 |
Investigation of the criteria of joint formation in the case of laser assisted metal-polymer joining
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109436 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Takács, János Gábor |
| Title in Hungarian |
Lézersugaras fém-polimer kötéskialakítás feltételeinek vizsgálata |
| Title in English |
Investigation of the criteria of joint formation in the case of laser assisted metal-polymer joining |
| Keywords in Hungarian |
lézer, fém, polimer, kötés |
| Keywords in English |
laser, metal, polymer, joining |
| Discipline |
| Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Materials technology |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Department of Automotive Technologies (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Bauernhuber, Andor
Csanády, Andrásné
Kiss, Zoltán
Kovács, József Gábor
Markovits, Tamás
Vehovszky, Balázs
Weltsch, Zoltán
|
| Starting date |
2013-10-01 |
| Closing date |
2017-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
17.711 |
| FTE (full time equivalent) |
6.67 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A lézersugaras fém-polimer hibrid kötések új lehetőségeket nyitnak a kötéstechnológiák területén. A lézerek jó szabályozhatósága, automatizálhatósága, a lézersugár pontos fókuszálhatósága és a lézersugaras folyamatok gyorsasága a hagyományos mechanikai és ragasztott kötésekkel szemben új perspektívát jelentenek. Annak ellenére, hogy az utóbbi időben a kutatások ezen a területen felgyorsultak, a környezetkímélőbb hibrid kötés anyagtulajdonságainak a feladat szempontjából optimális megválasztása illetve kifejlesztése, és a technológia szilárdsági és esztétikai követelményeknek megfelelő kidolgozása nem megoldott,.
Ebben az interdiszciplináris kutatásban a fémes és a polimer anyagok területén tapasztalt és fiatal kutatók együttműködésével, a lézersugárral kialakítandó polimer- fém párok közti lézersugaras (transzparens-abszorbens) kötés létrehozásának alapösszefüggéseit, tudományos hátterét kívánjuk vizsgálni. Ehhez a kutatás keretében az ígéretes anyagpárok felületi és tömbi tulajdonságainak mélyebb ismerete, a különböző anyagok közt az abszorbeált energia hatására bekövetkező kölcsönhatás részletes feltárása és a kötési folyamatot befolyásoló fizikai valamint technológiai jellemzők meghatározása szükséges. A kutatásban a technológiai diagnosztika is szerepet kap, ami az alapfolyamatok jobb megértését segíti elő.
A kötések szerkezeti és szilárdsági tulajdonságai alapján, a technológiai és anyagjellemzők összehangolt módosításával kívánjuk kialakítani a kötéshez legalkalmasabb anyagpárosítási, felületkezelési kombinációkat és az optimális lézeres jellemzőket, amelyek alapját képezhetik a technológia kidolgozásának.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A termikus fém-polimer kötések esetén az alapanyagok közül a polimer bizonyos mértékű, célzott helyű, lokális felhevítésével hozható létre a kötés. A kötéshez szükséges hevítési energiát a polimeren átbocsátott lézersugár a fém felületen elnyelődve biztosítja, úgy, hogy közben a polimeren a sugár belépési felülete esztétikailag nem romlik. A hevítés felső határát a polimer nem kívánatos degradációja jelenti. A lézersugaras hevítés következtében kialakuló viszonyokat, így a kialakuló hőmérsékletet több tényező is befolyásolja. A lézersugaras polimer-polimer kötéseknél az abszorbens, transzparens tulajdonságokat megfelelően összehangolva hozható létre egy „hegesztéshez” hasonló kötés, ahol kialakul egy közös ömledékfürdő. A lézersugaras fém-polimer kötéseknél azonban a kiválasztott alapanyagok jelentős anyagszerkezeti eltérése miatt a kötést más elven kell és lehet létrehozni, amelynek alaptudományi összefüggései még nem kellően feltártak.
Ezek alapján a kutatás kiinduló hipotézise, hogy közvetett vagy közvetlen célzott, lokális lézersugaras hevítés következtében létrehozható a fém-polimer alapanyagok között olyan kötés, amely technológiai előnyeivel versenytársa lehet a már ismert hibrid kötéseknek.
A kutatás eredményeképpen meghatározzuk, hogy a kötés milyen feltételek esetén hozható létre, milyen tényezők és hogyan befolyásolják (segítik, illetve zavarják) a kötés kialakulását, szilárdsági és esztétikai jellemzőit. Ezen ismeretek alapján válik lehetővé a technológia kifejlesztése.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás lehetőséget teremt különleges, eddig kevéssé vizsgált hibrid határfelületeken lejátszódó kémiai és fizikai változások tanulmányozására, azok változatainak feltárására. A kutatás eredményei korszerű anyagkombinációk felhasználásával megteremtik egy új eljárás tudományos alapjait. Tisztázzák a kialakított kötés jellemzőit, így meghatározható, hogy mely már meglévő kötési eljárásokkal szemben jelent előnyöket a kifejlesztett kötéstípus. A lézersugaras megmunkálások jó minősége, gyártási rugalmassága és jó reprodukálhatósága, a lézeres termikus hibrid kötés esetében is feltehetően hasonló előnyöket biztosíthat, mint más lézersugaras technológiák (vágás, hegesztés, stb.) esetében, ahol ez már bizonyítást nyert.
Új lehetőség nyílik a különféle szerkezeti elemek konstrukciós kialakításában, illetve szerelésében, ahol figyelembe kell venni a kötéstechnológia alapjellemzőit is. Így nemcsak már meglévő konstrukciós megoldások esetében lehet új kötési megoldásokat alkalmazni, hanem új eddig nem létező konstrukciós megoldások is kialakulhatnak, amelyek nagyobb lehetőséget nyitnak a hibrid szerkezetek felhasználásában.
A hibrid szerkezetekben a nagyobb fajsúlyú fémek részleges kiváltásával a szerkezeti elemek tömege csökkenthető, így a mozgatott tömegeknél az energiafelhasználás is csökkenhet. Az új eljárással a fenntartható fejlődés követelményeihez járulunk hozzá a kötéstechnológiák területén.
A kötés létrehozásában a környezetet terhelő segédanyag nem kerül felhasználásra. Így olyan eljárásokkal szemben, mint például a ragasztás környezetkímélőbb megoldást biztosít.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az új anyagok és eljárások fejlődése a különböző szerkezeti elemek egymáshoz rögzítését, kötését új módszerekkel teszi lehetővé. A hagyományos rögzítési technológiák (csavarozás, szegecselés, ragasztás, termikus kötések) mellett a lézersugaras eljárások is megjelentek, amelyek alkalmazhatósági feltételei még nem kellően tisztázottak.
Jelen kutatás a fém-polimer hibrid alapanyagok kötésének tudományos alapjait vizsgálja lézersugaras, célzott, lokális hevítés esetén. A kötés kialakításának körülményei és jellemzői a két jelentősen eltérő anyagszerkezetből és tulajdonságokból adódóan nem kellően tisztázottak feltártak.
Munkatervünk értelmében meghatározott fém-polimer anyagpárok és jellemzőinek változtatásával kívánjuk meghatározni a kötés esetében a legmegfelelőbb anyagokat és tulajdonságaikat.
A lézersugár kölcsönhatásának tisztázása a kiválasztott anyagpárosítás esetén alapvető jelentőségű, amely kihat a kötés kialakítására és a kötés szilárdsági tulajdonságaira is. A lézersugaras hevítés lokális, jól szabályozható, így a kialakuló tulajdonságok szűk tűréstartományon belül kézben tarthatóak, biztosítva ezzel az állandó és jó minőséget.
A lézersugaras technológia a környezetre káros adalékanyag nélkül hozza létre a kötést, így környezetkímélő eljárás.
Az alapkutatás eredményeként egy új kötéstechnológia kifejlesztése várható, amely új szerkezeti megoldásokra ad lehetőséget.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The laser assisted hybrid metal-polymer joining opens up new opportunities in the joining technology. The good controllability, automation, accurate focusability and high-speed of laser beam processes give a new perspective in this area. Despite the fact that the research in this field has accelerated, the development and optimal selection of material properties used in environmentally-friendly hybrid joints and the working out of technology according to the strength and aesthetic requirements are not solved yet.
In this interdisciplinary research we are going to determine the basic relationships and scientific background of laser assisted polymer-metal (transparent-absorbent) joining by a cooperation of researchers who are already experienced in the field of metals and polymers. For this purpose the surface and bulk characteristics of promising materials and the evolving interactions between the different materials, which are induced by the absorbed energy, have to be examined in detail. It is equally important to determine the laser-material interactions and physical and technological factors which have an influence on the joining process. The planned diagnostic methods help us to understand the basic processes more.
On the basis of the determined structure and strength properties of the joints and by changing the technological and material properties purposefully, we wish to develop the most appropriate combination of materials, surface pre-treatments and laser characteristics with a view to working out the technology.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In case of the thermal joining of the metal-plastic materials, the bond can be created by heating the plastic part to some extent in a targeted way, locally. The energy required for joint formation is ensured by the laser beam which is passed through the polimer and absorbed on the metal surface, while the beam entry surface of the polymer is not aesthetically damaged. The maximum heat is limited by the undesirable degradation of the poymer material. The conditions (for example the temperature) during the laser heating are influenced by several factors. In case of polymer-polymer bonds by adequately coordinating the absorbent and transparent properties of plastic materials, an appropriate bond can be created. This is similar to “welding” where a common weld pool is developed. But in case of metal-plastic bond due to the significant differences in the selected material structure the bond must be created in a different way and its basic science contexts have not yet been developed.
Based on these facts, the initial hypothesis of the research is that it is possible to create a bond between the metal and plastic parts with direct or indirect, targeted, local laser heating. So, the created, technological advantageous joint can be a rival to the already known hybrid joining methods.
As the result of the research work we determine that circumstances in which the bond can be produced and the factors that influence (help or hinder) the creation and the strength properties of the joint. Based on this knowledge the development of the technology will be possible in the future.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned research provides an opportuntity to investigate and explore the varieties of chemical and physical changes on hybrid boundaries. The result of this research establishes the scientific background of a new joining process for advanced material combinations. It clarifies the characteristics of the joint thus making it possible to determine the cases in which the developing process could provide benefits against the existing joining technologies. Taking advantage of the high quality, machining flexibility and the good reproduction of laser technology, the hybrid laser joining will probably ensure similar advantages as conventional laser processes (cutting, welding).
New opportunities will open up in the field of construction and in the assembly of structural elements, where the basic characteristics of the joining process have to be considered. Thus not only the new joining process could be used in case of existing constructions, but new, not yet existing constructions could be come into being, which provide a stronger opportunity to apply the hybrid structure.
Partially replacing the metals which have higher specific weight, the weight of the structural element could be decreased, consequently the energy consumption could also be reduced. With the new technology we contribute to the sustainable development in the field of joining processes. Environmentally harmful additive material is not used during this joining process. Thus an environmentally friendly solution is ensured.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Development of new technologies and various materials enables fastening and joining different structural elements with new methods. Beside the conventional fastening technologies (screwing, riveting, gluing, thermal bonding), new laser assisted joining processes have appeared, whose application possibility are not well defined yet.
This research investigates the scientific background of hybrid polymer-metal joining by applying a targeted, local laser heating process. The circumstances of development and the characteristics of the joint due to the significant differences between the base material structures have not yet determined.
According to our work plan, varying the selected metal-polymer materials pairs and theirs properties, we wish to determine the most appropriate materials and theirs characteristics in a bond.
The clarification of the laser-material interactions at the selected material pairs has essential importance, which influences the creation possibilities and the strength properties of the joint. The laser heating occurs locally, in a well controllable way, therefore the characteristics of the joint could be held in a narrow tolerance range, which ensure constant and good quality.
The laser assisted joining method produces the joint without environmentally harmful additive materials. Thus it ensures an environmental friendly solution.
As a result of the basic research work a new joining process could be developed which enables the development of new constructions.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
