Lézersugaras fémpolimer kötések IV. ILAS Ipari Lézeralkalmazási Konferencia, Tatabánya, 2014. november 12.
Markovits Tamás, Bauernhuber Andor, Takács János Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Kar Gépjárművek és Járműgyártás Tanszék
1
Tartalom
•
Bevezetés •
kapcsolódó anyag és technológiai trendek
•
hibrid kötéstechnológiák
•
jelenlegi lézeres fejlesztések • irányok és kihívások • transzparens-abszorbens lézeres kötés
2
•
Kutatás célkitűzései
•
Vizsgálatok ismertetése
•
Eredmények bemutatása
•
Összefoglalás
- lézer-anyag kölcsönhatás vizsgálata - főbb befolyásoló tényezők és hatásaik - összehasonlítás más hibrid kötési eljárással
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
Hibrid komponens [forrás: www.new-materials.de]
•
Mindkét anyag előnyös tulajdonságainak kihasználása egyszerre
•
Kötéstechnológiai kihívások jelennek meg
•
Új és továbbfejlesztett kötéstechnológiák
Mercedes front-end modul, forrás:http://www.plasticsnews.com
3
Bevezetés Hibrid kötéstechnológiák Alkalmazott fém-polimer kötések: • Betétre fröccsöntés • Ragasztás • Mechanikus kötések • Csavarozás • Szegecselés • Besajtolás • Bepattanó • Termikus kötések • Súrlódással • Ultrahanggal • Indukciósan • Lézersugárral
Lézeres fém-polimer kötések (LAMP: Laser Assisted Metal Plastic joining)
Betétre fröccsöntés forrás. www.maxellmms.com
Átnyomásos szegecselés, forrás:[Ulrike Beyer: Herstellung eines MetallKunststoff-Verbundes mit der Flach-Clinch-Technologie]
Sajtoló kötés forrás: www.ptonline.com
4
Bevezetés Jelenlegi LAMP fejlesztések (irányok, kihívások)
Kutatások jellemző 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,…, 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
Bevezetés Jelenlegi LAMP fejlesztések (irányok, kihívások)
forrás: www.industrial-lasers.com forrás: www.industrial-lasers.com forrás: BME GJT
forrás: E. Rodríguez-V et al, LANE 2014 6
forrás. A. N. Fuchs et al., LANE2014
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)
transzparens anyag
lézersugár
abszorbens anyag
Technológia helyzete, kihívások:
7
•
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
Bevezetés BME GJT LAMP kutatás során vizsgált összefüggések Lézer: - Átlagteljesítmény - Üzemmód - Impulzus alak
Alapanyag:
Kialakuló jellemzők:
- Fém típusa - Csap mikorgeometria - Csap makrogeometria - Polimer típusa - Polimer adalékolása - Polimer vastagsága
- Transzparencia
Technológia: - Hevítési idő - Hevítési profil - Nyomóerő - Szakításig eltelt idő
8
- Csaphőmérséklet - Benyomódás - Szakítóerő - Buborékképződés
Bevezetés BME GJT LAMP kutatás során vizsgált összefüggések Lézer: - Átlagteljesítmény - Üzemmód - Impulzus alak
Alapanyag:
Kialakuló jellemzők:
- Fém típusa - Csap mikorgeometria - Csap makrogeometria - Polimer típusa - Polimer adalékolása - Polimer vastagsága
- Transzparencia
Technológia: - Hevítési idő - Hevítési profil - Nyomóerő - Szakításig eltelt idő
9
- Csaphőmérséklet - Benyomódás - Szakítóerő - Buborékképződés
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
Kísérletek
11
Kísérletek 1. Transzparencia vizsgálat Főbb jellemzők: •
Teljesítményméréssel (Pá= 40-200 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
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
Kísérletek 3-7. LAMP kötés létrehozása •
Alapanyagok: •
Polimer: PMMA (poli-metil-metakrilát) • Mérete: 15 x 15 x 2 vagy 5 mm
• •
•
14
Acél: S235 szerkezeti acél
Lézer: •
Nd:YAG impulzusüzemű lézer,
•
Pá=100-200 W,
•
foltátmérő: 5 mm,
•
változó impulzus beállítások (f, tp, Pp)
Technológia: •
hevítési idő, álló helyzetben: 3-11 s
•
nyomóerő: 3-9 N
•
mikrogeometria Ra: 1-10 µm (paláston és homlokon)
•
makrogeometria: hengeres, kúpos, hornyolt, peremes, menetes
•
segédgáz: Ar
Kötés létrehozásának kísérleti beállítása
Kísérletek 8. Ragasztási kísérletek Ragasztóanyagok, cianoakrillát alapú pillanatragasztók • LOCTITE® 454™(nehezen ragasztható anyagokhoz, fém, műanyag, gumi, gép állagú)
Alapanyagok: - acél csap: hengeres, Ra: 1 µm - PMMA: vastagság 2 és 5 mm
• LOCTITE® 496™ (általános célú, fémekhez, folyadék állagú) 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
15
Ragasztási kísérletek lépései
Eredmények
16
Eredmények 1. Transzparencia vizsgálat
•
•
17
Vizsgálati módszer alkalmassága •
Induló transzparencia
•
Időbeni változás
•
Hevítés módjától függően
Sorrend •
PMMA
•
PC
•
PP
•
PA
•
ABS
Transzparencia változása különböző műanyagoknál
Eredmények 2. Termikus vizsgálat
• • • •
120
Kialakuló hőmérsékletet a műanyag jelenléte csökkenti Transzparencia Hővezetés Bomlás hőszükséglete
100 Tömeg (%)
•
TGA vizsgálatok 10°C/min és 80°C/min hevítés esetén
80 60
10 °C/min
40 80 °C/min
20 0 0
•
Bomlás 290°C felett
•
Csap homlokfelület hőmérséklet értéke a bomlási hőmérséklet felett
•
Hevítési sebesség 4000-5000 °C/min 0 Kialakuló és a PMMA bomlási hőmérséklete
18
Homlokfelület hőmérséklete
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Hőmérséklet (°C)
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 A helyzet Hőmérséklet (°C) B helyzet Lézerbeállítások: P =200W, f=100Hz, t = 0,5ms, U = átl imp gerj C helyzet 375V, Eimp=2J, Lv 2mm
Eredmények 2. Termikus vizsgálat •
A helyzetben (lézer-fém csap)
•
Homlokfelület termogramok
•
A homlokfelület közepe • gyorsabban, • nagyobb hőmérsékletre hevül
•
Gauss (TEM00) intenzitás eloszlás hatása megfigyelhető Homlokfelület vonali termogramjai
Homlokfelület területi termogramjai 19
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 lézerezés után 20
Kötés folyamata
Kötés szakítás után
Eredmények 4. Hevítési idő és nyomóerő hatása
2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0
F=3,2N F=6N F=9,2N
2
4 6 Hevítési idő (s)
Benyomódás a hevítési idő függvényében
Maximális szakítóerő (N)
Benyomódás (mm)
Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J, Lv 2mm
8
400 350 300 250 200 150 100 50 0
F=3,2N F=6N F=9,2N
2
4 6 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
8
Eredmények 5. Buborékképződés •
Hosszabb hevítés nagyobb buborék
több és
•
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: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J, Lv 2mm 22
Fnyom = 3,2 N
Fnyom = 6 N
Fnyom = 9,2 N
Eredmények 6. Mikrogeometria hatása
2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0 0
2 4 6 8 10 12 Átlagos felületi érdesség (µm)
Maximális szakítóerő (N)
Benyomódás (mm)
Lézerbeállítások: Pátl=200W, f=100Hz, timp= 0,5ms, Ugerj= 375V, Eimp=2J
600 500 400 300 200 100 0 0
2 4 6 8 10 Átlagos felületi érdesség (µm)
12
Növekvő erő oka: 1. alakzárás: az esztergált felület árkaiba a műanyag belefolyik, majd megszilárdul
Ra = 1 µm 23
Ra = 10 µm
2. mélyebb benyomódás: nagyobb érdességű felület jobban elnyeli a lézersugarakat
Eredmények 7. Makrogeometria hatása
• Eltérő, alakzáró geometriájú csapok belenyomása • 5 mm vastagságú műanyagba • Benyomódás minden esetben azonos (3,5 mm)
24
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 keresztmetszete (lv: 2 mm) 25
Ragasztott kötés
Lézeres kötés keresztmetszete, (lv:2 mm)
Eredmények 8. Összehasonlítás ragasztással Szakítóerő: • átlagos szakítóerő 80-210 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
Összefoglalás
27
•
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
Lézersugaras fém-polimer kötések Kapcsolat: Dr. Markovits Tamás –
[email protected] 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 109436) és - a Henkel Magyarország kft-nek.
28
