Lézersugaras fémpolimer

Átírás

1 Lézersugaras fémpolimer kötések IV. ILAS Ipari Lézeralkalmazási Konferencia, Tatabánya, november 12. Markovits Tamás, Bauernhuber Andor, Takács János Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Kar Gépjárművek és Járműgyártás Tanszék 1

2 Tartalom Bevezetés kapcsolódó anyag és technológiai trendek hibrid kötéstechnológiák jelenlegi lézeres fejlesztések irányok és kihívások transzparens-abszorbens lézeres kötés Kutatás célkitűzései Vizsgálatok ismertetése Eredmények bemutatása Összefoglalás - lézer-anyag kölcsönhatás vizsgálata - főbb befolyásoló tényezők és hatásaik - összehasonlítás más hibrid kötési eljárással 2

3 Bevezetés Trendek Polimerek egyre nagyobb mértékű felhasználása súlycsökkentés kedvezőbb ár Fémek nem válthatók ki teljesen Hibrid anyagkonstrukciók jönnek létre Fémek és műanyagok egymáshoz kötése szükségszerű Mindkét anyag előnyös tulajdonságainak kihasználása egyszerre Kötéstechnológiai kihívások jelennek meg Új és továbbfejlesztett kötéstechnológiák Hibrid komponens [forrás: Mercedes front-end modul, forrás: 3

4 Bevezetés Hibrid kötéstechnológiák Alkalmazott fém-polimer kötések: Betétre fröccsöntés Ragasztás Mechanikus kötések Csavarozás Szegecselés Besajtolás Bepattanó Termikus kötések Súrlódással Ultrahanggal Indukciósan Lézersugárral Betétre fröccsöntés forrás. Átnyomásos szegecselés, forrás:[ulrike Beyer: Herstellung eines Metall- Kunststoff-Verbundes mit der Flach-Clinch-Technologie] Lézeres fém-polimer kötések (LAMP: Laser Assisted Metal Plastic joining) Sajtoló kötés forrás: 4

5 Bevezetés Jelenlegi LAMP fejlesztések (irányok, kihívások) Kutatások jellemző vizsgálati körülményei hevítés módok (transzparens, nem transzparens) lézer sugárforrások (SSL, dióda, CO 2 ), alapanyagok fém (ötvözetlen acél, korrózióálló acél, alumínium, réz, titán) polimer (PET, PMMA, PA,, szálerősítésű ) kötéstípusok (pontszerű, vonalmenti) Lézeres eljárás előnyei (többi lézeres eljáráshoz hasonlóan) jó minőség, jó reprodukálhatóság, jó automatizálhatóság, gyártási rugalmasság nagyobb sebesség, rövidebb ütemidő segédanyagok és kezelési problémáinak megszűnése 5

6 Bevezetés Jelenlegi LAMP fejlesztések (irányok, kihívások) forrás: BME GJT forrás: forrás: forrás: E. Rodríguez-V et al, LANE 2014 forrás. A. N. Fuchs et al., LANE2014 6

7 Bevezetés Transzparens-abszorbens lézeres kötés Kötés létrehozása: Transzparens, abszorbens anyagpár Átlapolt kötés (összeszorítva) Transzparens anyag döntően átengedi a sugarat, az abszorbens elnyeli, melyben hő fejlődik Kontaktus miatt érintkezési felületek együtt, adott mértékben felhevülnek Létrejön a kötés az érintkezési felületeknél (nem látható) Technológia helyzete, kihívások: transzparens anyag abszorbens anyag lézersugár Polimer-polimer kötéseknél már alkalmazott, fémeknél fejlesztés alatt Adott lézersugár, anyag párok és konstrukció esetekben A kötés minőségét befolyásoló tényezők, hatásaik és a kötés közben lejátszódó folyamatok csak részben ismertek, vagy ismeretlenek 7

8 Bevezetés BME GJT LAMP kutatás során vizsgált összefüggések Lézer: - Átlagteljesítmény - Üzemmód - Impulzus alak Alapanyag: - Fém típusa - Csap mikorgeometria - Csap makrogeometria - Polimer típusa - Polimer adalékolása - Polimer vastagsága Kialakuló jellemzők: - Transzparencia - Csaphőmérséklet - Benyomódás - Szakítóerő - Buborékképződés Technológia: - Hevítési idő - Hevítési profil - Nyomóerő - Szakításig eltelt idő 8

9 Bevezetés BME GJT LAMP kutatás során vizsgált összefüggések Lézer: - Átlagteljesítmény - Üzemmód - Impulzus alak Alapanyag: - Fém típusa - Csap mikorgeometria - Csap makrogeometria - Polimer típusa - Polimer adalékolása - Polimer vastagsága Kialakuló jellemzők: - Transzparencia - Csaphőmérséklet - Benyomódás - Szakítóerő - Buborékképződés Technológia: - Hevítési idő - Hevítési profil - Nyomóerő - Szakításig eltelt idő 9

10 A kutatás célkitűzései Transzparens, penetrációs, pontszerű kötéseknél Lézer-anyag kölcsönhatás vizsgálata 1. Transzparencia vizsgálat 2. Termikus vizsgálat Kötés kialakulásának és tulajdonságainak vizsgálata 3. Kötés kialakulási folyamatának meghatározása 4. Hevítési idő és nyomóerő 5. Buborékképződés 6. Mikrogeometria: érdesség 7. Makrogeometria: csap alak Összehasonlítása ragasztással 8. Szilárdsági vizsgálatok 10

11 11 Kísérletek

12 Kísérletek 1. Transzparencia vizsgálat Főbb jellemzők: Teljesítményméréssel (Pá= W) Időbeni változások Polimerrel vagy anélkül Különböző polimer típusok PMMA, PC, PP, PA, ABS Különböző hevítés módok (impulzus kicsatolás) Max besugárzási idő: 10 s Transzparencia mérés elve 12

13 Kísérletek 2. Termikus vizsgálat Főbb jellemzők: Acél csaphőmérséklet mérése Homlok és palást találkozásánál a paláston K típusú termoelemmel, hőmérsékletet Termokamerával, hőeloszlást Hatások szétbontásával A: nincs műanyag (PMMA) B: van, de nem ér a csaphoz C: kötés létrehozása Hőmérsékletmérés beállítása Kölcsönhatások vizsgálatának beállítása 13

14 Kísérletek 3-7. LAMP kötés létrehozása Alapanyagok: Lézer: Polimer: PMMA (poli-metil-metakrilát) Mérete: 15 x 15 x 2 vagy 5 mm Acél: S235 szerkezeti acél Nd:YAG impulzusüzemű lézer, P á = W, foltátmérő: 5 mm, változó impulzus beállítások (f, t p, P p ) Technológia: hevítési idő, álló helyzetben: 3-11 s nyomóerő: 3-9 N mikrogeometria R a : 1-10 µm (paláston és homlokon) makrogeometria: hengeres, kúpos, hornyolt, peremes, menetes segédgáz: Ar Kötés létrehozásának kísérleti beállítása 14

15 Kísérletek 8. Ragasztási kísérletek Ragasztóanyagok, cianoakrillát alapú pillanatragasztók LOCTITE 454 (nehezen ragasztható anyagokhoz, fém, műanyag, gumi, gép állagú) LOCTITE 496 (általános célú, fémekhez, folyadék állagú) Alapanyagok: - acél csap: hengeres, Ra: 1 µm - PMMA: vastagság 2 és 5 mm Előkészítés: zsákfurat marása furat alja sík felület furatmélység = benyomódás (0; 0,9; 3 mm) furat átmérő: 5,1 mm Ragasztás: ragasztócsepp a rés kitöltéséhez szorítóerő: 2-3 N, 3 percig kötési idő: 24 óra Vizsgálat: szakítóerő mérés az időben PCE FG 500, sebesség 75 mm/min Ragasztási kísérletek lépései 15

16 16 Eredmények

17 Eredmények 1. Transzparencia vizsgálat Vizsgálati módszer alkalmassága Induló transzparencia Időbeni változás Hevítés módjától függően Sorrend PMMA PC PP PA ABS Transzparencia változása különböző műanyagoknál 17

18 Eredmények 2. Termikus vizsgálat Kialakuló hőmérsékletet a műanyag jelenléte csökkenti Transzparencia Hővezetés Bomlás hőszükséglete TGA vizsgálatok 10 C/min és 80 C/min hevítés esetén Bomlás 290 C felett Csap homlokfelület hőmérséklet értéke a bomlási hőmérséklet felett Hevítési sebesség C/min Tömeg (%) C/min 80 C/min Homlokfelület hőmérséklete Hőmérséklet ( C) Kialakuló és a PMMA bomlási hőmérséklete A helyzet B helyzet C helyzet Hőmérséklet ( C) Lézerbeállítások: P átl =200W, f=100hz, t imp = 0,5ms, U gerj = 375V, E imp =2J, Lv 2mm 18

19 Eredmények 2. Termikus vizsgálat A helyzetben (lézer-fém csap) Homlokfelület termogramok A homlokfelület közepe gyorsabban, nagyobb hőmérsékletre hevül Gauss (TEM 00 ) intenzitás eloszlás hatása megfigyelhető Homlokfelület vonali termogramjai Homlokfelület területi termogramjai 19

20 Eredmények 3. LAMP kötés létrehozása 1. Lézersugár a csap homlokfelületét hevíti 2. Műanyag kilágyul 3. Nyomóerő a csapot a műanyagba süllyeszti, 4. Kiszorított polimer hátrafele távozik, sorja képződik 5. Lehűlés közben létrejön az adhéziós kötés, sorja összehúzódik Kötés folyamata Kötés lézerezés után Kötés szakítás után 20

21 Eredmények 4. 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 Hevítési idő (s) Benyomódás a hevítési idő függvényében Maximális szakítóerő (N) F=3,2N F=6N F=9,2N Hevítési idő (s) Szakítóerő a hevítési idő függvényében Kötés 3-7 s hevítési idő közt jön létre Hosszabb hevítés nagyobb benyomódás és szakítóerő Nagyobb nyomóerő nagyobb benyomódás és szakítóerő 4 s hevítés felett : buborékképződés 21

22 Eredmények 5. Buborékképződés Hosszabb hevítés több és nagyobb buborék A buborékok miatt a kötés szilárdsága csökken Jó kötés alacsonyabb hevítési idők (3s, 4s) esetén Buborékosodás a nyomóerővel kézben tartható Keletkező gáz a tömegspektrum alapján: PMMA monomer Buborékosodás jellemzése Buborékok a homlokfelületen 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 22

23 Eredmények 6. Mikrogeometria hatása Lézerbeállítások: P átl =200W, f=100hz, t imp = 0,5ms, U gerj = 375V, E imp =2J Benyomódás (mm) 2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0, Átlagos felületi érdesség (µm) Maximális szakítóerő (N) Átlagos felületi érdesség (µm) Növekvő erő oka: 1. alakzárás: az esztergált felület árkaiba a műanyag belefolyik, majd megszilárdul Ra = 1 µm Ra = 10 µm 2. mélyebb benyomódás: nagyobb érdességű felület jobban elnyeli a lézersugarakat 23

24 Eredmények 7. Makrogeometria hatása Eltérő, alakzáró geometriájú csapok belenyomása 5 mm vastagságú műanyagba Benyomódás minden esetben azonos (3,5 mm) 24

25 Eredmények 8. Összehasonlítás ragasztással Keresztmetszetek: azonos mélységek ragasztott kötés kitölti a réseket nedvesíti a fémet és PMMA-t lézeres kötés sorja képződés buborékok (hőhatás) Ragasztott kötés Ragasztott kötés keresztmetszete (lv: 2 mm) Lézeres kötés keresztmetszete, (lv:2 mm) 25

26 Eredmények 8. Összehasonlítás ragasztással Szakítóerő: átlagos szakítóerő N között Loctite 496 nagyobb szakítóerő mint 454, minden estben lézeres kötésnél azonos vagy nagyobb szakítóerők benyomódásnak nagyobb hatása van lézeres kötésnél Szilárdság közel azonos Technológia egyszerűsíthető és gyorsítható (nincs segédanyag és problémái, furat készítés és száradás elhagyásával) 26

27 Összefoglalás A transzparencia mérésre használt módszer alkalmas különböző műanyagok transzparenciájának és időbeni változásának meghatározására A kötésben kialakuló hőmérséklet a PMMA bomlásai hőmérséklete felett van. A hőmérséklet eloszlás jellegzetes. A LAMP kötés műanyagok és fémek közt transzparens, penetrációs módon, pontszerűen is létrehozható Hevítési idő és a nyomóerő növelésével a benyomódás és a szakítóerő is növekszik A képződő buborékok adott mérték fölött rontják a szilárdságot, amely a nyomóerővel kézben tartható Felületi érdesség a benyomódást és a szakító erőt is növeli A csap célszerű makrogeometriai megváltoztatásával a szilárdság tovább növelhető Lézeres kötés alkalmazásával a ragasztáshoz hasonló szilárdságú kötés készíthető, további technológiai előnyökkel 27

28 Lézersugaras fém-polimer kötések Kapcsolat: Dr. Markovits Tamás 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 ) és - a Henkel Magyarország kft-nek. 28