Témata
Reklama

Laser spojuje plasty a kovové součásti

V současné době je stále více žádané spojení materiálů velmi různých vlastností, např. kovu a plastu. Byla vyvinuta nová technologie využívající laser. V kovovém materiálu jsou paprskem laseru vytvářeny mikrostruktury a následným prozářením plastu laserem dojde k naleptání povrchu plastu. Tím je dosaženo pevné spojení obou materiálů.

Spojování různých materiálů je důležitým požadavkem zejména v automobilovém průmyslu. Protože se při výrobě automobilů požaduje neustálé snižování výrobních nákladů a spotřeby paliva (dosahuje se mimo jiné snižováním jejich hmotnosti), rostou požadavky na vysokou tuhost a malou hmotnost používaných materiálů, včetně požadavku na integraci funkcí součástí. Na jedné straně jsou pro velmi namáhané součásti používány vysoce pevné ocele, na straně druhé umožňují součásti z plastu, vzhledem k flexibilitě jejich výroby, integraci funkcí a snížení hmotnosti. Tím vzniká požadavek na spojení materiálů rozličných vlastností, které vyžadují nové metody techniky spojování.

Reklama
Reklama
Reklama

Optimalizace konstrukce automobilů

Použitím různých materiálů přizpůsobených funkci a zatížení součásti se otevírají nové cesty pro další optimalizaci konstrukce automobilů. Zatímco jsou plasty charakterizovány zejména svojí malou hmotností, příznivou cenou a téměř neomezenou tvarovatelností, odolávají kovy svými mechanickými vlastnostmi značně vyššímu zatížení. Spojování těchto materiálů ztroskotává na velmi rozličných chemických vlastnostech plastu a kovu.

Ob

r. 1. Zkušební vzorek spojení plastu PA vyztuženého skelnými vlákny a oceli 1.4301

Ve výzkumném ústavu Fraunhofer Institut FRF Lasertechnik, RWTH Aachen, byla v rámci řešení projektu „Integrative Production Technology for High-Wage Countries“ vyvinuta metoda spojování kovů a plastů. Metoda využívá laser, pomocí něhož se nejprve v kovovém členu v místě spojení vytvoří mikrostruktura, následným prozářením plastu laserem se naleptá jeho povrch, plast vyplní mikrostrukturu, a tím se vytvoří požadovaný spoj. Obr. 1 ukazuje spojení plastu PA s ocelí 1.4301.

Použití vyvinuté metody v sériové výrobě

Pro použití vyvinuté metody v sériové výrobě jsou limitujícími faktory čas a rychlost vytvoření spoje tak, aby bylo možné technologii spojování zařadit do výrobní linky. Použitím paprsku laseru o vhodném výkonu, který se neopotřebovává, je flexibilní a výkonný, může být zaručen požadovaný takt výroby, který je nutný pro hospodárnou výrobu.

Z důvodu menší spotřeby energie (menší výkon laseru) a dynamického, flexibilního pohybu paprsku je vhodné vytvořit na kovové součásti mikrostrukturu předem a ve výrobní lince provádět pouze vlastní spojení materiálů. Vhodné je to zejména v místech s omezeným prostorem. Paprsek laseru je do místa spojování veden pomocí galvanometrického skenovacího systému, který vzhledem k malé hmotnosti pohybujících se hmot (skenovacích zrcátek) vykazuje malou setrvačnost. Lze vytvářet texturu na libovolné tvary součástí rychlostí až 15 m.s-1.

Obr. 2. Princip laserového mikrostrukturování povrchu kovu

Použitím kombinace sublimace a tavení se získá 50- až 100násobně rychlejší opracování ve srovnání s konvenčními metodami laserového mikrostrukturování. Tlak při odpařování kovu, který vzniká při vysoké intenzitě záření uprostřed struktury, tlačí okolní taveninu ze struktury ve směru k povrchu (obr. 2). Tento proces se opakuje tak dlouho, dokud tavenina v krčku neztuhne. Tak zde vzniknou dutiny potřebné pro vytvoření požadované struktury vhodné pro spojení s plastem (obr. 3).
Spojení plastu jeho naleptáním

Mikrostruktura vytvořená na kovové součásti umožňuje plastu po ozáření laserem vyplnit dutiny v mikrostruktuře. Pro pevné spojení musí plast v tekutém stavu dokonale vyplnit dutiny v mikrostruktuře a potom ztuhnout.

Obr. 3. Příčný řez strukturovanou plochou kovu ukazuje tvar dutiny vhodný pro dokonalé spojení součástí.

Použití paprsku laseru pro plastizaci umožňuje bezkontaktní, místní a definovaný přívod energie a zamezuje tepelnému poškození plastu. V důsledku vysoké hustoty energie laserového záření je dosaženo rychlého ohřevu a krátkého času ochlazení. Také mechanické zatížení je malé, protože se spojované součásti nemusejí během procesu spojování vzájemně přitlačovat. Během procesu spojování se netvoří žádný plyn, kouř ani prach.

Při spojování plastu a kovu prozařováním laserem poskytuje zdroj záření – laser – možnost spojované součásti dokonale prozářit. Přiváděné záření laseru je v povrchové vrstvě spojovaných součástí v rozsahu spojované oblasti téměř bezezbytku přeměněno v teplo. Cíleným přívodem energie je plast roztaven pouze místně. Tepelné nebo mechanické poškození povrchu součástí je tak téměř vyloučeno. Podle uspořádání vytvořené mikrostruktury na kovové součásti mohou být spojovány s kovem dokonce i plasty vyztužené skelnými vlákny.

Mechanická pevnost spoje

Dosažená mechanická pevnost spoje závisí kromě mechanických vlastností plastu také významně na hloubce mikrostrukturování a na teplotě obou spojovaných součástí. Hloubka mikrostrukturování může být bez zvláštního technického úsilí měněna, takže na zvláště silně zatížené oblasti součásti může být vytvořena větší hloubka mikrostruktury. Další výhodou je to, že proces spojování není negativně ovlivněn zašpiněním povrchu prachem nebo olejem, což má negativní vliv na spojení součástí při běžném lepení.

Obr. 4. Vodotěsné spojení při strukturování

Možnost řízení výkonu laseru vede k vyhovující plastizaci hmoty, neboť lze řídit teplotu v místě spoje. Dosáhne se dostačující plastizace, aniž by došlo k poškození plastu. Tím vznikne velmi dobré spojení obou spojovaných součástí. V použitém rozsahu teplot je plast málo viskózní a zateče do struktury povrchu kovové součásti.

Vyvinutou metodou se dosáhne vyšší pevnosti než při spojení součástí běžným lepením, zároveň se neprojeví ani další nevýhody lepení. Současný výzkum ukazuje, že volbou druhu vytvořené mikrostruktury se rovněž dosáhne vodotěsné spojení vyhovující normě IPx8. Obrázek 4 ukazuje příklad spojení, které chrání povrch těsnění opatřený povlakem proti kapalině.

Andreas Rösner
MM Das Industriemagazin, č. 18, 2013
Zpracoval: - VŘ -

dana.benesova@mmspektrum.com

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 131008
Datum: 01. 10. 2013
Rubrika: Výroba / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Formárenský veletrh se blíží

Již třetí ročník formárenského veletrhu Moulding Expo v druhé polovině května bude hostit výrobce forem a nástrojů a dodavatelé potřebných technologií ve Stuttgartu. Pořadatelé sezvali novinářskou obec do slovinské Lublaně, kde prozradili několik detailu o blížícím se veletrhu. Součástí tiskové konference byla také návštěva místních nástrojáren a výzkumného centra pro formárenství.

Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Související články
Lepení ve výrobě karoserie

Lepení patří k velmi dynamicky se rozvíjejícím odvětvím spojování materiálů. Jeho rozvoj v automobilovém průmyslu je dán komplexními požadavky na karoserii, vývojem nových materiálů a jejich povrchových úprav i zvyšujícími nároky na užitné vlastnosti skeletu vozu. Vnitřní i vnější konstrukce moderních vozidel tvoří celá řada speciálních kovových i nekovových materiálů a plastů, které je nutné fixovat a u nichž konvenční technologie spojování již nedostačují.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Pod pláštěm autobusu

Kdo z nás nikdy nejel autobusy značky Iveco? Meziměstské autobusy Iveco Crossway a Crossway Low Entry z Vysokého Mýta sice své cestující naleznou spíše v zahraničí(v roce 2015 byla společnost Iveco Czech Republic osmým největším vývozcem), nicméně i na českých silnicích se v nich můžeme svézt.

Inovativní spojovací systémy předjímající budoucnost

Díky dlouhodobým, prověřeným zkušenostem se svařováním tradičních materiálů úspěšně uplatňovaným v automobilovém odvětví dokáže nyní firma Comau vyvíjet stále vyspělejší řešení a spojovací postupy zaměřené i na ty nejnovější materiály.

Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Letošní rok v oblasti laserových technologií byl neobyčejně bohatý na nové poznatky a přinesl i řadu nových jevů v metodice dalšího vývoje. Vznikala nová komplexní střediska laserového výzkumu a nás může těšit, že ani Česká republika nezůstala pozadu. Rozvíjí se program HiLASE, zaměřený na laserové technologie a vývoj optických komponentů, a nedávno bylo slavnostně otevřeno i středisko ELI Beamlines – Extreme Light Infrastructure – jako součást evropského plánu budování center nové generace vybavených nejvýkonnější technikou vhodnou pro naplnění programu bádání až na samé hranici poznání.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Inovace ve srážení hran velkých ozubených kol

Chamfer Contour Milling skýtá výrobcům velkých ozubených kol pro nákladní automobily flexibilní a hospodárný proces pro jejich stále důležitější operace zkosení hran / odstraňování otřepů.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit