碳纖複材鋪放與雷射加熱貼合成型
摘要：碳纖複合材料具有質量輕、高強度及耐腐蝕等眾多優點，被廣泛應用於各種產業如航太、運輸、汽車、運動器材、3C產品、風力發電和土木建築工程等。本研究著重於探討開發雷射碳纖複材貼合成型自動化設備，係將雷射運用於碳纖複材之貼合，藉由雷射瞬間產生之高能量，加熱碳纖帶使其軟化，然後加壓進行貼合成型。雷射碳纖複材貼合成型自動化設備包含自動化捲帶式碳纖維預浸材料傳輸模組、碳纖維滾壓模組、碳纖帶裁切模組，與雷射光斑鈍化加工頭模組構成的雷射加熱模組，可提供彈性且快速生產方式，發展具有高度靈活性的自動化生產製程。
Abstract：Carbon fiber composite materials have advantages such as light weight, high strength and corrosion resistance, and are widely used in various industries such as aerospace, transportation, automobiles, sports equipment, 3C products, wind power generation, and civil engineering application. This research is to discuss development of an automation equipment for laser carbon fiber composite lamination. Laser is used for the laminating of carbon fiber composites. The high energy generated by the laser instantly heats up the carbon fiber tape, melts it, and presses it for lamination. The automated carbon fiber placement equipment includes an automatic roll-to-roll conveyer of prepreg carbon fibers, a carbon fiber rolling module, a carbon fiber tape cutting module, and a laser heating module. This equipment is thought to provide the rapid production and improve the stability of process.
關鍵詞：碳纖複合材料、自動貼合、雷射加熱
Keywords：Carbon fiber composite, Automated lamination, Laser heating
前言
碳纖維複合材料在近幾年開始蓬勃發展，在早期因為碳纖維成本高故只應用於航太業，現在因碳纖維應用的範圍變廣，開啟許多市場，碳纖維的需求增加，成本也跟著降低，更多業者陸續投入碳纖維產品的開發。碳纖維具有高強度、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、具導電和導熱等性能，可應用於風力發電葉片、航太、汽機車、自行車、建築補強材料、3C產品、體育用品等領域。
熱塑性碳纖維複合材料在近十年的發展速度比起熱固性碳纖維複合材料更是高上數倍。熱塑性碳纖維複合材料比起熱固性複合材料具有以下幾個優勢：韌性高、損傷容限大、維修方便、可反覆加熱冷卻成型、成本低、原料不須低溫儲存、成型加工周期較短，而且它具有良好的可循環性和不汙染環境的特性。
國內複合材料早期發展屬於技術性勞力密集產業，特別後加工成型階段需要大量的勞力。隨著缺工、汙染等因素，近年來發展高品質自動化技術勢在必行，以因應勞動人口降低、提升產品附加利潤等課題。雷射具有加熱快，溫度控制佳，加熱效率高，加熱能量直接傳遞到複合材料上，可提升複材貼合速度。以雷射作為加熱能源，具有非接觸性和在製造環境中易於實現自動化的優勢，在複材貼合製程中建立雷射加熱貼合成型技術，可提供彈性且快速生產方式，發展具有高度靈活性的自動化生產製程。同時，加工過程中的纖維破壞和材料分層問題也可以減少或排除。因此商業上的考量，已經將目光投向更加自動化、重複性更高的雷射貼合製程[1-4]。
碳纖複材貼合雷射加熱模組
碳纖複材雷射加熱貼合成型技術，可在複雜的幾何形狀進行高效率之生產作業。這個技術在製程中可自動鋪陳碳纖維帶，並且透過雷射在碳纖維帶熱影響區加熱，再透過壓輪施加壓力使碳纖帶進行加熱貼合的作用，如圖1所示。
圖1 碳纖雷射加熱貼合製程示意圖
圖2 碳纖複材雷射加熱貼合模組
碳纖複材雷射加熱貼合模組，使用雷射加熱來進行碳纖維帶貼合，如圖2所示。模組主要由碳纖帶傳輸機構、壓合機構、裁切機構與雷射加熱頭所組成。碳纖帶傳輸機構主要將碳纖帶由碳纖帶料卷精確地傳送到壓合機構；壓合機構由氣壓缸搭配壓輪機構組成，主要功用是施加適當的壓力使壓輪準確地壓合碳纖維帶；裁切機構透過氣壓缸使裁切刀上下移動，將碳纖帶進行裁切作業；雷射加熱頭除了提供雷射源使碳纖帶加熱之外，另外設計有角度調整機構，調整雷射照射上下碳纖帶比例。
1.碳纖帶傳輸機構
圖3是本案碳纖帶傳送機構示意圖，碳纖帶放置於放卷軸上，透過伺服馬達帶動壓紋優力膠滾輪，讓壓紋優力膠滾輪與惰輪產生捲對捲驅動，透過兩輪之間摩擦力來帶動碳纖帶往下進給，經導軌、裁切模組然後到壓合機構下方。
圖3 碳纖帶傳輸機構圖
由於碳纖帶以條狀的形式鋪在特定區域內形成平面，碳纖帶需經過加熱、貼合及裁切等程序，當連續滾壓貼合到達接近區域邊界時，滾輪需停頓以完成裁切動作，當滾輪停止進行碳纖帶裁切時，須將加熱器關閉避免碳纖帶持續加熱造成貼合缺陷及材料變質，裁切完畢後再將加熱器開啟將尾料加熱貼合，因此在整條碳纖帶貼合過程，須停止進行裁切，以致於能量供應不連續而造成貼合缺陷與貼合時間加長。因此在碳纖帶傳輸機
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