Dans un nombre croissant d'applications industrielles, les lasers sont désormais considérés comme une solution alternative pour le soudage direct de matériaux plastiques / composites sur des métaux. Sexe
Actuellement, l'un des moteurs de l'industrie automobile consiste à fabriquer une voiture plus légère sans ajouter de coût ni endommager ou affecter les performances, la qualité et la sécurité, etc. Pour la structure du siège, cela comprend principalement l'utilisation de Des aciers plus minces et plus résistants, des structures de matériaux hybrides ont également été étudiés de manière approfondie au cours des dernières années, et ceci s'applique également aux structures hybrides métalliques et aux structures de composants constituées de composites métal / plastique.
L'utilisation de ces matériaux hybrides construction de apportera de nombreux défis, la plus évidente est de savoir comment ayant des propriétés chimiques, mécaniques et thermiques du matériau constitutif sont soudés ensemble. Les plus techniques classiques de soudage pour plastique et matériau métallique est collant La liaison adhésive, la soudure mécanique, le surmoulage ou une combinaison de ces processus impliquent un grand nombre d'opérations d'assemblage et créent des limitations de conception.
Les lasers ont maintenant été considérés comme une solution alternative pour le soudage direct de matériaux plastiques / composites sur des métaux dans un nombre croissant d'applications industrielles, sans avoir besoin de liants liquides / solides supplémentaires ou Les composants assemblés et les lasers offrent une grande flexibilité de processus par rapport aux joints mécaniques et aux moules complexes et coûteux Pour évaluer les possibilités de cette nouvelle technologie laser, Faurecia Automotive Seating en Allemagne et la Communauté européenne ont cofinancé un Projet appelé PMjoin.
Étapes du processus laser
Cette directe, un moyen laser sans contact comprend un procédé en deux étapes. Tout d'abord, la matière topique et ablative, la microstructure est formée avec des rainures sur la surface du métal dans la région balayée par le laser. Évidement peut être petit à quelques microns de large, et une pluralité de temps peut être modifié par le balayage d'un laser sur la même région de la profondeur la figure 1 montre deux différentes géométries de rainure: supérieure est à onde continue (CW) des lasers à fibres monomodes pour créer un motif, qui est caractérisé en ayant une partie supérieure petite configuration de section transversale irrégulière de la rainure de refonte, tandis que le fond est l'utilisation d'une nanoseconde à impulsions style de construction de laser, dans lequel la forme régulière de la rainure ayant une grande structure en haut de la refonte.
Figure 1: Détail d'une surface structurée (en haut) réalisée avec un laser à ondes continues (position de la ligne centrale) et un laser à impulsions nanosecondes (ligne du bas).
Dans la seconde étape du procédé, la matière plastique structurale et le métal superposées et chauffé à la température de fusion de la longueur d'onde de laser de plastique transparent, le faisceau laser peut être appliqué à partir de l'extrémité latérale de la matière plastique - l'énergie du laser est transmise à travers la matière plastique à l'interface de collage , l'énergie est absorbée à l'interface du métal réchauffé progressivement, et une conductivité thermique faible en matière plastique garantit que les points chauds locaux, pour faire fondre la matière plastique.
Pour la longueur d'onde du laser est une matière plastique opaque (y compris la plupart matière plastique structurale automobile / composite), le métal doit être chauffé à partir de l'extrémité du côté de chauffage au moyen d'un métal conducteur. Lorsque suffisamment de chaleur est générée localement au niveau de l'interface, la matière plastique en fusion Dans les deux cas, un bon contrôle de la température est crucial pour éviter la surchauffe du plastique (causant des pores) ou la brûlure.
Bien que les solutions de chauffage par conduction ne soient pas économes en énergie, elles sont aussi efficaces qu'une solution de chauffage transmissif qui crée une jonction stable dans laquelle des lasers à diode directe à ondes continues sont utilisés pour chauffer les extrémités latérales métalliques. Dans le processus de chauffage, la pression doit être appliquée pour assurer que la chaleur est efficacement introduite dans le plastique. Dès que le plastique atteint la température de fusion, il s'écoule sous pression dans la microstructure et se fixe sur la structure métallique. .
Concept de design de siège de voiture
Dans le cadre projet PMjoin, un concept de Faurecia conçu avec son siège arrière structure de la structure de siège en acier commun (fig. 2) est un modèle dans lequel deux sièges d'acier à haute résistance châssis latéral avant par un matériau composite PAGF30 en variante. le dossier, l'ensemble d'inclinaison et la poutre inférieure, et le réglage du coussin de siège et la structure de guidage reste inchangé.
Dans la première partie, l'influence des paramètres sur la microstructure des propriétés mécaniques communs. A cet effet, un ensemble de la conception expérimentale est agencé pour produire une pièce d'essai ayant différentes motif de rainure simple, puis de procéder à l'échantillon de cisaillement de recouvrement et test de pelage à la traction. les paramètres étudiés comprennent l'orientation, laser du type à répétition (laser) fréquence de fonctionnement, la densité de la structure (le pas entre les rainures), l'angle de gorge par rapport à la surface du matériau, la structure de rainure par rapport à la direction de la charge, et de la puissance laser. par exemple, une géométrie simple de la rainure est réalisée 17N / mm2 valeurs de résistance au cisaillement de la valeur de la résistance au cisaillement de plus de deux fois la rugosité de surface (sablage) atteint la valeur de processus, et 4 fois la valeur de surface du métal non traité.
Comme décrit ci-dessus, ont trouvé que l'utilisation de différents laser (structuré) peut réaliser différentes géométries de rainure. Taille (et forme) de la couche de refonte et les irrégularités de surface du matériau forme en saillie de la rainure aide Ancres en plastique dans le connecteur.
Dans la seconde étape de l'étude, les résultats du concept de test à petite échelle sont transférées vers le siège arrière structure. Charge mécanique de chaque soudure, à savoir la soudure entre les composants et les composites poutres supérieures et inférieures des éléments latéraux, et l'assemblage inclinable en acier et le soudage entre l'élément composite est un cadre latéral arrière par un acier ayant une analyse par éléments finis (FE) représentative est déterminée. basée sur les résultats des expériences à petite échelle, la charge de chaque joint est déterminée par calcul du FE Passez la zone de joint requise.
En raison de l'utilisation des éléments de châssis latéraux composites préalablement un projet, au niveau des points de soudage doivent être légèrement remanié pour faire en sorte que la mise en place d'une nouvelle technique à base de laser peut obtenir zone de soudure suffisante. En outre, la conception et la fabrication de nouveaux stent en acier dans l'ensemble d'inclinaison classique et les éléments de châssis latéraux soudés sur le composite. il a également été conçu conjointement avec le positionnement approprié et gabarit de serrage.
Résultat du test
Un petit nombre de structures de dossier conceptuelles ont été fabriquées en utilisant les paramètres identifiés dans les essais pilotes et ont été soumises à des essais de choc avant et arrière quasi-statiques ainsi qu'à des essais dynamiques de choc avant. Comment l'échec se manifeste, et les tests de choc dynamiques montrent ce qui se passe réellement dans la vie réelle Bien que ce dernier ne donne qu'un seul rapport qualifié ou non, le test d'impact quasi-statique renvoie un résultat quantitatif - c'est-à-dire La structure dans quel état de couple ou de puissance va échouer.
Bien qu'ils soient toujours positifs en tant que premier résultat de test, les modes de défaillance observés indiquent également que le concept de conception est encore trop rigide. De plus, les pièces en acier et en composite ont été repensées pour maximiser leur impact sur la structure du dossier. Le potentiel de performance pour réaliser des conceptions plus avancées reste à voir, cependant, et la structure hybride passe le test d'impact dynamique de toute façon.
Figure 2: Structure générale du siège d'auto.
Cette étude conceptuelle montre clairement que l'utilisation de lasers pour souder directement les plastiques aux métaux est la solution idéale pour remplacer les approches traditionnelles telles que le collage, le soudage mécanique ou le surmoulage, et que les composants hybrides semi-structurés sont maintenant très efficaces Profitez de cette technologie de soudage au laser.
Cependant, il reste encore beaucoup à faire avant de l'utiliser dans la production en série de modules hybrides, ce qui nécessite au moins une autre itération de conception pour maximiser le potentiel d'un processus de résistance mécanique pour les matériaux et les structures, Humidité et température, etc. En outre, d'autres technologies alternatives de conduction thermique peuvent également être envisagées.