5连接，所述激光器发出的光束的光轴与所述扫描振镜系统5位于同一条中心线上，所述扫描振镜系统5与所述聚焦场镜6连接，所述第一加工单元中的激光器为连续激光器或长脉冲激光器3，所述第二加工单元中的激光器为短脉冲激光器4。
所述第三加工单元包括机械臂8和软体机械手9，所述软体机械手9通过所述机械臂8控制；所述可移动平台7可控制CFRP废料在第一加工单元、第二加工单元、第三加工单元之间移动。
进一步的，所述扫描振镜系统5通过设定扫描速度控制激光束在CFRP废料表面沿X和Y方向匀速移动。
进一步的，所述软体机械手9采用采用软质材料制造，比如橡胶或者聚合物。使用传统机械手可能会使碳纤维损伤，与传统机械手或抓具相比，软体机械手抓取细小或易碎物体的能力更强。
根据本发明实施例的一种基于激光处理CFRP材料的回收方法，包括：
步骤一，采用连续激光或者长脉冲激光的大光斑作用CFRP表面实现大面积树脂基体10热解，使表层大量碳纤维裸露；同时利用碳纤维较好的导热性能使热量沿碳纤维径向和轴向传递，间接使树脂基体热解。
步骤二，采用短脉冲激光小光斑小功率作用露出的碳纤维，通过计算激光峰值功率密度，严格控制激光器参数，使残余的树脂极易气化，而碳纤维未达到气化点几乎无损伤，实现精准热解，获得表面光滑干净的碳纤维。
步骤三，通过软体机械手将碳纤维抓取拉出，实现碳纤维高质量、规整有序回收。
表面层的碳纤维回收后，通过可移动平台将CFRP废料重新移动至连续激光或者长脉冲激光位置，重复步骤一～步骤三，实施新一轮回收。步骤一、步骤二、步骤三可分别按顺序进行，也可以同步进行边热解边回收碳纤维。
所述连续激光器发出的连续激光束的光斑直径为0.5～5mm，输出功率为1～2000W，扫描速度为4～5000mm/s。通过控制升降臂2控制连续激光束的离焦量为-10～10mm，扫描策略为“弓”字或”Z”字形路径扫描。
所述长脉冲激光器3发出的长脉冲激光束的脉冲宽度为0.1～100ms，光斑直径为0.2～5mm，输出功率为1～1000W，扫描速度为1～2000mm/s，重复频率为0.1～500Hz。通过控制升降臂2控制长脉冲激光束的离焦量为-10～10mm，扫描策略为“弓”字或”Z”字形路径扫描。
所述短脉冲激光4发出的短脉冲激光束的脉冲宽度为10ps～200ns，光斑直径为10～200μm，平均功率为1～500W，控制扫描振镜系统设置扫描速度为5～8000mm/s，重复频率为10～1000kHz。通过控制升降臂2控制短脉冲激光束的离焦量约为-10～10mm，由式
Figure BDA0003642772910000051
计算峰值功率密度为104W/cm2～106W/cm2数量级，该峰值功率密度下树脂极易气化且碳纤维几乎无损伤。
实施例1
如图1、图2、图3所示，本发明所述一种基于激光处理CFRP材料的回收方法，步骤如下：
对尺寸为60×30×1mm的CFRP进行激光热解回收，该CFRP由T300碳纤维和环氧树脂基体组成，体积分数分别为60％、40％；
将待回收的CFRP放置于第一加工单元，采用连续激光束作用CFRP树脂基体9表面，手动调节第一加工单元的升降臂2，控制连续激光束的离焦量为4.2mm，光斑直径为2mm，输出功率为60W，通过扫描振镜系统5设置激光扫描速度为1200mm/s，激光沿“弓”字形路径，平行于纤维铺层方向匀速扫描，设定相邻的扫描间距为2mm。经3-5次扫描，表层大面积树脂基体热解，使表层大量碳纤维11裸露；同时利用碳纤维较好的导热性能使热量沿碳纤维径向和轴向传递，间接使树脂基体热解。
将经大面积热解后的CFRP移动至第二加工单元。手动调节第二加工单元的升降臂2，控制激光束离焦量为-4mm，采用短脉冲激光4作用在裸露的碳纤维11上，脉冲宽度100ns，光斑直径50μm，输出功率5W，扫描速度500mm/s，重复频率100kHz，由式
Figure BDA0003642772910000052
计算峰值功率密度为106W/cm2数量级，该峰值功率密度下树脂极易气化且碳纤维几乎无损伤。作用2-3次后将碳纤维上残余的树脂去除干净，实现精准热解，获得表面光滑干净的碳纤维，如图4所示。
将经精准热解后的CFRP移动至第三加工单元。通过软体机械手9将表层碳纤维按顺序依次取出，移动机械臂8将碳纤维回收至收纳装置，实现高质量、规整有序的碳纤维回收。
实施例2：
如图1、图5所示，本发明所述的一种基于激光处理CFRP材料的回收方法，步骤如下：
对尺寸为500×20×1mm的大尺寸CFRP废料进行激光热解回收，该CFRP由T800碳纤维和酚醛树脂基体组成，体积分数分别为50％、50％。
将待回收的CFRP放置于放置于第一加工单元，采用长脉冲激光作用CFRP酚醛树脂树脂基体9表面，脉冲宽度0.8ms，光斑直径1mm，输出功率100W，扫描速度1500mm/s，重复频率100Hz，激光沿“弓”字形路径，垂直于纤维铺层方向扫描，设定相邻的扫描间距为3mm。
与此同时，启动第二加工单元的短脉冲激光器4，短脉冲激光束作用在长脉冲激光束热解后裸露的碳纤维11上，手动调节第二加工单元的升降臂2，控制短脉冲激光束离焦量为3.4mm，设置激光器参数为脉冲宽度200ns，光斑直径100μm，输出功率6.3W，扫描速度700mm/s，重复频率1000kHz，由式
Figure BDA0003642772910000061
计算峰值功率密度为105W/cm2数量级，该峰值功率密度下树脂极易气化且碳纤维几乎无损伤。作用2-3次后将碳纤维上残余的树脂去除干净，实现精准热解，如图6所示。
通过软体机械手9同步将表层碳纤维取出，移动机械臂8将碳纤维回收至收纳装置，实现高质量、规整有序的碳纤维回收。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于激光处理CFRP材料的回收装置，其特征在于，包括：第一加工单元、第二加工单元、第三加工单元和可移动平台(7)；
所述第一加工单元与第二加工单元的结构相同，包括激光器、升降臂(2)、扫描振镜系统(5)和聚焦场镜(6)，所述激光器安装于所述升降臂(2)上，所述激光器与所述扫描振镜系统(5)连接，所述激光器发出的光束的光轴与所述扫描振镜系统(5)位于同一条中心线上，所述扫描振镜系统(5)与所述聚焦场镜(6)连接，所述第一加工单元中的激光器为连续激光器或长脉冲激光器(3)，所述第二加工单元中的激光器为短脉冲激光器(4)；
所述第三加工单元包括机械臂(8)和软体机械手(9)，所述软体机械手(9)通过所述机械臂(8)控制；
所述可移动平台(7)可控制CFRP废料在第一加工单元、第二加工单元、第三加工单元之间移动。
2.根据权利要求1所述的基于激光处理CFRP材料的回收装置，其特征在于，所述扫描振镜系统(5)通过设定扫描速度控制激光束在CFRP废料表面沿X和Y方向匀速移动。
3.根据权利要求1所述的基于激光处理CFRP材料的回收装置，其特征在于，所述软体机械手(9)采用橡胶或者聚合物制成。
4.一种基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，包括：
采用连续激光器或长脉冲激光器(3)发出的大光斑激光作用CFRP表面，使大面积树脂基体热解，表层碳纤维裸露；
采用短脉冲激光(4)发出的小光斑激光作用在露出的碳纤维上，通过计算激光峰值功率密度，控制激光器参数，使残余的树脂气化，而碳纤维未达到气化点无损伤，实现精准热解，获得表面光滑的碳纤维；
通过软体机械手(9)将碳纤维抓取拉出。
5.根据权利要求4所述的基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，所述连续激光器发出的连续激光束的光斑直径为0.5～5mm，输出功率为1～2000W，扫描速度为4～5000mm/s。
6.根据权利要求5所述的基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，所述连续激光器发出的连续激光束的离焦量为-10～10mm，扫描策略为“弓”字或”Z”字形路径扫描。
7.根据权利要求4所述的基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，所述长脉冲激光器(3)发出的长脉冲激光束的脉冲宽度为0.1～100ms，光斑直径为0.2～5mm，输出功率为1～1000W，扫描速度为1～2000mm/s，重复频率为0.1～500Hz。
8.根据权利要求7所述的基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，所述长脉冲激光器(3)发出的长脉冲激光束的离焦量为-10～10mm，扫描策略为“弓”字或”Z”字形路径扫描。
9.根据权利要求4所述的基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，所述短脉冲激光(4)发出的短脉冲激光束的脉冲宽度为10ps～200ns，光斑直径为10～200μm，平均功率为1～500W，控制扫描振镜系统设置扫描速度为5～8000mm/s，重复频率为10～1000kHz。
10.根据权利要求9所述的基于激光处理CFRP材料的回收方法，其特征在于，所述短脉冲激光(4)发出的短脉冲激光束的离焦量约为-10～10mm，峰值功率密度为104W/cm2～106W/cm2数量级。
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CN116198056A (zh) * 2023-01-20 2023-06-02 中国民用航空飞行学院 纤维复合材料的激光回收方法

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