Laserová příprava povrchů pro lepení

Konstrukční lepení přitom není jen alternativou ke klasickým metodám spojování. V mnoha případech tato technologie umožňuje řešit problémy, se kterými si šroubové nebo svařované spoje poradí jen obtížně.

Lepený spoj například umožňuje spojovat různé materiály, oproti svařování nevytváří tepelné deformace, nevyžaduje vrtání otvorů, oslabujících konstrukci, a dokáže rovnoměrně rozkládat napětí po celé ploše spoje.

To jsou jen některé z důvodů, proč se konstrukční lepení stále více prosazuje například při výrobě lehkých konstrukcí v oblasti automotive nebo při spojování kovových a kompozitních materiálů v leteckém průmyslu.

V praxi však často rozhoduje jedna zdánlivě jednoduchá věc: jak dobře je připraven povrch, na který je lepidlo aplikováno.

Kvalita lepeného spoje není dána pouze typem použitého lepidla. Stejně důležitý, a často ještě důležitější, je stav povrchu spojovaných materiálů.

Aby mohl vzniknout pevný a dlouhodobě stabilní spoj, musí být splněno několik základních podmínek. Povrch musí být především čistý, bez zbytků olejů, mastnot, oxidů nebo jiných kontaminací. Zároveň by měl mít vhodné topografické a chemické vlastnosti, které umožní dobré smáčení lepidla a jeho mechanické zakotvení. Pro přípravu povrchu se v průmyslu tradičně používá několik typů technologií. Mezi nejrozšířenější patří například mechanické broušení nebo tryskání, chemické leptání, plazmové nebo korónové čištění.

Tyto metody mohou být v mnoha případech účinné, ale mají také svá omezení. Mechanické procesy mohou být obtížně reprodukovatelné a někdy vedou k nerovnoměrné topografii povrchu. Chemické procesy zase vyžadují manipulaci s agresivními látkami a jejich integrace do automatizovaných výrobních linek může být technologicky i ekologicky náročná. Dalším problémem je kontrola procesu. V mnoha případech je obtížné přesně určit, jakého stavu povrchu bylo skutečně dosaženo a zda je příprava pro danou aplikaci dostatečná.

Pro účel tohoto článku jsme vytvořili dva testy. V rámci prvního testu byly porovnány pevnosti lepených spojů standardizovaných vzorků při použití stejného lepidla a různých metod přípravy povrchu. Porovnány byly metody chemického čistění, ručního broušení a laserového čištění. Výsledkem byla naměřená průměrná pevnost ve smyku 21,5 MPa v případě chemie, 23,5 MPa v případě ruční přípravy a 32 MPa v případě laseru.

Druhé srovnání zahrnovalo různé stavy povrchu: od povrchu nezpracovaného přes povrch odmaštěný a mechanicky zbroušený až po povrch strukturovaný laserem. Zatímco 3 cm² nezpracovaného povrchu „vydrželo“ zatížení pouze 1,6 kN a 3 cm² povrchu odmaštěného již 4,7 kN, mechanické zpracování zvýšilo tuto hodnotu nad 10 kN a laserové strukturování nad hodnotu 12 kN. Navíc opakovatelnost a rozptyl naměřených hodnot hrají také ve prospěch laserové přípravy povrchu.

Proto lze očekávat, že se při přípravě povrchu bude uplatňovat stále více aplikací používajících laserovou technologii.

Laserové technologie přinášejí do oblasti přípravy povrchů zásadně odlišný přístup. Zatímco klasické metody pracují mechanicky nebo chemicky, laser umožňuje řídit interakci energie se samotným povrchem materiálu.

Podle typu laseru a nastavených parametrů může docházet k různým fyzikálním procesům – od jemného odstranění kontaminace až po řízené mikrostrukturování povrchu. V praxi se často využívají pulzní lasery, které umožňují dodat energii v krátkých časových intervalech a ovlivnit tak pouze velmi tenkou povrchovou vrstvu materiálu. Ve prospěch laseru může v neposlední řadě hrát i ekonomická stránka procesu. Produktivita je přímo úměrná výkonu laseru a podle nastavení procesu je možné zpracovávat desítky, stovky, nebo dokonce i tisíce centimetrů čtverečních za minutu.

V závislosti na konkrétní aplikaci může laserový proces zajistit například:

• odstranění organických kontaminací, olejů nebo tenkých oxidických vrstev;
• vytvoření mikrostruktur v řádu mikrometrů, které zvyšují efektivní kontaktní plochu spoje;
• změnu chemického složení povrchu;
• aktivaci takových polymerních materiálů, u kterých vznikají nové reaktivní vazby.

Tyto procesy mohou probíhat v rozsahu od jemného čištění až po řízené mikro- nebo nanostrukturování povrchu. Výsledkem je povrch, jehož vlastnosti lze do určité míry cíleně navrhnout podle požadavků konkrétního spoje.

Velkou výhodou laserové technologie je její bezkontaktní charakter. Energie je do materiálu dodávána opticky, takže nedochází k mechanickému zatížení součásti ani k opotřebení nástroje. Laser navíc působí pouze na přesně definovanou oblast. To umožňuje upravovat jen ty části dílů, které mají být skutečně lepeny, zatímco zbytek komponenty zůstává nedotčen.

Důležitým aspektem je také vysoká míra kontroly nad procesem. Parametry, jako jsou např. energie pulzu, opakovací frekvence, rychlost skenování nebo geometrie svazku, lze velmi přesně nastavovat a udržovat. Moderní laserové systémy tak umožňují dosahovat stabilní kvality upraveného povrchu i při velkosériové výrobě a díky digitálnímu řízení lze proces také snadno monitorovat a integrovat do automatizovaných výrobních linek nebo robotických pracovišť.

Laserová úprava povrchu tak umožňuje do určité míry „programovat“ vlastnosti povrchu podle požadavků konkrétní aplikace.

Zlepšení kvality lepeného spoje po laserové úpravě povrchu je výsledkem několika fyzikálních mechanismů, které se vzájemně doplňují.

Prvním mechanismem je odstranění kontaminace, která by jinak bránila přímému kontaktu lepidla s materiálem.

Druhým efektem je mikrostrukturování povrchu. Laser může vytvářet struktury v řádu jednotek až desítek mikrometrů, tzn. struktury, které zvětšují efektivní kontaktní plochu a umožňují lepší mechanické zakotvení lepidla.

Třetím faktorem je změna povrchové energie materiálu. Upravený povrch se lépe smáčí, a proto se po něm lepidlo rovnoměrně rozprostře a vytvoří homogenní vrstvu.

Kombinace těchto efektů vede k vytvoření takového povrchu, který je nejen čistý, ale také optimalizovaný pro vznik stabilní adhezní vazby.

Silný a reprodukovatelný lepený spoj může přinést významné výhody i z pohledu konstrukčního návrhu.

Na rozdíl od šroubových spojů není nutné vytvářet otvory, které oslabují materiál a mohou sloužit jako iniciační místa pro vznik trhlin. Lepený spoj navíc umožňuje rovnoměrnější rozložení zatížení po celé ploše spoje, což může zlepšit jeho únavovou životnost.

Dalším přínosem je zjednodušení konstrukce. Namísto několika mechanických spojovacích prvků mohou být dvě součásti spojeny přímo, bez dalších komponent.

To může vést nejen ke snížení hmotnosti konstrukce, ale také ke zjednodušení výrobního procesu. Laserová příprava povrchu před lepením se dnes uplatňuje v celé řadě průmyslových aplikací.

V leteckém průmyslu se jako klíčová projevuje spolehlivost spojů mezi kovovými a kompozitními materiály – tyto spoje jsou vystaveny vysokému mechanickému zatížení i extrémním teplotám. Podobné požadavky se objevují také v energetice, elektronice nebo obranném průmyslu, tzn. v oborech, kde je důležitá nejen pevnost spoje, ale také jeho dlouhodobá stabilita. Lepené spoje nabývají svého významu i v automobilovém průmyslu – zde se využívaly jen pro plastové dílce, ale dnes se tu čím dál více používají i pro slepování kovů. Využívají se například při výrobě odlehčených konstrukcí nebo při spojování různých materiálů v bateriových systémech elektromobilů.

Výzkumné centrum HiLase v Dolních Břežanech se dlouhodobě zaměřuje na vývoj pokročilých laserových technologií pro průmysl a na jejich aplikace.

Pokud jde o přípravu povrchů určených pro lepení, probíhá zde výzkum a vývoj v několika oblastech. Tyto oblasti zahrnují návrh a optimalizaci laserových procesů pro různé materiály, dále charakterizaci topografie povrchu pomocí mikroskopie a profilometrie, měření smáčivosti, jakož i měření povrchové energie a v neposlední řadě mechanické testování pevnosti.

Místní laboratoř, kde se lepené spoje připravují a zkoušejí, poskytuje průmyslu komplexní službu. Toto pracoviště dokáže nejen pomocí laseru vhodně připravit povrch pro lepení, ale především provést nezbytné analýzy. Navazujícími kroky jsou aplikace zvoleného lepidla, jeho vytvrzování za daných podmínek a následná výroba vzorků, nejčastěji pro zkoušení dle norem ASTM D1002 a ČSN EN ISO 4587. Pro hodnocení pevnosti spojů laboratoř používá univerzální zkušební stroj Instron 68FM-300, umožňující vyvinout sílu až 300 kN a vybavený teplotní komorou pro zkoušení za zvýšených, nebo naopak kryogenních teplot.