低空经济崛起下的隐形推手：激光加工碳纤维

原创 Sueuel 光电汇OESHOW

2025年04月07日 17:20 上海

随着低空经济的全球性崛起，无人机、eVTOL（电动垂直起降飞行器）及卫星通信装备的轻量化需求激增。碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）凭借其比强度高、耐腐蚀性强等特性，成为低空飞行器结构件的理想材料。然而，CFRP的异质性（纤维与树脂结合）和各向异性导致传统机械加工易引发分层、毛刺等问题，严重制约生产效率与产品可靠性。激光加工技术因其非接触、高精度特性，逐渐成为CFRP高效成形的核心工艺。

一、激光加工碳纤维的三大主流技术

激光加工碳纤维复合材料的本质是光-热-化学耦合作用过程。激光束通过热解（Pyrolysis）或烧蚀（Ablation）机制去除材料，其效果受激光波长、脉冲宽度、能量密度及材料导热性共同影响。目前加工碳纤维的主流激光技术可分为连续波激光加工、超短脉冲激光加工、复合辅助激光工艺三类。

连续波激光加工

采用高功率连续激光（如CO2激光：10.6 μm，光纤激光：1.06 μm）实现快速切割，通过热累积效应汽化树脂基体并断裂碳纤维。

相比传统的机械加工方法，连续波激光加工碳纤维复合材料时，切割精度高，切口宽度窄，一般在0.1-0.3 mm左右；切割面光滑，无明显毛刺和瑕疵；热影响区相对较小，一般热影响区宽度在0.5-2 mm左右，对材料的热损伤较小；可以实现复杂图形和曲线的切割，切割质量高。但由于持续的热作用，容易在加工区域周围形成较大的热影响区，可能导致材料的性能发生变化，如碳纤维的强度下降、树脂基体的性能劣化等。

2024年6月，欧洲研究人员已成功使用CO2激光技术焊接了长达8 m的碳纤维机身部分，这一突破预示着超轻型客机的制造将成为可能。

超短脉冲激光加工

超快激光加工具有超快、超强、超精密的独特优势，其利用物理/化学效应，作用机制不同于传统激光加工，有望成为CFRP低损伤高质量加工手段。

飞秒（fs）、皮秒（ps）激光通过非线性吸收产生冷烧蚀效应，可在几乎无热扩散（脉宽1 ps）条件下实现原子级材料去除。但设备成本高昂（单台超快激光系统价格超50万美元），目前多用于航空航天精密零件制造。

当使用皮秒、飞秒等超快激光加工CFRP时，其“冷”加工效果可轻松将热影响区宽度降低到百微米甚至十微米以下。目前超快激光加工CFRP仍面临以下三大挑战：

1）如何实现CFRP非均质材料的均质加工；

2）如何同时进一步降低热影响区宽度和断面倾角（锥度）；

3）如何提高CFRP加工效率以满足工程需求。

目前，极具代表性的华工激光碳纤维超快激光切割智能装备，专门针对折叠屏手机减重设计需求而打造，可实现高精度碳纤维背板工艺槽切割，为行业应用批量化生产提质增效。

复合辅助激光工艺

复合辅助激光工艺则是为了解决激光加工CFRP热损伤严重、加工效率较低等问题而提出的一种新型加工方法。这种方法结合了激光无接触、无应力集中、灵活性强的特点，并通过水射流、机械加工等辅助手段减小材料加工的热致损伤，提高加工精度。其中，水导激光加工和激光与机械复合加工是两种常用的复合辅助激光工艺方法。

水导激光加工：利用高压水射流（20-50 MPa）引导激光并冷却切缝，该方式能够解决激光加工中飞溅物堆积、热损伤严重等问题，为CFRP高质高效加工提供了可能。在国际市场上，水导激光相关企业有瑞士Synova公司、瑞士AVonisys公司等，瑞士Synova公司是处于技术领先地位的垄断企业；国内水导激光主要研发企业和机构有沈阳自动化所、哈工大、哈焊研究院、长春理工、西安晟光硅研、上海冷辰科技、渥特镭铯、中科煜宸、英谷激光等。

激光与机械复合加工：是在激光钻孔的基础上，预留一定精加工余量用于机械扩孔的复合工艺，主要应用于厚度较大的CFRP构件加工，有效避免了机械加工应力集中导致的材料易分层和激光加工热影响区残留、锥度较大等问题，提高激光加工效率的同时延长了刀具寿命。然而刀具磨损问题无法完全避免，且激光与机械复合加工方法目前主要用于毫米级的孔加工，突破加工尺寸限制仍有待深入研究。

其他激光复合加工方法：超声振动辅助激光加工、电场辅助激光加工、磁场辅助激光加工等激光复合加工方法也已被应用在玻璃、金属、碳化硅复合材料中，但目前针对CFRP的研究较少，激光与CFRP非均质材料相互作用的研究有待进一步开展。

二、应用领域：轻量化与高性能的完美结合

碳纤维复合材料（CFRP）凭借其高强度、轻量化、耐腐蚀等特性，已成为高端制造业的“明星材料”。随着低空经济、新能源、航空航天等领域的快速发展，碳纤维激光加工技术已渗透到多个关键行业，以下是其典型应用领域：

航空航天领域：用于加工飞机的机翼、机身等结构件中的碳纤维复合材料，如切割出复杂形状的碳纤维部件、在机翼结构上进行高精度钻孔以安装连接件等，能够减轻飞机重量，提高燃油效率和飞行性能。德国通快集团的TruLaser Cell 7040激光系统可切割碳纤维零件。

汽车工业：可对汽车的碳纤维车身部件、引擎盖、传动轴等进行加工，有助于实现汽车的轻量化，提升汽车的加速性能、操控性能和燃油经济性，同时保证汽车的安全性能。大族粤铭激光提供的碳纤维汽车防撞梁总成激光切割机，采用了最先进的激光切割技术，确保了产品的高质量和精度。通过精密的激光加工，每个防撞梁总成都能够精准地符合设计要求，保障了产品的稳定性和可靠性。

高端装备与工业制造：可对风力发电叶片、机器人机械臂等高端制造领域进行加工。瑞士ABB的YuMi机器人采用皮秒激光加工谐波减速器支架，表面粗糙度Ra1.6 μm，寿命延长40%。

消费电子：用于加工碳纤维复合材料的电子设备外壳，如笔记本电脑外壳、手机外壳等，利用激光加工可以实现超薄、超轻的设计，同时提高外壳的强度和散热性能，提升电子设备的品质和竞争力。2024年，德龙激光推出了针对折叠屏的碳纤维切割设备，搭配自主研发的高功率激光器，使用高能量激光对碳纤维进行高效切割。

体育用品行业：在自行车、球拍、滑雪板等体育用品的碳纤维部件加工中应用广泛。Scott 采用德国通快集团的TruPrint 3000设备加工碳纤维材料的车把，打破了形状和功能的界限。

医疗与生物工程：可对医疗设备外壳、骨科植入物与假肢、手术机器人部件等进行加工。如采用紫外激光精细切割碳纤维假肢的仿生结构。

小结

随着低空经济、人工智能等新兴产业的爆发，碳纤维复合材料的应用场景将持续扩展。然而，碳纤维复合材料的非均质性、各向异性和层合结构的特性仍然给加工过程带来挑战。为了进一步提升碳纤维复合材料的加工质量和效率，需要更深入地探索与研究超快激光加工和激光复合加工等新方法新工艺。相信在不久的将来，激光加工技术这位“精雕师”将在碳纤维材料加工领域创造更多的奇迹。

参考来源：

[1]Limei Chen,Limei Chen, Maojun Li., et al. Thermal analysis of CFRP cutting with continuous-wave fiber lasers. Journal of Materials Processing Tech. (2020)

[2] 李欣,宋绮梦,et al.激光加工碳纤维增强复合材料及其在航空航天领域应用.《中国激光》. (2024)