En un número creciente de aplicaciones industriales, los láseres ahora se han considerado como una solución alternativa para soldar directamente materiales plásticos / compuestos a los metales. Este enfoque de mecanizado sin contacto proporciona la mayor flexibilidad de proceso Sexo.
Actualmente, uno de los impulsores de la industria automotriz es cómo fabricar un automóvil más liviano sin agregar costos o dañar o afectar el rendimiento, la calidad y la seguridad, etc. Para la estructura del asiento, esto incluye principalmente el uso de Los aceros más delgados y más resistentes, las estructuras de materiales híbridos también se han estudiado ampliamente en los últimos años, y esto también se aplica a las estructuras híbridas solo metálicas y las estructuras de componentes construidas con materiales compuestos de metal / plástico.
El uso de estos materiales de construcción híbridos traerá muchos desafíos diferentes, la más obvia es cómo que tienen diferentes propiedades químicas, mecánicas y térmicas del material constituyente se sueldan entre sí. Las técnicas de soldadura más convencionales para plástico y material metálico es pegajoso composición de agente de pegado, soldadura mecánica, sobremoldeo, o estos procesos, tales medios implica un gran número de operaciones de montaje, y tendrá una limitación de diseño.
Los láseres se han considerado ahora como una solución alternativa para soldar directamente materiales plásticos / compuestos a los metales en un número cada vez mayor de aplicaciones industriales, sin la necesidad de aglutinantes líquidos / sólidos adicionales o Los componentes y láseres ensamblados ofrecen una gran flexibilidad de proceso en comparación con uniones mecánicas y moldes complejos y costosos. Para evaluar las posibilidades de esta nueva tecnología láser, Faurecia Automotive Seating en Alemania y la Comunidad Europea cofinanció una Proyecto llamado PMjoin.
Pasos del proceso con láser
Esto, sin contacto directo significa láser comprende un proceso de dos etapas. En primer lugar, el material tópico y ablativo, la microestructura está formada con surcos en la superficie del metal en la región explorada por el láser. Rebajo puede ser pequeño para unas pocas micras de ancho, Mientras que la profundidad puede variarse escaneando el láser varias veces en la misma área. La Figura 1 muestra dos geometrías de ranura diferentes: la parte superior es un patrón creado utilizando un láser de fibra monomodo de onda continua (CW) caracterizado por una Pequeñas ranuras transversales de sección irregular de forma irregular, mientras que la parte inferior es un estilo construido con un láser pulsado de nanosegundos que presenta una forma de surco regular con una gran estructura refundida en la parte superior.
Detalles con láser de onda continua (posición fila del medio) y nanosegundo láser pulsado (fila inferior) para crear la superficie estructurada (parte superior): la fig.
En la segunda etapa del procedimiento, el plástico estructural y metal superpuestas y se calienta a temperatura de fusión para la longitud de onda de láser de plástico transparente, el haz de láser se puede aplicar desde el extremo lateral de la plástico - la energía del láser se transmite a través del plástico a la interfaz de unión , la energía es absorbida en la interfaz del metal para calentó gradualmente, y una baja conductividad térmica de plástico asegura que los puntos calientes locales, para fundir el plástico.
Para plásticos que son opacos a la longitud de onda del láser, incluyendo la mayoría de los plásticos / compuestos estructurales de automoción, el metal debe calentarse desde el lado metálico mediante calentamiento conductivo del metal. Cuando se genera suficiente calor en la interfaz, el plástico se derrite En ambos casos, un buen control de la temperatura es crucial para evitar el sobrecalentamiento del plástico (que causa poros) o la quema.
Aunque la solución no juega una utilidad de energía de calefacción eléctricamente conductora, pero es la transmisión de calor tan eficaz para crear soluciones estables enlazador. En este proceso, un láser de diodo de onda continua se calienta directamente conductora desde el extremo lateral de la calefacción conductor de metal y la transmisión proceso de calentamiento, la presión debe ser aplicado para asegurar que el calor se lleva a cabo de manera eficiente al plástico. una vez que la masa fundida de plástico alcanza una temperatura, presión fluirá en la microestructura, durante el enfriamiento, que se fija a la estructura de metal en sí, formando de este modo un enclavamiento mecánico .
Concepto de diseño de asiento de coche
Como parte del proyecto PMjoin, Faurecia ideó una estructura conceptual de respaldo de asiento basada en su versátil estructura de asiento de acero (Figura 2), donde dos miembros laterales de acero de alta resistencia del respaldo están hechos de compuesto PAGF30 En su lugar, los miembros transversales superiores e inferiores y los componentes reclinables del respaldo, así como el cojín del asiento y la estructura del carril de ajuste, permanecen sin cambios.
En la primera parte, la influencia de los parámetros en las propiedades mecánicas conjuntos microestructura. Para este fin, un conjunto de diseño experimental está dispuesto para producir una pieza de ensayo que tienen diversas patrón de ranura simple, y luego llevar a cabo la muestra al cizallamiento del solapado , y prueba de pelado a la tracción. parámetros estudiados incluyen orientación, tipo de repetición del láser (láser) frecuencia de operación, la densidad de la estructura (el paso entre ranuras), el ángulo de la ranura en relación con la superficie del material, la estructura de ranura con respecto a la dirección de carga, y láser de potencia. por ejemplo, una geometría simple ranura se consigue valores de 17N / mm2 resistencia al cizallamiento del valor de resistencia a la cizalladura de más de dos veces la rugosidad (chorro de arena) proceso logrado valor de superficie, y 4 veces el valor de superficie del metal no tratado.
Como se describió anteriormente, que se encuentra que el uso de diferentes láser (estructurado) puede alcanzar diferentes geometrías de ranura. Tamaño (y forma) de la capa de refundición y las irregularidades de la superficie de material que sobresale forma de la ranura ayuda Anclajes de plástico en el conector.
En la segunda etapa del estudio, los resultados de concepto de prueba a pequeña escala se transfiere a la estructura del asiento de atrás. Carga mecánica de cada soldadura, es decir, la soldadura entre los componentes y las vigas superior e inferior de material compuesto de los elementos laterales, y el conjunto de sillón reclinable de acero Y los miembros laterales compuestos se determinan mediante el análisis de elementos finitos (FE) de una estructura de acero representativa. Sobre la base de los resultados de las pruebas a pequeña escala, la carga calculada por FE se determina en cada unión Pase el área de unión requerida.
Debido al uso de los miembros laterales compuestos del proyecto anterior, se requirió un ligero rediseño en los puntos de soldadura para asegurar un área de soldadura adecuada con la nueva tecnología basada en láser. Además, se diseñó y fabricó un nuevo soporte de acero Soldar el conjunto reclinable existente a los miembros laterales compuestos junto con un dispositivo de sujeción y posicionamiento adecuado.
Resultado de la prueba
Se fabricaron un pequeño número de estructuras conceptuales de respaldo utilizando los parámetros identificados en las pruebas piloto y se sometieron a pruebas de impacto frontal y posterior cuasiestáticas, así como a pruebas dinámicas de impacto frontal. Ambos tipos de pruebas ayudaron a comprender la Cómo se manifiesta la falla y las pruebas de descarga dinámicas muestran lo que realmente ocurre en la vida real. Aunque este último solo da un informe calificado o no calificado, la prueba de impacto cuasiestática arroja un resultado cuantitativo, es decir, La estructura en qué par o estado de energía fallará.
Aunque los resultados de la prueba como la primera, pero aún más positivo, pero el modo de fallo observado también muestra que el diseño conceptual es todavía demasiado rígido. Además, después de las piezas de acero y compuestos rediseñados para maximizar su estructura asiento trasero Sin embargo, queda por ver el potencial de rendimiento para realizar diseños más avanzados, y la estructura híbrida pasa la prueba de impacto dinámico de todos modos.
Figura 2: estructura general del asiento para el automóvil.
Este estudio muestra claramente que el concepto de usar un láser para soldar el plástico y el metal es una alternativa para dirigir la unión adhesiva, soldadura o medios mecánicos de moldeo convencional o similar sobre la solución de revestimiento. Basándose en este resultado, el montaje de mezcla semi-estructurado puede ahora de manera eficiente Aproveche esta tecnología de soldadura láser.
Sin embargo, todavía queda camino por recorrer antes de que se use en la producción en masa de módulos híbridos, lo que requiere al menos otra iteración de diseño para maximizar el potencial de un proceso de resistencia mecánica tanto para los materiales como para las estructuras. Humedad y temperatura, etc. Además, también se pueden considerar otras tecnologías alternativas para la conducción de calor.