Лазерный мир

Проектирование легких материалов для использования в автомобильной промышленности требует тщательного соединения различных материалов, таких как металлы и полимеры, что может привести к увеличению производственных затрат. Признавая это, команда инженеров из Институте технологии материалов и лучевых технологий Fraunhofer (Fraunhofer IWS), Лейбницского института полимерных исследований и Технического университета Дрезден (все в Дрездене, Германия), продемонстрировала технологию лазерного соединения (https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-33/issue-3/departments/my-view/laser-joining-in-the-spotlight.html) для связывания пластика с алюминием путем предварительной обработки листов алюминия с помощью инфракрасных (ИК) лазеров.
В своей статье, описывающей работу, исследователи показывают, что шероховатость поверхности алюминия, обработанной непрерывными (CW) ИК-лазерным излучением, создавала механическую взаимосвязь с термопластичным полиамидом и приводила к значительному усилению адгезии.
«В других методах соединения у вас есть пластиковая деталь, которую вы хотите соединить вместе с металлической частью. В процессе литьевого формования мы создаем пластиковую деталь поверх металлической детали в полости машины», — говорит Яна Гебауэр , автор статьи. «Как следствие, это очень сложно по сравнению с термическим прессованием или другими технологиями соединения из-за особых тепловых условий».

Чтобы решить эти проблемы, Гебауэр и ее коллеги использовали как CW-лазер, так и импульсный лазер с 20 пс импульсным излучением одновременно, чтобы сделать поверхность алюминиевых листов более адгезивной для полиамидного слоя, который должен быть отлит сверху алюминиевого. Затем помещали листы в литьевую форму и наносили сверху термопластичный полиамид, полимер, относящийся к нейлону, который используется в механических деталях, таких как корпуса электроинструментов, винты для станков и шестерни.

«После этого мы проанализировали топографию поверхности и провели механические испытания поведения соединения, чтобы выяснить, какие параметры привели к максимальной прочности сцепления», — говорит Гебауэр.

Тесты с использованием оптической трехмерной конфокальной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии (SEM) показали, что алюминиевые листы, обработанные импульсными лазерами, имели гораздо более гладкие линии в отгравированных углублениях на своих поверхностях, чем те, которые предварительно обрабатывались непрерывным лазерным излучением. Алюминиевые листы, обработанные ИК-лазерами, также демонстрировали более прочное связывание, но эти свойства уменьшались в тестах с увеличением уровня влажности.

На этом изображении показаны SEM-изображения (а) алюминиевого грата на краях канавок от лазера с непрерывным излучением и (б) оставшийся алюминий в канавках формованной полимерной поверхности после испытания на растяжение при растяжении. (Image credit: Matthieu Fischer).

Несмотря на успех команды, Гебауэр говорит, что впереди много работы, чтобы понять, как можно оптимизировать предварительную обработку поверхности металла, чтобы сделать процесс более экономичным для производителей. Теперь она и ее коллеги хотят изучить, как пластичные термопласты сжимаются при охлаждении.
«Термическое сжатие приводит к механическим напряжениям и может разделять обе части. В настоящее время задача заключается в создании структуры, которая компенсирует напряжения во время усадки без размягчения алюминия при лазерной обработке», — говорит Гебауэр. «Теперь мы хотим создать надежную связь при использовании ультракороткого импульсного лазера, чтобы уменьшить тепловой ущерб в металлическом компоненте».
Полная информация о работе приведена в Журнале лазерных приложений.

Перевод: https://www.industrial-lasers.com/articles/2018/08/laser-joining-method-binds-aluminum-to-plastic-in-injection-molding.html