lézersugaras fém- polimer kötések -...

Lézersugaras fém-polimer kötésekIV. ILAS Ipari Lézeralkalmazási Konferencia,Tatabánya, 2014. november 12.

Budapest Mőszaki és Gazdaságtudományi EgyetemKözlekedésmérnöki és Jármőmérnöki KarGépjármővek és Jármőgyártás Tanszék

1

Markovits Tamás, Bauernhuber Andor, Takács János

Tartalom

2

• Bevezetés

• kapcsolódó anyag és technológiai trendek

• hibrid kötéstechnológiák

• jelenlegi lézeres fejlesztések

• irányok és kihívások

• transzparens-abszorbens lézeres kötés

• Kutatás célkitőzései

• Vizsgálatok ismertetése

• Eredmények bemutatása

• Összefoglalás

- lézer-anyag kölcsönhatás vizsgálata- fıbb befolyásoló tényezık és hatásaik- összehasonlítás más hibrid kötési eljárással

Bevezetés

3

• Polimerek egyre nagyobb mértékő felhasználása

• súlycsökkentés

• kedvezıbb ár

• Fémek nem válthatók ki teljesen

• Hibrid anyagkonstrukciók jönnek létre

• Fémek és mőanyagok egymáshoz kötése szükségszerő

• Mindkét anyag elınyös tulajdonságainak kihasználása egyszerre

• Kötéstechnológiai kihívások jelennek meg

• Új és továbbfejlesztett kötéstechnológiák

Trendek

Mercedes front-end modul, forrás:http://www.plasticsnews.com

Hibrid komponens[forrás: www.new-materials.de]

Bevezetés

4

Hibrid kötéstechnológiák

Alkalmazott fém-polimer kötések:• Betétre fröccsöntés• Ragasztás• Mechanikus kötések

• Csavarozás• Szegecselés• Besajtolás• Bepattanó

• Termikus kötések• Súrlódással• Ultrahanggal• Indukciósan• Lézersugárral

Betétre fröccsöntésforrás. www.maxellmms.com

Lézeres fém-polimer kötések(LAMP: Laser Assisted Metal

Plastic joining)Sajtoló kötés

forrás: www.ptonline.com

Átnyomásos szegecselés, forrás:[Ulrike Beyer: Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundes mit der Flach-Clinch-Technologie]

Bevezetés

5

Jelenlegi LAMP fejlesztések (irányok, kihívások)

Lézeres eljárás elınyei (többi lézeres eljáráshoz hasonlóan)

• jó minıség, jó reprodukálhatóság,

• jó automatizálhatóság, gyártási rugalmasság

• nagyobb sebesség, rövidebb ütemidı

• segédanyagok és kezelési problémáinak megszőnése

Kutatások jellemzı vizsgálati körülményei

• hevítés módok (transzparens, nem transzparens)• lézer sugárforrások (SSL, dióda, CO2),

• alapanyagok

• fém (ötvözetlen acél, korrózióálló acél, alumínium, réz, titán)

• polimer (PET, PMMA, PA,…, szálerısítéső…)• kötéstípusok (pontszerő, vonalmenti)

Bevezetés

6

Jelenlegi LAMP fejlesztések (irányok, kihívások)

forrás. A. N. Fuchs et al., LANE2014forrás: E. Rodríguez-V et al, LANE 2014

forrás: www.industrial-lasers.com

forrás: www.industrial-lasers.com

forrás: BME GJT

Bevezetés

7

Transzparens-abszorbens lézeres kötés

Kötés létrehozása:

• Transzparens, abszorbens anyagpár

• Átlapolt kötés (összeszorítva)

• Transzparens anyag döntıen átengedi a sugarat, az abszorbens elnyeli, melyben hı fejlıdik

• Kontaktus miatt érintkezési felületek együtt, adott mértékben felhevülnek

• Létrejön a kötés az érintkezési felületeknél (nem látható)

Technológia helyzete, kihívások:

• Polimer-polimer kötéseknél már alkalmazott, fémeknél fejlesztés alatt

• Adott lézersugár, anyag párok és konstrukció esetekben

• A kötés minıségét befolyásoló tényezık, hatásaik és a kötés közben lejátszódófolyamatok csak részben ismertek, vagy ismeretlenek

transzparensanyag

abszorbens anyag

lézersugár

Bevezetés

8

BME GJT LAMP kutatás során vizsgált összefüggések

Kialakuló jellemzık:

- Transzparencia

- Csaphımérséklet

- Benyomódás

- Szakítóerı

- Buborékképzıdés

Alapanyag:

- Fém típusa- Csap mikorgeometria- Csap makrogeometria- Polimer típusa- Polimer adalékolása- Polimer vastagsága

Lézer:- Átlagteljesítmény- Üzemmód- Impulzus alak

Technológia:- Hevítési idı- Hevítési profil- Nyomóerı- Szakításig eltelt idı

Bevezetés

9

BME GJT LAMP kutatás során vizsgált összefüggések

Kialakuló jellemzık:

- Transzparencia

- Csaphımérséklet

- Benyomódás

- Szakítóerı

- Buborékképzıdés

Alapanyag:

- Fém típusa- Csap mikorgeometria- Csap makrogeometria- Polimer típusa- Polimer adalékolása- Polimer vastagsága

Lézer:- Átlagteljesítmény- Üzemmód- Impulzus alak

Technológia:- Hevítési idı- Hevítési profil- Nyomóerı- Szakításig eltelt idı

A kutatás célkitőzései

10

• Lézer-anyag kölcsönhatás vizsgálata

1. Transzparencia vizsgálat

2. Termikus vizsgálat

• Kötés kialakulásának és tulajdonságainak vizsgálata

3. Kötés kialakulási folyamatának meghatározása

4. Hevítési idı és nyomóerı

5. Buborékképzıdés

6. Mikrogeometria: érdesség

7. Makrogeometria: csap alak

• Összehasonlítása ragasztással

8. Szilárdsági vizsgálatok

Transzparens, penetrációs, pontszerő kötéseknél

11

Kísérletek

Kísérletek

12


Fıbb jellemzık:

• Teljesítményméréssel (Pá= 40-200 W)

• Idıbeni változások

• Polimerrel vagy anélkül

• Különbözı polimer típusok

• PMMA, PC, PP, PA, ABS

• Különbözı hevítés módok (impulzus kicsatolás)

• Max besugárzási idı: 10 s

Transzparencia mérés elve

Kísérletek

13


Fıbb jellemzık:• Acél csaphımérséklet mérése

• Homlok és palást találkozásánál a paláston

• K típusú termoelemmel, hımérsékletet

• Termokamerával, hıeloszlást

• Hatások szétbontásával

• A: nincs mőanyag (PMMA)• B: van, de nem ér a csaphoz• C: kötés létrehozása

Hımérsékletmérés beállítása

Kölcsönhatások vizsgálatának beállítása

Kísérletek

14

3-7. LAMP kötés létrehozása

• Alapanyagok:

• Polimer: PMMA (poli-metil-metakrilát)

• Mérete: 15 x 15 x 2 vagy 5 mm

• Acél: S235 szerkezeti acél

• Lézer:

• Nd:YAG impulzusüzemő lézer,

• Pá=100-200 W,

• foltátmérı: 5 mm,

• változó impulzus beállítások (f, tp, Pp)

• Technológia:

• hevítési idı, álló helyzetben: 3-11 s

• nyomóerı: 3-9 N

• mikrogeometria Ra: 1-10 µm (paláston és homlokon)

• makrogeometria: hengeres, kúpos, hornyolt, peremes, menetes

• segédgáz: Ar

Kötés létrehozásának kísérleti beállítása

Kísérletek

15

8. Ragasztási kísérletek

Ragasztóanyagok, cianoakrillát alapú pillanatragasztók• LOCTITE® 454™(nehezen ragasztható anyagokhoz, fém, mőanyag, gumi, gép állagú)

• LOCTITE® 496™ (általános célú, fémekhez, folyadék állagú)

Elıkészítés:• zsákfurat marása• furat alja sík felület• furatmélység = benyomódás (0; 0,9; 3 mm)• furat átmérı: 5,1 mm

Ragasztás:• ragasztócsepp a rés kitöltéséhez• szorítóerı: 2-3 N, 3 percig• kötési idı: 24 óra

Alapanyagok:- acél csap: hengeres, Ra: 1 µm- PMMA: vastagság 2 és 5 mm

Vizsgálat:• szakítóerı mérés az idıben• PCE FG 500, sebesség 75 mm/min

Ragasztási kísérletek lépései

16

Eredmények

Eredmények

17


• Vizsgálati módszer alkalmassága

• Induló transzparencia

• Idıbeni változás

• Hevítés módjától függıen

• Sorrend

• PMMA

• PC

• PP

• PA

• ABS Transzparencia változása különbözı mőanyagoknál

Eredmények

18


• Kialakuló hımérsékletet a mőanyag jelenléte csökkenti

• Transzparencia

• Hıvezetés

• Bomlás hıszükséglete

• TGA vizsgálatok 10°C/min és

80°C/min hevítés esetén

• Bomlás 290°C felett

• Csap homlokfelület hımérséklet értéke a bomlási hımérséklet felett

• Hevítési sebesség 4000-5000 °C/min

Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J, Lv 2mm

Homlokfelület hımérséklete

Kialakuló és a PMMA bomlási hımérséklete

Eredmények

19

• A helyzetben (lézer-fém csap)

• Homlokfelület termogramok

• A homlokfelület közepe

• gyorsabban,

• nagyobb hımérsékletre hevül

• Gauss (TEM00) intenzitás eloszlás hatása megfigyelhetı


Homlokfelület területi termogramjai

Homlokfelület vonali termogramjai

Eredmények

20

3. LAMP kötés létrehozása

1. Lézersugár a csap homlokfelületét hevíti

2. Mőanyag kilágyul

3. Nyomóerı a csapot a mőanyagba süllyeszti,

4. Kiszorított polimer hátrafele távozik, sorja képzıdik

5. Lehőlés közben létrejön az adhéziós kötés, sorja összehúzódik

Kötés lézerezés után Kötés szakítás után

Kötés folyamata

Eredmények

21

4. Hevítési idı és nyomóerı hatása

• Kötés 3-7 s hevítési idı közt jön létre• Hosszabb hevítés � nagyobb benyomódás és szakítóerı• Nagyobb nyomóerı � nagyobb benyomódás és szakítóerı

• 4 s hevítés felett : buborékképzıdés


Benyomódás a hevítési idı függvényében Szakítóerı a hevítési idı függvényében

Eredmények

22

5. Buborékképzıdés

Fnyom = 3,2 N Fnyom = 6 N Fnyom = 9,2 N

• Hosszabb hevítés � több és nagyobb buborék

• A buborékok miatt a kötés szilárdsága csökken

• Jó kötés alacsonyabb hevítési idık (3s, 4s) esetén

• Buborékosodás a nyomóerıvel kézben tartható

• Keletkezı gáz a tömegspektrum alapján: PMMA monomer


Buborékosodás jellemzése

Buborékok a homlokfelületen

Eredmények

23

6. Mikrogeometria hatása

Növekvı erı oka:

1. alakzárás: az esztergált felület árkaiba a mőanyag belefolyik, majd megszilárdul

2. mélyebb benyomódás: nagyobb érdességő felület jobban elnyeli a lézersugarakatRa = 1 µm Ra = 10 µm

Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J

Eredmények

24

7. Makrogeometria hatása

• Eltérı, alakzáró geometriájúcsapok belenyomása

• 5 mm vastagságú mőanyagba

• Benyomódás minden esetben azonos (3,5 mm)

Eredmények

25

Keresztmetszetek:• azonos mélységek

• ragasztott kötés

• kitölti a réseket

• nedvesíti a fémet és PMMA-t

• lézeres kötés

• sorja képzıdés

• buborékok (hıhatás)

Ragasztott kötés keresztmetszete (lv: 2 mm)

Lézeres kötés keresztmetszete,

(lv:2 mm)

8. Összehasonlítás ragasztással

Ragasztott kötés

Eredmények

26

• átlagos szakítóerı 80-210 Nközött

• Loctite 496 nagyobb szakítóerı

mint 454, minden estben

• lézeres kötésnél azonos vagynagyobb szakítóerık

• benyomódásnak nagyobb hatása

van lézeres kötésnél

8. Összehasonlítás ragasztással

Szakítóerı:

• Szilárdság közel azonos

• Technológia egyszerősíthetı és gyorsítható (nincs segédanyag és problémái, furat készítés és száradás elhagyásával)

Összefoglalás

27

• A transzparencia mérésre használt módszer alkalmas különbözı mőanyagok transzparenciájának és idıbeni változásának meghatározására

• A kötésben kialakuló hımérséklet a PMMA bomlásai hımérséklete felett van. A hımérséklet eloszlás jellegzetes.

• A LAMP kötés mőanyagok és fémek közt transzparens, penetrációs módon, pontszerően is létrehozható

• Hevítési idı és a nyomóerı növelésével a benyomódás és a szakítóerı is növekszik

• A képzıdı buborékok adott mérték fölött rontják a szilárdságot, amely a nyomóerıvel kézben tartható

• Felületi érdesség a benyomódást és a szakító erıt is növeli

• A csap célszerő makrogeometriai megváltoztatásával a szilárdság tovább növelhetı

• Lézeres kötés alkalmazásával a ragasztáshoz hasonló szilárdságú kötés készíthetı, további technológiai elınyökkel

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

28

Lézersugaras fém-polimer kötések

Kapcsolat:Dr. Markovits Tamás – [email protected]

Budapest Mőszaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépjármővek és Jármőgyártás Tanszék

A szerzık köszönetet mondanak:

- az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA)

pénzügyi támogatásáért (OTKA 109436) és

- a Henkel Magyarország kft-nek.

lézersugaras fém- polimer kötések -...

Documents