علوم و فناوری کامپوزیت

علوم و فناوری کامپوزیت

بررسی تجربی تاثیر پارامترهای سوراخکاری لیزری بر زاویه مخروطی شدن و قطر سوراخ در چندلایه های الیافی-فلزی آلومینیوم 5052 و الیاف شیشه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد ، مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهرا ن.
2 استاد، مهندسی مکانیک، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهرا ن.
چکیده
چندلایه های الیاف-فلز مقاومت خوب در برابر آسیب، استحکام بالا و شکل پذیری خوب داشته و در صنایع دریایی و هوافضا کاربرد دارند. سوراخکاری این قطعات با ابزار برشی جهت اتصال آنها با پیچ یا پرچ متداول است اما این روش با اعمال تنش های مکانیکی ممکن است به تورق، کشیدگی الیاف و تخریب ماتریس بینجامد. روش نوین سوراخکاری لیزری برای پیشگیری این عیوب، گسترش یافته است. پژوهش کنونی به دوعامل مهم کیفیت سوراخ یعنی زاویه مخروطی شدن و قطر سوراخ، در نمونه های6/2 الیاف-فلز از آلومینیوم 5052 و الیاف شیشه با رزین اپوکسی و پخت شده در دمای محیط می پردازد. لیزر از نوع CO2 با طول موج 64/10 میکرومتر و حداکثر توان 6 کیلووات است. با رویکرد طراحی آماری آزمایش ها شامل تحلیل واریانس و سه تکرار، در 64 آزمون، تاثیر پارامترهای فرآیند شامل توان لیزر، فشار گاز کمکی و سرعت پیشروی بر زاویه مخروطی شدن دیواره سوراخ و تغییرات اندازه قطر بررسی شد. مشخص شد که توان لیز بیشترین تاثیر را بر زاویه مخروطی شدن و تغییرات قطر سوراخ داشته و پس از آن اثر تعاملی دوگانه توان لیزر-فشار گاز کمکی و سپس فشار گاز کمکی و سرعت پیشروی قرار دارد. کمترین مقدار زاویه مخروطی شدن با توان 3 کیلووات، فشار گاز کمکی 10 بار و سرعت پیشروی 7600 میلی متر بر دقیقه به دست آمد. کمترین تغییرات اندازه قطر سوراخ نیز با توان 5/2 کیلووات، فشار گاز 6 بار و دور 7600 حاصل شد. نتایج برای صنایع استفاده کننده از چندلایه‌های آلومینیوم-الیاف شیشه کاربرد دارد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental study on the effect of laser drilling parameters on hole taper angle and diameter in Aluminum 5052 and glass fiber FML composites

نویسندگان English

Ardavan Anahid 1
Mohsen Hamedi 2
1 School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
2 School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

Fiber-metal laminates (FMLs) are increasingly utilized in marine and aerospace applications due to their favorable formability, high strength, and robust damage tolerance. Mechanical drilling, commonly used for fastening these components with bolts or rivets, often induces delamination and structural degradation due to tool-induced stresses. Laser drilling has emerged as a promising alternative, minimizing such defects. This study evaluates two critical quality metrics—hole taper angle and diameter variation—in laser-drilled specimens composed of aluminum 5052 and glass fiber-reinforced epoxy resin cured at ambient temperature. A CO₂ laser with a wavelength of 10.64 µm and a maximum power of 6 kW was employed. Using a statistically designed experimental framework (ANOVA with three replicates across 64 trials), the effects of laser power, assist gas pressure, and feed rate on hole geometry were systematically analyzed. Results indicate that laser power exerts the most significant influence on both taper angle and diameter variation, followed by the interaction between laser power and gas pressure, and then gas pressure and feed rate. Optimal conditions for minimal taper angle (3 kW power, 10 bar gas pressure, 7600 mm/min feed rate) and minimal diameter variation (2.5 kW power, 6 bar gas pressure, 7600 mm/min feed rate) were identified. These findings offer direct applicability for industries employing aluminum–glass fiber composite components.

کلیدواژه‌ها English

Tapered angle of hole Kerf Laser Cutting
FML
Epoxy Resin
[1] Sinmazçelik, T., Avcu, E., Bora, M. Ö., Çoban, O., “Fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods,Journal of Materials & Design, Vol. 32, No. 7, pp. 3671-3685, 2011.
[2] Sabouri, H., Ahmadi, H., Liaghata, G. H., “Ballistic Impact Perforation into GLARE Targets: Experiment, Numerical Modelling and Investigation of Aluminium Stacking Sequence,International Journal of Vehicle Structures & Systems, Vol. 3, No. 3, pp. 60-66 2011.
[3] Dragan K., Bieniaś J., Leski A., Czulak A., Hufenbach W., “Inspection methods for quality control of fibre metal laminates (FML) in aerospace components,XVI Seminarium Kompozyty. Vol. 12, No. 4, pp. 302-308, 2012.
[4] Romoli L., Fischer F., Kling R., “A study on ultraviolet laser drilling of PEEK reinforced with carbon fibers,” Opt Lasers Eng. Vol. 50, No. 3, pp. 449-457, 2012.
[5] Ghasemi, A.R., Mohammadi, M.M., “Calculation of calibration factors for determining of residual stress in fiber-metal laminates using incremental hole-drilling method,In Persian Journal of Sciennce and Technology of Composites, Vol. 1, No. 1, pp. 35-44, 2014.
 [6] Nazari, A., Naderi, A. A., Malekzadefard, K., Hatami A., “Experimental and numerical analysis of vibration of FML-stiffened circular cylindrical shell under clamp-free boundary condition, Journal of Solid and Fluid Mechanics. Vol. 10, No. 2, pp. 65-78, 2019.
[7] Costa, R. D., Sales-Contini, R. C., Silva, F. J., Sebbe, N., Jesus, A. M., “A critical review on fiber metal laminates (FML): from manufacturing to sustainable processing,” Metals. Vol. 13, No. 4, pp. 638, 2023.
[8] Liu, X., Li, L., Yang, S., Xu, M., Zhong, M., Wang, B., Jiang, Y., “Optimization of nanosecond laser drilling strategy on CFRP hole quality”, J. Mater. Process. Technol. Vol. 324, pp. 117360, 2024.
 [9] Alipour Sougavabar, M., Niknam, S. A., Davoodi, B., “Study of tool flank wear and surface quality in milling of Al520-MMCs reinforced with SiC and Sn particles,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 9, No. 2, pp. 1970-1975, 2023.
[10] Alsaadawy, M., Dewidar, M., Said, A., Maher, I., Shehabeldeen, T. A., “A comprehensive review of studying the influence of laser cutting parameters on surface and kerf quality of metals,” Int J Adv Manuf Technol. Vol. 130, No. 1, pp. 1039-1074, 2024.
[11] Riveiro, A., Quintero, F., Lusquiños, F., Del Val, J., Comesaña, R., Boutinguiza, M., Pou, J., “Experimental study on the COlaser cutting of carbon fiber reinforced plastic composite,” Compos Part A, Appl Sci Manuf. Vol. 43, No. 8, pp. 1400-1409, 2012.
 [12] Riveiro, A., Quintero, F., Lusquiños, F., Del Val, J., Comesaña, R., Boutinguiza, M., Pou, J., “Laser cutting of carbon fiber composite materials,” Procedia Manuf. Vol. 13, pp. 388395, 2017.
[13] Hyland, M. M., “Surface chemistry of adhesion to aluminum,” Handbook of Aluminum. CRC Press, p. 46582, 2003
[14] Castro, M., Nogueira, J., Thim, G., Oliveira, M., “Adhesion and corrosion studies of a lithium-based conversion coating film on the 2024 aluminum alloy,” Thin Solid Films. Vol. 457, No. 1, pp. 307312, 2004.
[15] Tamrin, K., Moghadasi, K., Sheikh, N., “Experimental and numerical investigation on multi-pass laser cutting of natural fibre composite,” Int J Adv Manuf Technol. Vol. 107, No. 3, pp. 1483-1504,  2020.
[16] Khan, M. A., Uddin, M. S., Khan, A. M., Rahman, M., Khandoker, S., “Machining GLARE fibre metal laminates: A comparative study on drilling performance using conventional and ultrasonic-assisted methods,” Int J Adv Manuf Technol. Vol. 122, No. 9, pp. 10297-10312,   2022.
[17] Kariman Moghadam, A., Rahnama, S., “Experimental investigation of the effect of different surface treatment on mode I fracture behavior of composite/aluminum adhesive joint,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 9, No. 4, pp. 2116-2127, 2023.
[18] Ekici, E., Motorcu, A.R., “Fabrication and machinability (drilling) properties of fiber metal laminate composites: CARALL and GLARE,” Advanced Manufacturing Techniques Using Thermoplastic Polymer Composites, CRC Press, p. 265284, 2023.
[19] Maleki, E., Ghasemi, A., Ghasemi, M., “A review on laser machining of composite materials: Process parameters and quality characteristics,” J Compos Mater. Vol. 54, No. 10, pp. 1311-1328, 2020.
[20] Abrão, A. M., Faria, P. E., Rubio, J. C., Correia, A. E., Davim, J. P., “Drilling of fiber reinforced plastics: A review,” J Mater Process Technol. Vol. 186, No. 1, pp. 1-7,  2007.
[21] Solati, A., Hamedi, M., Safarabadi, M., “Comprehensive investigation of surface quality and mechanical properties in CO2 laser drilling of GFRP composites,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 102, No. 9, pp. 2659-2675, 2019
[22] Patel, P., Sheth, S., Patel, T., “Experimental analysis and ANN modelling of HAZ in laser cutting of glass fibre reinforced plastic composites,” Procedia Technol. Vol. 23, pp. 406-413, 2016.
[23] Romoli, L., Fischer, F., Kling, R., “A study on UV laser drilling of PEEK reinforced with carbon fibers”, Opt. Lasers Eng. Vol. 50, pp. 449457, 2012.
[24] Alsaadawy, M., Dewidar, M., Said, A., Maher, I., Shehabeldeen, T. A., “A comprehensive review of studying the influence of laser cutting parameters on surface and kerf quality of metals,” Int J Adv Manuf Technol. Vol. 130, No. 1, pp. 1039-1074, 2024.
 [25] Lunder, O. R., “Chromate-free pre-treatment of aluminium for adhesive bonding”, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology, Norway, pp. 1180, 2003.