01
Perkenalan
Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) terdiri dari resin yang berfungsi sebagai bahan fasa matriks dan serat karbon yang berfungsi sebagai bahan fasa penguat. Dengan menggabungkan sifat material matriks resin dan penguat serat karbon, CFRP menunjukkan karakteristik seperti bobot ringan, ketahanan korosi, ketahanan aus, dan kekerasan tinggi. Oleh karena itu, bahan ini digunakan secara luas di bidang yang memiliki permintaan tinggi terhadap bobot ringan struktural-seperti dirgantara, industri otomotif, pembuatan kapal angkatan laut, pembangkit listrik tenaga angin, dan teknik sipil. Metode pembuatan utama bahan CFRP meliputi Resin Transfer Moulding (RTM), pencetakan autoklaf, pencetakan kantong vakum, dan penggulungan filamen; metode ini memungkinkan struktur CFRP diproduksi melalui pemrosesan bentuk yang dekat-jaringan-. Namun, dalam aplikasi industri praktis, pemrosesan sekunder CFRP biasanya diperlukan untuk mencapai geometri komponen yang diinginkan-termasuk fitur seperti lubang, slot, dan alur perakitan-dan untuk memenuhi keakuratan dimensi dan toleransi bentuk yang ditentukan dalam desain komponen. Karena perbedaan yang signifikan dalam sifat termal dan mekanik antara serat karbon penguat dan resin matriks dalam CFRP, pemrosesan sekunder ini menghadirkan tantangan besar dan rentan terhadap berbagai cacat, yang seringkali mengakibatkan kualitas pemrosesan terganggu. Oleh karena itu, untuk memenuhi persyaratan dimensi dan performa komponen akhir, sangat penting untuk menyelidiki teknologi pemrosesan material CFRP dan mengeksplorasi metode pemrosesan-berkualitas tinggi,-efisiensi tinggi.
02
Mekanisme Penghapusan Material dalam Pemrosesan Laser
Dengan munculnya material teknik canggih yang memiliki sifat fisik kompleks-seperti Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP)-daya saing pemesinan mekanis tradisional, pemesinan waterjet, dan pemesinan pelepasan listrik secara bertahap berkurang. Dalam pemrosesan laser, penghilangan material pada dasarnya melibatkan penyerapan, respons, dan transfer energi laser di dalam material. Selama proses ini, laser menyinari permukaan material, dan elektron menyerap energi foton. Selanjutnya, transfer energi terjadi melalui tumbukan elektron-kisi, yang mengakibatkan peningkatan suhu kisi dan penurunan suhu elektron hingga tercapai kesetimbangan termal antara elektron dan kisi. Namun, karena suhu sublimasi serat karbon (~3600 K) kira-kira lima kali lipat suhu matriks resin (~800 K), masukan energi yang diperlukan untuk menghilangkan serat karbon secara signifikan lebih besar daripada yang dibutuhkan untuk resin. Selain itu, karena konduktivitas termal anisotropik serat karbon, panas yang dihasilkan selama proses sublimasi serat karbon secara istimewa merambat ke dalam matriks resin, menyebabkan dekomposisi resin dan pembentukan zat berbahaya. Para peneliti telah mengusulkan mekanisme penghapusan CFRP dalam dua tahap: pirolisis yang diinduksi laser dan pengelupasan kulit termomekanis. Plasma yang dihasilkan selama tahap awal ablasi material menyerap panas dan menghasilkan gelombang kejut termal terarah. Serat karbon yang terekspos selama pemrosesan terkena gaya geser radial, yang mengakibatkan patah getas dan pelepasan material.
Ketika durasi pulsa laser turun di bawah 10 ps,durasi pulsa menjadi lebih pendek daripada waktu relaksasi kisi-elektron, menyebabkan mekanisme penghilangan material berbeda dari ablasi termal tradisional. Mekanisme pemrosesan diilustrasikan pada Gambar 2: bahan resin menunjukkan konduktivitas listrik yang buruk dan jumlah elektron bebas yang terbatas, dengan celah pita energi 2–4 eV; sebaliknya, serat karbon memiliki konduktivitas listrik yang baik dan mengandung sejumlah elektron bebas. Selama iradiasi laser, elektron bebas di dalam serat karbon secara langsung menyerap energi laser, sehingga mengakibatkan kenaikan suhu sistem elektron. Ketika energi foton tunggal lebih rendah dari celah pita resin, elektron bebas dihasilkan melalui mekanisme ionisasi multifoton (MPI), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(b). Ketika energi satu foton melebihi celah pita, ionisasi foton tunggal mendominasi mekanisme eksitasi elektron. Elektron bebas yang dihasilkan bertabrakan dengan elektron terikat, mentransfer energi melalui dampak ionisasi; hal ini memicu ionisasi longsoran-seperti yang digambarkan pada Gambar 2(c)-yang secara signifikan meningkatkan kepadatan elektron bebas. Selama fase iradiasi laser pulsa ultrapendek, suhu kisi berubah perlahan karena inersia termal, sementara suhu sistem elektron meningkat dengan cepat. Transisi fase yang terlibat mencakup transisi fase non{18}}termal dan termal. Jika energi foton laser cukup tinggi, elektron menyerap energi yang cukup untuk mengatasi gaya pengikatan Coulomb inti atom, sehingga menyebabkan ionisasi termal dan meninggalkan sejumlah besar ion positif. Ion-ion positif ini saling tolak menolak karena gaya Coulomb, sehingga menghasilkan "ledakan Coulomb" dan ablasi elektrostatik-proses yang dikenal sebagai "ablasi dingin"-seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(d). Karena hamburan energi kisi elektron-terjadi secara terus-menerus, suhu kisi secara bertahap meningkat, dan konduksi panas terjadi antara serat karbon dan resin, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2(e). Akibatnya, ketika suhu melebihi ambang batas tertentu, transisi fase termal-seperti penguapan dan ledakan fase-terjadi, menghasilkan plasma bersuhu, bertekanan tinggi, dan berkepadatan tinggi yang dikeluarkan dari permukaan, membawa panas, dan memproses sampah.
Cacat dalam zona-yang terkena dampak panas (HAZ) mengacu pada wilayah dalam CFRP tempat perubahan properti terlokalisasi terjadi akibat interaksi material-laser, serta heterogenitas dan anisotropi yang melekat pada material. Perubahan ini mencakup penguapan yang tidak seragam dan degradasi termal resin matriks, serta paparan serat karbon. Sinar laser Gaussian menghasilkan distribusi energi spasial yang tidak seragam, dan efek difusi termal menyebabkan material CFRP memanas di sekitar zona pemrosesan. Di wilayah spesifik ini, energi panas melebihi ambang batas yang diperlukan untuk dekomposisi matriks resin namun tetap di bawah ambang batas yang diperlukan untuk menghilangkan serat karbon. Hal ini menyebabkan penurunan sifat resin dan paparan serat karbon secara lokal. Dalam zona ini, konduksi panas memanaskan resin dan serat karbon. Karena perbedaan yang signifikan antara suhu penguapan resin dan serat karbon, resin di wilayah ini menguap sementara serat karbon gagal mencapai suhu penguapannya, sehingga mengakibatkan paparan serat karbon.
