一种基于激光处理CFRP材料的回收装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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；本发明专利技术可实现大尺寸CFRP废料大面积高效率高质量回收。质量回收。质量回收。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光处理CFRP材料的回收装置和方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在不足，本专利技术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。
[0007]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]进一步的，所述软体机械手采用橡胶或者聚合物制成。
[0014]一种基于激光处理CFRP材料的回收方法，包括：
[0015]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；
[0016]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；
[0017]通过软体机械手将碳纤维抓取拉出。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]1)本专利技术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。
[0026]2)本专利技术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。
[0027]3)本专利技术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。
[0028]4)本专利技术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
[0029]图1为根据本专利技术实施例的一种基于激光处理CFRP材料的回收装置的示意图；
[0030]图2为本专利技术实施例1中对应的图1A区域局部放大图。
[0031]图3为本专利技术实施例1中对应的图1B区域局部放大图。
[0032]图4为本专利技术实施例1热解碳纤维复合材料后碳纤维表面SEM图。
[0033]图5为本专利技术实施例2中对应的图1A、B区域局部放大图。
[0034]图6为本专利技术实施例2热解碳纤维复合材料后碳纤维表面SEM图。
[0035]附图标记：
[0036]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
[0037]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶云霞，李浩楠，张子靖，朱家鑫，陈光磊，任旭东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：