Polimer-fém hibrid kötés kialakítása lézersugárral

Átírás

1 Polimer-fém hibrid kötés kialakítása lézersugárral Az ipar napjai GTE fórum, május 28. Bauernhuber Andor, Markovits Tamás, Takács János Budapest műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Kar Gépjárművek és Járműgyártás Tanszék 1

2 Bevezetés 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 2

3 Bevezetés Trendek 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 3

4 Bevezetés Hibrid kötéstechnológiák 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 Valamennyi technológia rendelkezik hátrányokkal [Ulrike Beyer: Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundes mit der Flach-Clinch-Technologie] 1. ábra [ 2. ábra Cél: Trendeknek megfelelő új, versenyképes alternatív technológia kifejlesztése Elvárásoknak megfelelhet: Transzparens abszorbens lézeres kötés - már alkalmazott műanyagok hegesztésére - alkalmas fém és műanyag kötésére is 4

5 Bevezetés 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 transzparens anyag abszorbens anyag A kötés kialakulásáért felelős mechanizmusok csak részben ismertek, vagy ismeretlenek lézersugár 3. ábra 5

6 Bevezetés 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 6

7 Kísérletek 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 7

8 Kísérletek Felhasznált anyagok, kísérleti beállítások Csaphőmérséklet mérése: Mérés K típusú termopárral Vizsgálat 3 helyzetben, a műanyag hőmérsékletre gyakorolt hatásának tisztázására 4. ábra Kísérletek során vizsgált jellemzők: Hevítési idő Nyomóerő Csap felületi érdessége Csapgeometria HIBRID KÖTÉS Benyomódás Szakítóerő Buborékképződés 8

9 Kísérletek 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 5. ábra 6. ábra: Kötés kialakulása 7. ábra 9

10 10 Eredmények Hevítési idő és nyomóerő hatása Lézerbeállítások: P átl =200W, f=100hz, t imp = 0,5ms, U gerj = 375V, E imp =2J, Lv 2mm Benyomódás (mm) 2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0 F=3,2N F=6N F=9,2N F=3,2N F=6N F=9,2N Hevítési idő (s) Hevítési idő (s) 8. ábra 9. ábra 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 4sos hevítés felett: buborékképződés Maximális szakítóerő (N) F=3,2N F=6N F=9,2N F=3,2N F=6N F=9,2N

11 Eredmények Buborékképződés 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 10. ábra Buborékosodás a nyomóerővel kézben tartható Lézerbeállítások: P átl =200W, f=100hz, t imp = 0,5ms, U gerj = 375V, E imp =2J, Lv 2mm F nyom = 3,2 N F nyom = 6 N F nyom = 9,2 N 11

12 Eredmények 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 Tömeg (%) C/min 80 C/min Hőmérséklet ( C) 12. ábra A helyzet B helyzet C helyzet Hőmérséklet ( C) Homlokfelület hőmérséklete 13. ábra Lézerbeállítások: P átl =200W, f=100hz, t imp = 0,5ms, U gerj = 375V, E imp =2J, Lv 2mm 12

13 Eredmények - szilárdságnövelés Felületi érdesség hatása Lézerbeállítások: P átl =200W, f=100hz, t imp = 0,5ms, U gerj = 375V, E imp =2J Maximális szakítóerő (N) ,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0, Átlagos felületi érdesség (µm) 14. ábra Átlagos felületi érdesség (µm) 15. ábra Benyomódás (mm) Növekvő erő oka: 1. alakzárás: az esztergált felület árkaiba a műanyag belefolyik, majd megszilárdul Ra = 1 µm Ra = 10 µm 16. ábra 2. mélyebb benyomódás: nagyobb érdességű felület jobban elnyeli a lézersugarakat 13

14 Eredmények - szilárdságnövelés Csapgeometria vizsgálata Eltérő, alakzáró geometriájú csapok belenyomása 5 mm vastagságú műanyagba Benyomódás minden esetben azonos (3,5 mm) 17. ábra 18. ábra Maximális szakító erő (N) ábra A A B C D E F G H Lv 5 Lv 2 Kötések fajtái 14

15 Eredmények Összehasonlítás ragasztással 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 Maximális szakítóerő (N) PMMA lemezvastagság: 2 mm

16 Összefoglalás 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 Csavarkötés Kötéserő növelésének lehetőségei: Érdesség növelése Célszerűen megválasztott alakú csapok alkalmazása Lézeres kötés alkalmazásával a ragasztáshoz hasonló szilárdságú kötés készíthető, számos további előnnyel Lézeres kötés 16

17 Polimer-fém hibrid kötés kialakítása lézersugárral Kapcsolat: Bauernhuber Andor Budapest műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépjárművek és Járműgyártás Tanszék KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! A szerzők köszönetet mondanak az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA) pénzügyi támogatásáért (OTKA ). 17

18 18