Лазерный мир

После презентации на выставке Lasys, Филипп Гетце, в Fraunhofer IWS, описывает новую процедуру соединения металла с пластмассами с использованием лазера

В области легких конструкций значительно растет роль несущих многокомпонентных элементов, обладающих преимуществами как металла, так и термопластика. Следовательно, существует потребность в эффективных технологических цепях с адаптированными процессами предварительной обработки и соединения, способными связывать разнородные материалы.

Процессы сборки после или в самой пресс-форме, соединения с винтами или заклепками и особенно адгезионные соединения — это технологии, используемые в настоящее время для соединения разнородных материалов, таких как металл и термопласты. Однако эти процессы могут иметь ограниченную геометрическую гибкость, использовать дополнительные материалы и иметь сравнительно длительное время соединения. Поэтому необходимы новые связующие решения для быстрой и автоматизированной обработки.
Ученые из Института лучевых технологий материалов Fraunhofer (IWS) в Дрездене разработали новый способ соединения полимеров с металлами с использованием лазеров без адгезивов.

Механизмы неклеенного соединения довольно просты: предварительно структурированный металл прессуется вместе с термопластичным полимером. В то же время металл нагревается на стыке, и пластик частично расплавляется.
Однако существует особая проблема при применении однородного тепла к партнеру по металлическому соединению. Fraunhofer IWS использует лазерный нагрев для решения этой проблемы. Двумерное сканирование лазерного луча позволяет быстро перемещать луч, так что температурное поле можно динамически регулировать, чтобы компенсировать особые условия рассеивания тепла связанных деталей.

Однако, как правило, не существует достаточной адгезии между слабополяризованными термопластами и металлом. По этой причине партнер по соединению металла должен быть предварительно обработан. В зависимости от конфигурации материала лазерное макроструктурирование может быть использовано для увеличения поверхности и реализации сопрягающей формы между пластмассами и металлом.
Поэтому исследователи из Fraunhofer IWS разработали процессы лазерной абляции, которые генерируют глубину структуры 100 мкм или более при поверхностных скоростях до 30 см2 в секунду. Внешняя оптика сканатора фокусирует лазерный луч на металл, чтобы очистить поверхность от прилипающих масел или грязи на пограничном слое. Нагретый полимер может затем заполнить поверхностные структуры, чтобы образовать прочную связь между полимером и металлом. Это устраняет необходимость очистки поверхности растворителями или травильными ваннами.

Усиление структуры промежуточного покоя, создаваемого тепловым прямым соединением. Материал — мягкая сталь, листовой металл GF-PA6. Изображение: Fraunhofer IWS Dresden

Как однородное нагревание, так и предварительная обработка поверхности могут быть выполнены с использованием твердотельных лазеров с непрерывным излучением (CW), таких как волоконные или дисковые лазеры. Преимущество использования киловаттных CW-лазеров для предварительной обработки заключается в том, что они обеспечивают гораздо более высокую эффективность по сравнению с импульсными лазерными системами. Кроме того, большее количество расплава на поверхности, наблюдаемое после обработки CW, не уменьшит производительность соединения.
Процесс склеивания использует большой диаметр пятна и низкую интенсивность, в то время как для процесса абляции требуется очень небольшой диаметр пятна — менее 100 мкм при киловаттной мощности и очень короткое время взаимодействия между материалом и пучком.
Понимание механизма соединения является первым шагом к тому, чтобы сделать процесс промышленным. Однако для проектирования конструкций из нескольких материалов необходимо обследовать основное совместное поведение при различных конфигурациях нагрузки и разработать подходящие модели материалов.

Как доказательство концепции, исследователи Fraunhofer IWS заменили сварной стальной узел на узел из нескольких материалов, выполненный из листового органического материала и металлического покрытия, что позволило продемонстрировать потенциал легкой конструкции. Результат был достигнут с использованием как термического прямого соединения, так и макроскопических сопряженных форм соединения между металлом и органическим листом. Исследование концепции показало, что тепловое прямое соединение действительно подходит для реализации конструктивных элементов из разных материалов, в частности, благодаря коротким временам обработки, надежному управлению и возможности автоматизации.

«…металлический пластиковый соединительный инструмент-пистолет под названием HeatPressCool-Integrative (HPCI), который генерирует надежные соединения за считанные секунды.»

Последняя разработка для неклеенного соединения Fraunhofer IWS, впервые представленная этой весной, представляет собой металлический пластиковый соединительный пистолет HeatPressCool-Integrative (HPCI), который генерирует надежные соединения в течение нескольких секунд. Керамический плунжер используется для одновременного сжатия обоих соединяемых партнеров, а круговой индуктор нагревает металл в течение одной-трех секунд. Термопластичный соединительный партнер расплавляется и затвердевает на поверхности металла. Эта разработка обеспечивает точечное соединение при ширине фланцев 15 мм и более.

Простота автоматизации, неклеевой процесс HPCI прост в применении в производстве кузовов. В дополнение к автомобильной технологии технология также приносит пользу другим секторам, в которых используются комбинации металл-пластик, например, аэрокосмическая промышленность или производство белых и коричневых изделий. В настоящее время все еще проверяются различные комбинации материалов, например, соединение высокопрочной стали и армированных углеродным волокном полимеров.

Первевод: https://www.lasersystemseurope.com/news/analysis-opinion/laser-structuring-creates-strong-metal-polymer-bonds