Polimer-fém hibrid kötés kialakítása lézersugárral

Az ipar napjai GTE fórum, 2014. május 28.

Budapest műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemKözlekedésmérnöki és Járműmérnöki KarGépjárművek és Járműgyártás Tanszék

1

Bauernhuber Andor, Markovits Tamás, Takács János

Bevezetés

2

• Motiváció:

• Műanyagok és lézerek alkalmazásának bővülése

• Célkitűzés

• Új kötéstechnológia kifejlesztése

• Kísérletek bemutatása

• Műanyag és acél kötése lézerrel

• Eredmények bemutatása

• Kötés minőségét befolyásoló jellemzők leírása

• Kötés kialakulását kísérő jelenségek

• Lézeres kötés szilárdságának összehasonlítása a ragaszással

• Összefoglalás

Bevezetés

3

• Tendencia: iparban használt anyagok egyre nagyobb hányada műanyag:

– Nagy tömegre vetített szilárdság

– Jó feldolgozhatóság

– Kedvező ár

• Lézerek alkalmazásának terjedése:

– Jól automatizálható

– Rugalmas gyártás megvalósítható

– Magas minőség

– Lokális és alacsony hőbevitel – műanyagok esetén előnyös lehet

• A fémek és műanyagok kötése szükségszerű: hagyományos szerkezeti anyagok nem válthatók ki teljesen

• Mindkét anyag előnyös tulajdonságainak kihasználása egyszerre

• Hibrid kötések alkalmazása:

– Elektronikai eszközök: szigetelés, burkolat

– Egészségügy: implantátumok tokozása

– Járműipar: tömegcsökkentés

Trendek

Bevezetés

4

Hibrid kötéstechnológiák

• Valamennyi technológia rendelkezik hátrányokkal

• Cél: Trendeknek megfelelő új, versenyképes alternatív technológia kifejlesztése

• Elvárásoknak megfelelhet: Transzparens abszorbens lézeres kötés

- már alkalmazott műanyagok hegesztésére

- alkalmas fém és műanyag kötésére is

• Alkalmazott technológiák hibrid kötésekhez:

• Ragasztás

• Mechanikai kötőelemek alkalmazása: csavar, különböző szegecskötések (akár a műanyag saját anyagából)

• Zsugorkötés

• Bepattanó kötés (nem terhelhető)

• Betétre fröccsöntés: fém alkatrész a fröccsöntő-szerszámban (személygépkocsi ajtó, egyéb karosszériaelemek)

• Kötés indukciós hevítéssel, ultrahanggal

[Ulrike Beyer: Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundes mit derFlach-Clinch-Technologie]

[www.new-materials.de]

1. ábra

2. ábra

Bevezetés

5

Transzparens-abszorbens lézeres kötés

Kötés kialakulása:

• Átlapolt kötés

• Transzparens, abszorbens anyag

• Felső anyag átengedi sugárzást, alsó elnyeli, hő fejlődik

• Abszorbens anyag hőt ad át a transzparensnek, kötés kialakul

• Külső felület nem sérül

Technológia helyzete:

• Újszerű terület

• 1-1 anyagpár kötésének vizsgálata

• A kötés minőségét befolyásoló tényezők feltáratlanok, hatásuk a minőségre ismeretlen

• A kötés közben lejátszódó folyamatok leírása hiányos

• A kötés kialakulásáért felelős mechanizmusok csak részben ismertek, vagy ismeretlenek

3. ábra

transzparens anyag

abszorbens anyag

lézersugár

Bevezetés

6

Célok a kutatás során

• Lézer-anyag kölcsönhatás vizsgálata:

• Műanyag és lézersugár közt

• Fém és lézersugár közt

• Fém, műanyag és lézersugár közt egyszerre

• Kötés kialakulásának és tulajdonságainak vizsgálata:

• Főbb befolyásoló tényezők meghatározása

• hatáserősségük megadása

• kötés közben lejátszódó folyamatok leírása

Kísérletek

7

Felhasznált anyagok, kísérleti beállítások

• Műanyag lemez kötése acél csaphoz

• Műanyag: PMMA (poli-metil-metakrilát) = PLEXI

• Mérete: 15 x 15 x 2;5 mm

• Plexi oka: jó előzetes eredmények, átlátszóság

• Acél: S235

• Sugárforrás: Nd:YAG impulzusüzemű lézer, P=200W foltátmérő: 5mm, változó lézerbeállítások

• Lézerfej nem mozog, pontszerű kötés: vizsgálat körülményeinek egyszerűsítése

• Pontszerű kötés miatt csap geometriájú acél alkalmazása: illeszkedik a lézerfolthoz

• Védőgáz: Ar

• Hőmérséklet mérése K típusú termopárral a csap palástján

2. ábra

3. ábra

Kísérletek

8

Kísérletek során vizsgált jellemzők:

Hevítési idő

Nyomóerő

Csap felületi érdessége

Csapgeometria

Felhasznált anyagok, kísérleti beállítások

Csaphőmérséklet mérése:

• Mérés K típusú termopárral

• Vizsgálat 3 helyzetben, a műanyag hőmérsékletre gyakorolt hatásának tisztázására

4. ábra

Benyomódás

Szakítóerő

BuborékképződésHIBRID KÖTÉS

Kísérletek

9

Hibrid kötés létrehozása

• Műanyaglemez felül, acélcsap alul

• Szükséges: transzparens műanyag

1.Lézersugár: csap homlokfelületét hevíti

2.Műanyag meglágyul

3.Nyomóerő a csapot a műanyagba süllyeszti, sorja képződik

6. ábra: Kötés kialakulása

5. ábra

7. ábra

Eredmények

10

Hevítési idő és nyomóerő hatása

• Kötés 3s-os és 7s-os hevítési idő közt jön létre

• Hosszabb hevítés egyre nagyobb benyomódást és nagyobb szakítóerőt eredményez

• Nagyobb nyomóerő egyre nagyobb benyomódást és szakítóerőt eredményez

• Különbség a meredekségekben, különbség a szakítóerőben eltérő nyomóerőknél 4s-os hevítés felett: buborékképződés

Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J, Lv 2mm

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

2 4 6 8

Ben

yom

ód

ás (

mm

)

Hevítési idő (s)

F=3,2NF=6NF=9,2NF=3,2NF=6NF=9,2N

0

50

100

150

200

250

300

350

400

2 4 6 8

Max

imál

is s

zakí

tóerő

(N

)

Hevítési idő (s)

F=3,2NF=6NF=9,2NF=3,2NF=6NF=9,2N

8. ábra 9. ábra

Eredmények

11

Buborékképződés

Fnyom = 3,2 N Fnyom = 6 N Fnyom = 9,2 N

• Párhuzamos folyamat a hevítéskor

• Minél hosszabb a hevítés, annál több és annál nagyobb méretűek a buborékok

• A buborékok miatt a kötés szilárdsága csökken

• Jó kötés alacsonyabb hevítési idők (3s, 4s) esetén:

A kötés anyagában szakad

• Buborékosodás a nyomóerővel kézben tartható

10. ábra

Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J, Lv 2mm

Eredmények

12

Buborékosodás, hőmérséklet

• TGA vizsgálatok 10°/min és 80°/min hevítés esetén, levegőben

• Bomlás 290°C felett

• Keletkező gáz a tömegspektrum alapján: PMMA monomer

• Monomer a bomlás hőmérsékletén túlhevített (forráspontja a bomlási hőmérséklet alatt van – bomlás után azonnal gáz képződik

• Hőmérséklet értéke a bomlási hőmérséklet felett

• Hőmérsékletet a műanyag jelenléte csökkenti

• Transzparencia

• Hővezetés

• Bomlás hőszükséglete

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tö

meg

(%

)

Hőmérséklet (°C)

10 °C/min

80 °C/min

Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J, Lv 2mm

12. ábra

13. ábra

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Hőmérséklet (°C)A helyzetB helyzetC helyzet

Homlokfelület hőmérséklete

Eredmények - szilárdságnövelés

13

Felületi érdesség hatása

Növekvő erő oka:

1. alakzárás: az esztergált felület árkaiba a műanyag belefolyik, majd megszilárdul

2. mélyebb benyomódás: nagyobb érdességű felület jobban elnyeli a lézersugarakat

Ra = 1 µm Ra = 10 µm

Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12

Max

imál

is s

zakí

tóerő

(N

)

Átlagos felületi érdesség (µm)

00,250,5

0,751

1,251,5

1,752

0 2 4 6 8 10 12

Ben

yom

ód

ás (

mm

)

Átlagos felületi érdesség (µm)

16. ábra

14. ábra 15. ábra

Eredmények - szilárdságnövelés

14

Csapgeometria vizsgálata

• Eltérő, alakzáró geometriájú csapok belenyomása 5 mm vastagságú műanyagba

• Benyomódás minden esetben azonos (3,5 mm)

0

200

400

600

800

1000

Max

imál

is s

zakí

tó e

rő (

N)

Kötések fajtái

17. ábra

18. ábra

19. ábra

A A B C D E F G H

Lv 2

Lv 5

Eredmények

15

Összehasonlítás ragasztással

0

50

100

150

200

250

Max

imál

is s

zakí

tóerő

(N)

PMMA lemezvastagság: 2 mm• Vékony lemezek esetén a lézeres

technológiával nagyobb szakítóerők érhetők el, mint ragasztással

• A lézeres kötés gyorsabb folyamat a ragasztásnál, nem szükséges hozzá előzetes felületkezelés és hozzáadott harmadik anyag

• Lézeres kötés a ragasztás alternatívája lehet

Összefoglalás

16

• A lézeres kötés műanyagok és fémek közt létrehozható

• Hevítési idő és a nyomóerő növelésével a benyomódás és a szakítóerő növekszik

• Erőnövekmény a vártnál kisebb: buborékképződés a kötéserőt rontja

• Buborékok eredete: PMMA bomlásából

• Bomlás a nyomóerővel változtatható

• Kötéserő növelésének lehetőségei:

• Érdesség növelése

• Célszerűen megválasztott alakú csapok alkalmazása

• Lézeres kötés alkalmazásával a ragasztáshoz hasonló szilárdságú kötés készíthető, számos további előnnyel

Csavarkötés

Lézeres kötés

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

17

Polimer-fém hibrid kötés kialakítása lézersugárral

Kapcsolat:Bauernhuber Andor – andor.bauernhuber@gjt.bme.hu

Budapest műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépjárművek és Járműgyártás Tanszék

A szerzők köszönetet mondanak az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA) pénzügyi támogatásáért (OTKA 109436).

18