В растущем числе промышленных применений лазеры теперь рассматриваются как альтернативное решение для непосредственной сварки пластиковых / композиционных материалов с металлами. Такой бесконтактный подход к обработке обеспечивает максимальную гибкость процесса секс.
В настоящее время одним из водителей автомобильной промышленности является изготовление легкогрузового автомобиля без увеличения стоимости или повреждения или воздействия на производительность, качество и безопасность и т. Д. Для структуры сиденья это в основном включает использование В последние годы также интенсивно изучались более тонкие и более сильные стали, гибридные материальные структуры, и это также относится к гибридным структурам и составным структурам, построенным из металлических / пластмассовых композитов.
Использование этих гибридных материальных структур создает множество различных проблем, в первую очередь, как связывать составные материалы с различными химическими, механическими и тепловыми свойствами. Самые современные технологии, используемые в настоящее время для сварки пластмасс и металлов, являются липкими Адгезивное склеивание, механическая сварка, формование или комбинация этих процессов связаны с большим количеством сборочных операций и создают конструктивные ограничения.
Лазеры теперь рассматриваются как альтернативное решение для непосредственного сварки пластмассовых / композиционных материалов с металлами во все большем числе промышленных применений без необходимости в дополнительных жидких / твердых связующих или Собранные компоненты и лазеры обеспечивают высокую гибкость процесса по сравнению с механическими соединениями и сложными и дорогостоящими формами. Чтобы оценить возможности этой новой лазерной технологии, Faurecia Automotive Seating в Германии и Европейском сообществе совместно финансировали Проект называется PMjoin.
Этапы лазерного процесса
Этот прямой бесконтактный лазерный процесс состоит из двух этапов: во-первых, на металлической поверхности формируется рифленая микроструктура, сканируя лазер в этой области и удаляя материал локально. Канавки могут иметь ширину в несколько микрон, В то время как глубину можно варьировать, сканируя лазер несколько раз в той же области. На рисунке 1 показаны две разные геометрии паза: верхняя часть представляет собой шаблон, созданный с использованием одномодового волоконного лазера с непрерывной волной (CW), характеризующегося Маленькие, пересчитанные нерегулярные поперечные канавки, а дно - это стиль, построенный с использованием наносекундного импульсного лазера, с регулярной формой канавки с большой перестроенной структурой сверху.
Рисунок 1: Деталь структурированной поверхности (сверху), выполненной с непрерывным волновым лазером (положение центрального ряда) и наносекундным импульсным лазером (нижний ряд).
На второй стадии способа пластик помещается поверх структурированного металла и нагревается до температуры плавления. Для пластика, который прозрачен для длины волны лазера, лазерный луч может быть нанесен с пластикового бокового конца - лазерная энергия передается через пластик на соединительный интерфейс Энергия на этом интерфейсе поглощается металлом, металл постепенно прогревается, а низкая теплопроводность пластика обеспечивает локальные горячие точки и расплавляет пластик.
Для пластмасс, которые непрозрачны для длины волны лазера, включая большинство автомобильных структурных пластмасс / композитов, металл должен быть нагрет с металлической стороны путем проводящего нагрева металла. Когда на поверхности раздела создается локальное образование тепла, пластиковые расплавы В обоих случаях хороший температурный контроль имеет решающее значение, чтобы избежать перегрева пластика (вызывая поры) или горения.
Хотя проводящие нагревательные растворы не являются энергоэффективными, он столь же эффективен, как и передающий нагревательный раствор, который создает устойчивое соединение, в котором непрерывные волны с прямым диодным лазером используются для проводящего нагрева с металлических боковых сторон. В проводящем нагревании и передаче В процессе нагрева необходимо нанести давление, чтобы обеспечить эффективную подачу тепла в пластик. Как только пластик достигает температуры плавления, он течет под давлением в микроструктуру и при охлаждении закрепляется на металлической структуре, тем самым образуя механическую блокировку ,
Концепция дизайна автокресла
В рамках проекта PMjoin Faurecia разработала концептуальную структуру спинки сиденья на основе ее универсальной стальной конструкции сиденья (рис. 2), где два высокопрочных стальных боковых элемента спинки сиденья выполнены из композита PAGF30 Вместо этого верхний и нижний поперечины и откидные компоненты спинки, а также подушка сиденья и регулировочная направляющая остаются неизменными.
В первой части впервые изучалось влияние параметров микроструктуры на механические свойства соединения. Поэтому был составлен набор экспериментальных конструкций для получения простых образцов с различными рисунками пазов, а затем растягивающий сдвиг , Испытание на растяжение и отслаивание. Изученные параметры включают в себя количество операций повторения (лазер), структурную плотность (расстояние между канавками), угол канавки относительно поверхности материала, ориентацию структуры канавки относительно направления нагрузки, тип лазера, И, например, сила лазера Например, прочность на сдвиг 17 Н / мм2 может быть достигнута с использованием простой геометрии паза, которая более чем в два раза превышает значение, полученное на шероховатой (пескоструйной) поверхности, и В 4 раза превышает поверхностное значение необработанного металла.
Как уже упоминалось ранее, было обнаружено, что различные геометрии канавок могут быть достигнуты с помощью разных (структурированных) лазеров. Неправильная форма канавки и размер (и форма) слоя переливания, выступающего из поверхности материала, помогают Пластиковые анкеры в разъеме.
На втором этапе исследования результаты мелкомасштабных испытаний были перенесены на концептуальную структуру спинки сиденья. Механическая нагрузка в каждой точке сварного шва, сварной шов между верхним и нижним элементами балки и составными боковыми элементами и стальной отрезной узел А составные боковые элементы определяются анализом конечных элементов (FE) репрезентативной стальной структуры. По результатам мелкомасштабных испытаний расчетная нагрузка FE определяется на каждом стыке Пройдите требуемую область сустава.
Из-за использования составных боковых элементов предыдущего проекта в точках сварки требовалась небольшая редизайн для обеспечения надлежащей зоны сварки с использованием новой лазерной технологии. Кроме того, был разработан и изготовлен новый стальной кронштейн Сварить существующий откидной узел с композитными боковыми элементами вместе с подходящим позиционирующим и зажимным приспособлением.
Результат теста
Небольшое количество концептуальных задних структур спинки были изготовлены с использованием параметров, идентифицированных в пилотных испытаниях, и были подвергнуты квазистатическим испытаниям переднего и заднего удара, а также динамическим испытаниям переднего удара. Оба типа испытаний помогли понять Как провал проявляется, а динамические шоковые тесты показывают, что на самом деле происходит в реальной жизни. Хотя последний дает только один квалифицированный или неквалифицированный отчет, квазистатическое испытание на воздействие возвращает количественный результат, Структура, в которой крутящий момент или состояние питания не сработают.
В то время как все еще положительный результат первого теста, наблюдаемые режимы отказа также указывают на то, что концепция дизайна все еще слишком жесткая. Кроме того, стали и составные части были переработаны, чтобы максимально увеличить их влияние на структуру сиденья Однако возможности для реализации более продвинутых конструкций еще предстоит увидеть, и гибридная структура все равно проходит испытание на динамическое воздействие.
Рисунок 2: Общая конструкция сиденья автомобиля.
Это концептуальное исследование ясно показывает, что использование лазеров для сварки пластмасс непосредственно с металлами является идеальным решением для замены традиционных подходов, таких как адгезивное склеивание, механическая сварка или формование, а в результате полуструктурированные гибридные компоненты в настоящее время являются высокоэффективными Воспользуйтесь этой технологией лазерной сварки.
Тем не менее, есть еще какой-то способ, прежде чем он будет использоваться в массовом производстве гибридных модулей, для чего требуется, по меньшей мере, еще одна итерация конструкции, чтобы максимизировать потенциал процесса механической прочности как для материалов, так и для конструкций, Влажность, температура и другие долгосрочные переменные при выполнении оценки. Кроме того, вы можете также рассмотреть другие альтернативные технологии для теплопроводности.