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

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
Quo vadis, svařování?

Svařování je dlouhodobě jedna z nejvýznamnějších strojírenských výrobních technologií. Má rozhodující vliv na jakost řady výrobků a na výrobní náklady, proto má klíčové postavení mezi výrobními technologiemi. Patří také mezi technologie zpracovávající největší objem kovových materiálů (cca 25 %). Žádná jiná technologie nezpůsobuje tak rozsáhlé změny ve vlastnostech materiálů.

Perspektivní metoda spojování materiálů

Článek pojednává o progresivní technologii spojování - přivařování svorníků - a má za úkol přiblížit tento způsob svařování širší veřejnosti.

Perspektivy vysokofrekvenčního svařování termoplastů

Vysokofrekvenční (VF) svařování, nazývané též dielektrické svařování, RF (Radio Frequency) svařování, nebo také dielektrické zatavení (Dielectric sealing), je jedním z mnoha způsobů průmyslového svařování termoplastů.

Související články
Lehčí a čistější řezání vysoce pevných dílů

Automobilový průmysl řeší u karoserií především nízkou hmotnost a bezpečnost při nárazu. Proto se na vybrané části karoserie používají vysoce pevné ocele schopné tváření za tepla. Typickým příkladem je nový VW Golf VII. Při řezání vysoce pevných ocelí se s výhodou používá laser.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

Problematika vstřikování plastových dílů pro automobily

Příspěvek popisuje podmínky pro výrobu vstřikovaných plastových dílů pro automobily včetně vznikajících problémů a navazuje na článek Snížení rizika vzniku vad při vstřikování plastových dílů, který byl uveřejněn v příloze Plasty časopisu MM Průmyslové spektrum č. 3/2014 (viz též www.mmspektrum.com/140312). Autor vychází z dlouholeté zkušenosti ve firmě Plast Form Service I. M., která se výrobou těchto dílů zabývá již od roku 1998.

Vodorovné vyvrtávačky v praxi, Zastavení čtvrté

Zkušenosti zákazníků jsou nejcennějším podnětem, kterých se dodavateli-výrobci dostává. Nezkreslené reference na zkušenosti z provozu a servisu pak přináší objektivními informace pro další potenciální zákazníky. Kdo jiný by měl tedy o kvalitě firmy vědět více než ten, kdo její produkty vyzkoušel? To je cesta k publikované formě článků, kterou MM Průmyslové spektrum na trhu českých technických periodik zastává. Navštěvovat uživatele produktů a nechat je vyprávět o zkušenostech, které mají s jejich používáním, s komunikací s dodavatelem, se spokojeností s jeho službami. Pak získáme skutečnou referenci, z níž si lze udělat určitou referenci.

Plasty v automobilovém průmyslu

Na světě je v současnosti přibližně 800 miliónů automobilů a prognózy růstu mluví o zvýšení jejich počtu na dvě miliardy do roku 2030. Tento výhled činí z automobilového průmyslu jedno z nejperspektivnějších průmyslových odvětví pro nejbližších patnáct let.

Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Použité pneumatiky - kam s nimi?

Na začátku byl skvělý vynález: pneumatika. Byla vynalezena v devatenáctém století, úžasně zlepšovala vlastnosti jízdních kol a její vynález byl patentován. Později našla uplatnění především v automobilovém a leteckém průmyslu a dnes tvoří každodenní součást našeho života.

NPE 2012 a plastové materiály

V Orlandu na Floridě se na sklonku jara konala největší událost roku v průmyslu plastů - trienale NPE 2012, která současně oslavila 75. výročí založení SPI (Society of the Plastic Industry). Poprvé po 40 letech se National Plastics Exhibition, tento vrcholný veletrh amerického plastového průmyslu, nekonal v červnu v Chicagu, ale o něco dříve na Floridě, mimo centra automobilového průmyslu, plastů a strojírenství amerického Středozápadu.

Výroba kompozitového airboxu pro formuli

V minulém roce dosáhl tým CTU CarTech v soutěži Formula student výborných výsledků postupně 7., 6. a ve španělském závodě Formula Student Spain - Montmélo dokonce 2. místem.

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