CN116001145A - 激光原位逐层回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料激光原位回收方法，所述复合材料激光原位回收方法包括：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维；取下表层纤维，继续对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离表层纤维；重复上述步骤，直至将待回收材料的各层纤维分离。无需位于特殊加工环境，能够在待回收材料的原位进行回收操作，操作简单，有利于提高回收的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料回收技术领域，特别是涉及一种激光原位逐层回收方法。
背景技术
随着复合材料的发展，纤维增强复合材料具有许多优异的性能：质量轻，低密度，高强度，高刚度，耐腐蚀性强等，已经越来越广泛的被应用在航空航天，风力发电，汽车，体育娱乐等行业。随着各个行业对碳纤维复合材料需求的日益增长，碳纤维复合材料的废弃物也越来越多，然而由于热固性的碳纤维复合材料在固化成型时内部形成了不溶不熔的三维交联网状结构，使其废弃物难以降解，对环境和经济都会造成巨大的压力。
传统技术中，对于碳纤维复合材料的回收方法为物理回收和激光加工处理，物理回收的方式得到的碳纤维力学性能损失严重，回收产物的价值低，而激光加工处理需要在特殊环境操作条件苛刻，去除树脂基体时需要再惰性气体环境下进行，工艺过程繁琐。
发明内容
基于此，有必要提供一种复合材料激光原位回收方法，能够有效提高复合材料的操作便利性和回收效率。
其技术方案如下：一种复合材料激光原位回收方法，所述复合材料激光原位回收方法包括：
将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；
启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维；
取下表层纤维，继续对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离表层纤维；
重复上述步骤，直至将待回收材料的各层纤维分离。
上述复合材料激光原位回收方法，在工作过程中，通过激光器对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，由于热效应使待回收区域的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料的表层纤维和下层之间的树脂分解气化，从而实现待回收材料中的表层纤维分离，然后，取下表层纤维后继续对待回收材料进行扫描，重复上述步骤，从而实现待回收材料的逐层分离回收，无需位于特殊加工环境，能够在待回收材料的原位进行回收操作，操作简单，有利于提高回收的工作效率。
在其中一个实施例中，步骤将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量中，具体包括以下步骤：
待回收材料放置于载物台上，激光器与待回收材料相对设置；
设置待回收材料的扫描区域；
通过激光测距仪测量激光器与待回收材料的距离，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。
在其中一个实施例中，所述离焦量的范围为10mm～14mm。
在其中一个实施例中，步骤：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维，具体包括以下步骤：
设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距；
启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；
扫描完成，分离待回收材料的表层纤维。
在其中一个实施例中，步骤：设置激光器输出功率、频率、扫描速度、线间距中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为90kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm。
在其中一个实施例中，步骤：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维中，扫描次数为至少两次。
在其中一个实施例中，所述扫描区域为圆形、矩形、椭圆形、三角形中的任意一种。
在其中一个实施例中，所述待回收材料为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、天然纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维中的一种。
在其中一个实施例中，所述激光器为CO2激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。
在其中一个实施例中，所述激光器的光束类型为高斯光束或平顶光束。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图一；
图2为一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图二。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图1，图1示出了本发明一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图一，本发明一实施例提供了的一种复合材料激光原位回收方法，所述复合材料激光原位回收方法包括：
S10：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；
S20：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维；
S30：取下表层纤维，继续对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离表层纤维；
S40：重复上述步骤，直至将待回收材料的各层纤维分离。
上述复合材料激光原位回收方法，在工作过程中，通过激光器对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，由于热效应使待回收区域的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料的表层纤维和下层之间的树脂分解气化，从而实现待回收材料中的表层纤维分离，然后，取下表层纤维后继续对待回收材料进行扫描，重复上述步骤，从而实现待回收材料的逐层分离回收，无需位于特殊加工环境，能够在待回收材料的原位进行回收操作，操作简单，有利于提高回收的工作效率。
其中，复合材料可为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、玄武岩纤维复合材料、天然纤维复合材料、芳纶纤维复合材料或其它纤维复合材料。
需要说明的是，步骤S30：取下表层纤维，继续对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离表层纤维中，取下表层纤维的方式可以为手动取下，如用镊子夹下，或用手拿下，或用粘接件粘下。又或者通过自动设备完成自动取下，例如机械臂自动夹持。
在一个实施例中，请参阅图2，步骤：S10：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量中，具体包括以下步骤：
S11：待回收材料放置于载物台上，激光器与待回收材料相对设置；
S12：设置待回收材料的扫描区域；
S13：通过激光测距仪测量激光器与待回收材料的距离，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。
如此，将待回收材料放在载物台上，根据激光测距仪确定激光器光束焦点位置，通过激光器控制面板控制机械臂的位置，调整激光器与待回收材料的距离，从而调整离焦量。离焦量越大光斑面积越大，扫描效率越高，能量密度越低。并且，有利于保证控制精度，能够得到较为合适的分离效果，使得各层纤维分离的同时不对表层以下的纤维层造成损伤，有利于提高工作效率和回收价值。
可选地，所述离焦量的范围为10mm～14mm。如此，在此范围内，激光器能够实现单层纤维的分离，并不对纤维材料本身产生较大损伤，材料的分离质量符合回收要求。
具体地，离焦量为+12mm。如此，在此离焦量下，激光器能够达到较为合适的分离效果和效率，保证纤维材料的回收品质。
在其中一个实施例中，所述扫描区域的形状可以为圆形、矩形、椭圆形、三角形或其它不规则形状。
具体在本实施例中，扫描区域为矩形。如此，能够对不同的待回收材料，设置相应的扫描区域形状，从而提高材料的回收利用率，避免待回收材料的浪费。
在一个实施例中，步骤：S20：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维，具体包括以下步骤：
S21：设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距；
S22：启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；
S23：扫描完成，分离待回收材料的表层纤维。
如此，通过设置加工参数，能够实现待回收材料的逐层回收，在回收表层纤维的同时，不会因为能量过大导致对下层纤维造成损伤，保证纤维材料的回收质量。
可选地，激光器对待回收材料的扫描填充路径可为平行线填充、弓字形线填充、同心圆填充、回形线填充、Z形线填充或其它路径形式。具体在本实施例中，扫描路径为弓字型填充。如此，效率高，可靠性强，有利于缩短扫描时间，提高复合材料的回收效率。本实施例仅提供一种激光器对待回收材料的扫描填充路径具体选择，但并不以此为限。
在一个实施例中，步骤S21：设置激光器输出功率、频率、扫描速度、线间距中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为90kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm。如此，利用光的热效应与振动效应将所扫描区域的表面树脂与下层树脂降解，达到表层纤维与树脂基体的分离，实现分层可控回收。采用较高频率的频率有利于使得材料分离更为均匀；采用较小的脉宽有利于增强激光的振动效应；提高激光器的输出功率有利于保证足够的热效应；采用相应的线间距与扫描速度有利于保证足够的工作效率。
具体地，采用+12mm离焦量、108W激光器输出功率、200kHZ频率、60ns脉宽、2300mm/s扫描速度、0.01mm线间距，有利于提高能够纤维的分层可控分离，取得较好分离效果。
在其中一个实施例中，步骤：S22：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维中，扫描次数为至少两次。例如，激光器在每层表层纤维上扫描次数为两次。如此，有利于提高树脂降解效率，从而提高表层纤维与树脂基体的分离效率
可选地，激光器可以是多种类型，例如CO2激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或其它激光器类型。
具体在本实施例中，激光器优选波长1064nm的红外光纤脉冲激光器。如此，具有较短的波长和较短的脉冲持续时间，输出功率高，脉宽窄，激光阈值低，输出光束质量好，易于系统集成，有利于对于不同的步骤调整激光束的输出功率，提高工作精度和分离效率。本实施例仅提供一种激光器的具体选择，但并不以此为限。
可选地，所述激光器的光束类型为高斯光束、平顶光束或其它激光束类型。
具体地，激光器激发的光束为平顶光束。平顶光束是一种能量分布曲线平整而均匀的光束，而不是像大多数激光器那样，在中心呈更高强度的高斯型分布。光束形状可以是任何形状：圆形、方形、线形、矩形或其他形状。加工区域的尺寸独立于激光脉冲能量，使锐利的边缘具有一致的性能，与高斯光束相比，平顶光束轮廓中没有两翼，但具有较陡的边缘过渡，因此能量传输效率更高，并且热影响区更小，从而有利于提高分离效率，保证分离后纤维层的质量。
在一个实施例中，一种复合材料回收系统(图中未示出)，所述复合材料回收系统采用上述的复合材料激光原位回收方法对复合材料进行逐层分离回收。
上述复合材料回收系统，在工作过程中，通过激光器对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，由于热效应使待回收区域的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料的表层纤维和下层之间的树脂分解气化，从而实现待回收材料中的表层纤维分离，然后，取下表层纤维后继续对待回收材料进行扫描，重复上述步骤，从而实现待回收材料的逐层分离回收，无需位于特殊加工环境，能够在待回收材料的原位进行回收操作，操作简单，有利于提高回收的工作效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述复合材料激光原位回收方法包括以下步骤：
将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；
启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维；
取下表层纤维，继续对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离表层纤维；
重复上述步骤，直至将待回收材料的各层纤维分离。
2.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量中，具体包括以下步骤：
待回收材料放置于载物台上，激光器与待回收材料相对设置；
设置待回收材料的扫描区域；
通过激光测距仪测量激光器与待回收材料的距离，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。
3.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述离焦量的范围为10mm～14mm。
4.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维，具体包括以下步骤：
设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距；
启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；
扫描完成，分离待回收材料的表层纤维。
5.根据权利要求4所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：设置激光器输出功率、频率、扫描速度、线间距中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为90kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm。
6.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料的表层纤维中，扫描次数为至少两次。
7.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述扫描区域为圆形、矩形、椭圆形、三角形中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述待回收材料为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、天然纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维中的一种。
9.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述激光器为CO2激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器中的一种。
10.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述激光器的光束类型为高斯光束或平顶光束。
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