اتصال فلز به پلاستیک با استفاده از لیزر، افسانه یا واقعیت؟
یکی از محرک های کلیدی در صنعت خودروسازی، چگونگی ساخت ماشین های سبک تر بدون افزایش هزینه و یا افت عملکرد، کیفیت و امنیت است.
اتصال فلز به پلاستیک با استفاده از لیزر، افسانه یا واقعیت؟

یکی از محرک های کلیدی در صنعت خودروسازی، چگونگی ساخت ماشین های سبک تر بدون افزایش هزینه و یا افت عملکرد، کیفیت و امنیت است. این موضوع در طراحی ساختار صندلی های خودرو با بکارگیری فولادهای ظریفتر و مستحکم تر تا به امروز دنبال شده است. در سال های اخیر ساختارهای ترکیبی (ساختارهای ترکیبی شامل تمام فلزی و همچنین ساختارهای ترکیبی فلز با پلاستیک و کامپوزیت ها) نیز به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند.
بکارگیری این ساختارهای ترکیبی با چالش های گوناگونی همراه است از جمله آنکه مواد مختلف با ویژگی های متفاوت شیمیایی، مکانیکی و گرمایی چگونه به یکدیگر متصل شوند. امروزه متداول ترین فناوری ها جهت اتصال پلاستیک ها به فلزات، اتصال چسبی، اتصال مکانیکی، قالب گیری پوششی و یا ترکیبی از اینهاست که همه این فناوری ها شامل فرآیندهای مونتاژ گوناگون و یا قیدهای طراحی فراوانی هستند. 
امروزه به طور فزآینده ای در بسیاری از کاربردهای صنعتی، بکارگیری لیزرها به عنوان روشی جایگزین جهت اتصال مستقیم مواد پلاستیکی/کامپوزیتی به فلزات مطرح شده است. این روش نیاز به بکارگیری چسب های مایع/جامد و یا قطعات مونتاژی را برطرف نموده و روشی انعطاف پذیر نسبت به اتصالات مکانیکی و قالب های پیچیده و گران قیمت ارائه می دهد. برای امکان سنجی این فناوری نوین لیزری، شرکت Faurecia که در تولید صندلی خودرو فعالیت دارد در یک پروژه تحقیقاتی به نام PMjoin که بودجه آن از طرف اتحادیه اروپا تأمین می شود، مشارکت کرده است.
مراحل فرآیند بکارگیری لیزر
روش اعمال لیزر غیر تماسی مستقیم[1] از دو مرحله تشکیل می شود: ابتدا یک ریز ساختار شیار مانند، با اسکن سطح فلز توسط لیزر ایجاد می شود و بخشی از ماده برداشته می شود. پهنای شیارها می تواند در حد چندین میکرون باشد. عمق شیارها را می توان با چندین بار اسکن توسط لیزر در همان ناحیه تغییر داد. در شکل 1 دو هندسه متفاوت شیار نشان داده شده است. در قسمت بالایی شکل 1، شیار ایجاد شده توسط لیزر فیبر تک مد پیوسته (CW) نشان داده شده است. مقطع شیارها نامنظم بوده و در قسمت فوقانی شیار، ساختار زائده ای کوچکی قابل مشاهده است. در قسمت پایینی شکل 1، شیار ایجاد شده توسط لیزر پالسی نانو ثانیه نشان داده شده است. در این حالت شکل شیار منظم است و یک ساختار زائده ای بزرگ در قسمت فوقانی شیار مشاهده می شود.
شکل 1- جزئیات یک سطح پرداخت شده (شکل بالا سمت چپ) توسط لیزر پیوسته (شکل بالا سمت راست) و لیزر پالسی نانو ثانیه (شکل پایین سمت راست).
 
در گام دوم فرآیند، پلاستیک بر روی سطح فلزی پرداخت شده قرار گرفته و تا دمای ذوب حرارت داده می شود. برای پلاستیکی که نسبت به طول موج لیزر عبوردهی داشته باشد، پرتو لیزر می تواند از سمت پلاستیک تابیده شود. در این حالت انرژی لیزر از پلاستیک عبور کرده و در سطح اتصال، توسط فلز جذب می شود. در نتیجه دمای فلز بالا رفته و با توجه به پایین بودن ضریب هدایت حرارتی پلاستیک، نقاط داغ موضعی تشکیل شده که سبب ذوب پلاستیک در آن نقاط می شود.
برای حالتی که پلاستیک مورد نظر نسبت به طول موج لیزر عبوردهی نداشته باشد، که در بیشتر موارد در ساختارهای پلاستیکی/کامپوزیتی مورد استفاده در خودرو این چنین است، گرمادهی باید به شکل هدایت حرارتی از سمت فلز انجام شود. هنگامی که گرمای کافی تولید شود، در سطح تماس به صورت موضعی پلاستیک ذوب خواهد شد. در هر یک از این حالات، کنترل مناسب دما ضروری است تا از گرمایش اضافه پلاستیک (که سبب ایجاد حفره در آن می شود) یا سوزاندن آن جلوگیری شود.
علی رغم اینکه روش هدایت حرارتی چندان راندمان انرژی بالایی ندارد، اما به اندازه روش عبوردهی پرتو از پلاستیک شفاف، در ایجاد اتصالات پایدار مؤثر است. در پژوهش انجام شده به منظور هدایت حرارتی از سمت فلز، از لیزر دیود مستقیم پیوسته (CW) استفاده شد. در هر دو روش هدایت حرارتی و عبوردهی، باید بر سطح تماس پلاستیک و فلز فشار اعمال شود تا از انتقال مؤثر گرما به پلاستیک اطمینان حاصل شود. هنگامی که پلاستیک به نقطه ذوب خود برسد، پلاستیک ذوب شده به درون ریزساختارهای ایجاد شده بر سطح فلز جریان یافته و به هنگام سرد شدن، خود را به ساختار فلز محکم نموده و یک در هم تنیدگی مکانیکی ایجاد می کند.
 
طرح مفهومی صندلی خودرو
به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی PMjoin، شرکت Faurecia یک طرح مفهومی از ساختار صندلی آماده کرد که از روی یکی از ساختارهای متداول فولادی قالب برداری شده بود. در این حالت دو قطعه کناری از ساختار پشتی صندلی که از جنس فولاد مقاوم بودند با قطعات مشابه از جنس کامپوزیت PAGF30 جایگزین شدند. سایر بخش های صندلی شامل قطعات صلیبی بالایی و پایینی، قطعات تختخواب شو، کوسن و ریل صندلی بدون تغییر ماندند.
شکل 2- ساختاری متداول برای صندلی خودرو.
 
در مرحله نخست تحقیقات، تأثیر پارامترهای ریزساختار بر کارکرد مکانیکی اتصال مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، مجموعه ای از آزمایش ها طراحی شد تا نمونه های ساده با الگوهای شیار گوناگون تولید شده و مورد آزمایش های کشش، برش و خراش قرار گیرند. پارامترهایی که در این پژوهش مورد بررسی   قرار گرفتند شامل تعداد دفعات اعمال لیزر، چگالی ریزساختارها (گام بین شیارها)، زاویه شیارها نسبت به سطح قطعه، جهت گیری شیار نسبت به بارهای مکانیکی اعمالی، نوع لیزر و توان لیزر بودند. به عنوان مثال با ایجاد شیار با یک هندسه ساده می توان مقاومت برشی برابر N/mm2 17 ایجاد کرد. این مقدار بیش از دو برابر مقاومت برشی است که با ایجاد زبری تصادفی روی سطح (ساندبلاست کردن[2]) می توان به آن دست یافت. همچنین این مقدار چهار برابر مقاومت برشی است که از اتصال یک سطح صاف (البته تمیز) بدست می آید.
همانگونه که قبلاً بیان شد ایجاد هندسه های متفاوت شیار با لیزرهای گوناگون قابل دستیابی است. بی نظمی هندسی شیار و همچنین اندازه (و شکل) لایه بیرونی (زائده ایجاد شده بر سطح قطعه) بر استحکام اتصال پلاستیک تأثیر گذار هستند.
در گام دوم تحقیقات، نتایج حاصل از نمونه های ساده آزمایش نخست به طرح مفهومی صندلی خودرو منتقل شد. بار مکانیکی اعمال شده بر هر یک از نقاط اتصال، که شامل اتصال قطعات فولادی صلیبی بالایی و پایینی و همچنین قطعات فولادی تختخواب شو با قطعات کناری کامپوزیتی بودند، با استفاده از تحلیل المان محدود (FE[3]) در یک ساختار نمونه تمام فولادی مشابه بدست آمد. بر اساس نتایج حاصل از آزمایش های مقیاس کوچک، ناحیه اتصال مورد نیاز جهت انتقال بارهای محاسبه از روش (FE) در هر یک از نقاط اتصال محاسبه شد.
با جایگزین شدن قطعات کناری کامپوزیتی، باز طراحی های کوچکی در نقاط اتصال لازم شد تا سطح اتصال کافی برای تکنیک لیزری جدید فراهم شود. قلاب های فولادی جدیدی جهت اتصال قطعات فعلی تختخواب شو با قطعات کامپوزیتی کناری، طراحی و ساخته شدند. علاوه بر آن ابزارهای جانمایی و گیره های مناسب نیز طراحی و ساخته شدند.

نتایج آزمایش ها
مجموعه کوچکی از صندلی ها با طراحی مفهومی بر اساس نتایج بدست آمده از نمونه های کوچک تولید شد. این نمونه ها تحت آزمایش های ضربه شبه استاتیکی از روبرو و عقب و همچنین آزمایش ضربه دینامیکی از جلو قرار گرفتند. هر دو نوع آزمایش به درک ما از نحوه شکست در ساختار کمک می کند. آزمایش های ضربه مکانیکی آنچه در زندگی واقعی اتفاق می افتد را شبیه سازی می کند و نتیجه آن به صورت قبولی یا رد در آزمون ارائه می شود. در مقابل آزمایش ضربه شبه استاتیکی یک مقدار عددی را ارائه میدهد که نشان دهنده آن است که اتصال تحت چه گشتاور یا نیرویی می شکند.
صندلی های هیبریدی با طراحی مفهمومی تحت آزمایش ضربه شبه استاتیکی از پشت، توانستند 60 درصد نیرویی که نمونه های فولادی مشابه تحمل می کردند را تحمل کنند. همچنین در آزمایش ضربه شبه استاتیکی از روبرو توانستند حدود 90 درصد نیرویی که نمونه های فولادی مشابه تحمل می کردند را تحمل کنند. علی رغم اینکه این نتایج به عنوان نتایج اولیه مثبت هستند، بررسی حالات شکست اتصال نشان داد که طرح های مفهومی همچنان بسیار مستحکم باقی مانده اند. به علت محدودیت ها در بودجه پژوهش حاضر، قطعات فولادی و کامپوزیتی موجود در این پژوهش بکار گرفته شده بودند و تنها قطعه کامپوزیتی اندکی بهبود داده شده بود. بنابراین انجام یک پژوهش دوباره با طراحی پیشرفته تر قطعات فولادی و کامپوزیتی و با هدف بهینه کردن اتصال، مورد نیاز است. فارغ از این موضوع، طرح هیبرید مفهومی موفق به قبولی در آزمون ضربه دینامیکی شد.
مطالعه مفهومی انجام شده به وضوح امکان بکارگیری لیزر در اتصال مستقیم پلاستیک به فلز را نشان می دهد. این روش می تواند به عنوان جایگزینی برای روش های اتصال چسبی، اتصال مکانیکی و قالب گیری پوششی، بکار گرفته شود. بر اساس نتایج بدست آمده، این فناوری می تواند در مونتاژ شبه ساختارهای هیبرید بکار گرفته شود.
علی رغم این، بکارگیری این فناوری در مونتاژ ساختارهای هیبریدی در یک خط تولید همچنان نیازمند تلاش های مضاعف است. حداقل به یک نمونه طراحی به روز شده جهت بهبود طراحی قطعات فلزی و پلاستیکی و همچنین فرآیند نیاز خواهد بود. علاوه بر این ارزیابی اثرات متغیرهای دراز مدت نظیر رطوبت و دما (استهلاک قطعات و اختلاف در ضریب انبساط حرارتی)، بر عملکرد اتصال ضروری است. فناوری های جایگزین جهت گرمایش هدایتی نیز قابل بررسی خواهند بود.
 
 
REFERENCE
[1] See www.pmjoin.eu.
 
Source:http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-2/features/laser-joining-metal-to-plastic-fact-or-fiction.html?cmpid=enl_ils_newsletter_2017-03-23.
 

[1] Direct Non-Contact Laser Method
[2] Sandblasted
[3] Finite Element

منبع :  www.industrial-lasers.com    |   

   |    1398/7/7