汽车改变生活、材料改变汽车
机器人激光焊接工艺的应用为大型3-D CFRP曲面零件的表面修复提供了精确切割的可能。TU Clausthal和Laser Zentrum Hannover研究的非高压釜修复过程成功恢复CFRP零件的初始轮廓和表面状况。
二维零件的激光加工技术
复合材料部件的修复是材料应用过程中的重要技术。目前针对自动化修复、缺陷去除、缺陷修复等研究也正在进行。激光技术是汽车部件手动打磨或铣床的有效替代方案。激光切割具有自动化和非接触式方法的优点，特别适用于薄壁和易碎部件。在操作区域安装光学三维扫描仪，可实现对任意尺寸部件的火焰清理。一般在火焰清理时需要将部件分成几个连续的部分，但在过渡区域中的烧蚀表面易产生凹槽和凸起。而机器人激光工艺可对大表面部件进行切割，且在各个段之间没有明显的过渡。经研究，CFRP板可以实现高达40mm2/s的烧蚀速率。
检测控制方面，利用激光扫描仪可生成处理表面的三维轮廓，从而测量烧蚀深度。此外，光学断层扫描以及纤维层取向的光学检测也适用于火焰清理过程的自动检测。因此，可将这两种方法都集成到CFRP激光加工过程中。
三维激光切割
在实际应用中，三维曲面部件的修复需求更多。因此，开发三维曲面部件的激光火焰处理和修复工艺具有更大的实际意义。图2为激光修饰和激光打磨曲面部件的示意。为适应激光加工工艺，必须知道待处理部件的表面结构并调整扫描程序，以便激光的焦点始终保持在材料的表面上。这需要扫描仪程序对部件位置的精确定位。3-D扫描仪允许调整焦点位置而无需重新定位扫描仪本身，极大地简化了火焰清理过程，特别是在复杂结构的处理中提高了效率。
非高压釜工艺修复缺损部位
损伤部分切割是部件修复的第一步，下一步则需要采用新材料填充。在汽车行业，CFRP零件的修复在采用原始材料同时考虑材料结构进行修复，以达到零件的初始机械强度，并恢复初始表面结构。
CFRP部件一般是预浸料通过高压釜制造而成，但是高压釜工艺灵活性较低，不适合修复。因为在部件修理时，无论要修复的区域的大小整个部件都需要在高压釜中，未损坏的区域也需要暴露于高热环境中。
非高压釜工艺顾名思义是指不需要将材料全部至于高压釜中，而是采用预浸料修复的方式将压力和热量集中在需要维修的区域，进而降低能耗和维修成本。然而非高压釜工艺不适用于真空环境，会引起气泡。因此，预浸料的制备和处理是非高压釜工艺成功修复的决定性因素。
预浸料的预压缩
在预浸料的压缩过程中，尽管初始状态下树脂和纤维的比例合适，但由于制造原因会在表面显示非均匀的树脂分布或者纤维的不均匀浸渍，这些不均匀性会在施加压力和加热后逐渐消失。但是直接施压很难实现均匀压缩，如图3（左），因此需要对预浸料进行预压缩，使预浸料坯被调节达到非高压釜工艺所需的单层厚度和树脂量。然后再使用非高压釜预浸料成型工艺进行处理。
预压缩的过程及坯料状态如图4所示。首先在烘箱或热压机中加热坯料，此时树脂的粘度将会降低，导致织物轻微膨胀。通过毛细效应和树脂粘度的降低进一步促进纤维束的浸渍，以达到最佳浸渍状态，如图3（右）。
然后再使用热压机进行压缩，以达到所需的单层厚度。在该过程中，多余的树脂被压出织物的纤维束并填充在织物的间隙中。值得注意的是，如未达到所需的最小层厚度将会导致树脂量不足，这最终会导致修复过程中仅部分填充。此外，必须确保树脂在压缩过程中保持低粘度以避免形成气穴。压缩之后，压缩的预浸料必须在压机中快速冷却，以保持预浸料的再处理状态，这与高压釜工艺的最终状态非常相似。完成后，预压缩预浸料可用于修复过程。
预压缩的最佳工艺参数范围主要取决于预浸料中使用的树脂体系。其对于最佳升温温度和时间的确定起决定性作用。使用差示扫描量热法（DSC）和反应动力学分析可以提供关于树脂体系的固化行为，例如固化程度随温度和时间的变化，树脂体系的残余反应性和凝胶点等。
而加温时间和温度的选择会影响预压缩过程。较短的的升温时间和较低的低温下，树脂粘度还较高，不足以进行再浸渍和随后的预浸料压缩。另一方面，升温会使得树脂过早的固化，从而造成压缩困难。此外，在压缩后需要将预浸料快速冷却并储存在阴凉处直至进一步加工以抑制固化反应。应注意的是预压缩期间的热负荷缩小了预浸料的处理时间。
成型工艺
对于3-D部件的修理一般需要通过成型工艺或压力元件将修复区域的轮廓和表面结构恢复到其原始状态。CFRP成型工具具有较好的设计自由度和良好的热性能，只要原始轮廓的样品可用，预浸料就可以较快的适应待修复部件的轮廓。由于使用了原始预浸料坯，因此成型工具和原始部件中的热膨胀几乎相同。成型工艺过程如图5所示。
组件修复
部件修复时，每个补片的形状和纤维方向根据待修复或填充的部分相应的位置来定向。根据轮廓的复杂程度，将贴片单层或叠层放置在待修复的部分中；然后将待修复的部分连同修复补片和成形工具一起在真空装置中密封；真空加热固化后再去除真空装置和成形工具。具体修复工作如图6（右）所示，原始和修复部件的外观和表面结构几乎无法区分，具有较好的修复效果。
小结
激光修复工艺具有与手动方法相当的烧蚀率，但自动化程度更高。同时，其无压力、无磨损，特别适合薄壁和柔性部件的修复。光学器件的加入使得大型复杂轮廓3-D零件的激光切割成为可能。非高压釜工艺具有更好的工艺灵活性，预浸料以及CFRP成型工具的使用等，使得修补部件可完全达到原始部件的表面结构，无需额外的表面处理。
