Terwijl ontwikkelaars in de auto- en luchtvaartindustrie streven naar efficiëntere voertuigen, ze richten hun aandacht op het ontwerpen van stevige, lichtgewicht machines. Het ontwerpen van lichtgewicht materialen, echter, vereist het zorgvuldig samenvoegen van verschillende soorten materialen zoals metalen en polymeren, en deze extra stappen drijven de productiekosten op. Nieuw werk in lasertechnologie heeft onlangs de hechtsterkte van metaal-kunststof hybride materialen vergroot.

Een groep Duitse ingenieurs demonstreerde onlangs een techniek om plastic aan aluminium te binden door aluminiumplaten voor te behandelen met infraroodlasers. In de Tijdschrift voor lasertoepassingen , de onderzoekers ontdekten dat het opruwen van het oppervlak van aluminium met continue laserstralen een mechanische vergrendeling met thermoplastisch polyamide creëerde en leidde tot een aanzienlijk sterke hechting.

"Bij andere verbindingsmethoden heb je een plastic onderdeel dat je wilt samenvoegen met een metalen onderdeel. Bij het spuitgietproces genereren we een plastic onderdeel bovenop het metalen onderdeel in een holte van de machine, zei Jana Gebauer, een auteur op papier. "Als gevolg daarvan het is erg moeilijk in vergelijking met thermisch persen of andere verbindingstechnologieën vanwege de specifieke thermische omstandigheden."

Om deze problemen aan te pakken, Gebauer en haar collega's gebruikten zowel een continue laser als een laser die 20 picoseconden per keer pulseerde om het oppervlak van aluminiumplaten meer klevend te maken zodat er een polyamidelaag overheen kon worden gegoten. Vervolgens plaatsten ze de platen in een spuitgietmatrijs en overgoten ze met thermoplastisch polyamide, een aan nylon verwant polymeer dat wordt gebruikt in mechanische onderdelen zoals omhulsels van elektrisch gereedschap, machine schroeven, en versnellingen.

"Daarna we analyseerden de topografie van het oppervlak en voerden mechanische tests uit van het hechtgedrag om erachter te komen welke parameters leidden tot maximale hechtsterkte, ' zei Gebauer.

Tests met optische 3D-confocale microscopie en scanning-elektronenmicroscopie onthulden dat de met gepulseerde lasers behandelde aluminiumplaten veel vloeiendere lijnpatronen in de sleuven op hun oppervlak vertoonden dan die voorbehandeld met continue laserstraling. Aluminiumplaten behandeld met infraroodlasers vertoonden ook een sterkere hechting, maar deze eigenschappen verminderden in tests met toenemende vochtigheid.

Ondanks het succes van het team, Gebauer zei dat er nog veel werk in het verschiet ligt om te begrijpen hoe de voorbehandelingen van het metaaloppervlak kunnen worden geoptimaliseerd om het proces zuiniger te maken voor fabrikanten. Nutsvoorzieningen, zij en haar collega's willen onderzoeken hoe gegoten thermoplasten krimpen wanneer ze worden afgekoeld.

"De thermische samentrekking leidt tot mechanische spanningen en kan beide delen scheiden. De huidige uitdaging is om een ​​structuur te genereren die de spanningen tijdens krimp compenseert zonder het aluminium zacht te maken door de laserbehandeling, "Zei Gebauer. "Nu willen we een betrouwbare hechting produceren met behulp van een ultrakorte gepulste laser om thermische schade in de metalen component te verminderen."

Het Fraunhofer Instituut voor materiaal- en straaltechnologie, Leibnitz Instituut voor Polymeer Onderzoek, Technische Universiteit Dresden was betrokken bij het produceren van de bevindingen in dit artikel.