Rosnące znaczenie efektywności wykorzystania energii i materiałów w procesie produkcyjnym przy zachowaniu wysokiej jakości wytwarzanych komponentów stymuluje wzrost zapotrzebowania na kompozyty zbrojone włóknem (FRC). Z drugiej strony ich ogromny potencjał w zakresie wytwarzania lekkich konstrukcji wpływa na coraz większe zainteresowanie technikami ich łączenia, które można wykorzystać w procesach projektowania i produkcji części składających się z różnych materiałów (ang. Multi-Material-Design). Tego typu detale cechują się bowiem nie tylko większą wytrzymałością, ale też relatywnie niskimi kosztami wytworzenia w porównaniu z częściami wykonanymi z materiału o jednorodnej strukturze.

Niewykorzystany potencjał nakrętek

Jednym z głównych warunków efektywnego zastosowania części z kompozytów zbrojonych włóknem jest używanie takich łączników, które zapewniałyby zarówno rozłączność, jak i wysoką jakość połączenia (fot. 1 i 2). Największym potencjałem w tym zakresie wykazują się metalowe elementy funkcyjne: nakrętki z gwintami wewnętrznymi i zewnętrznymi.

Obecnie w procesach montażu nakrętki przykleja się wewnątrz lub na powierzchni komponentów z FRC. W obu przypadkach konieczne jest czasochłonne przygotowanie powierzchni pod klejenie oraz utwardzanie nałożonego kleju. Dlatego wciąż trwają prace nad zaprojektowaniem połączeń w pełni dostosowanych do rodzaju materiału i obciążenia, które umożliwiłyby stosowanie większych naprężeń rozciągających przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby operacji wymaganych do stworzenia trwałego połączenia.

Laser liderem w testach porównywawczych

Jednym z projektów mających na celu lepsze wykorzystanie potencjału nakrętek w połączeniach części z FRC jest rozwijany przez naukowców z Aachen program „Laserinsert”. W opracowanym w jego ramach procesie produkcji kompozytów wykorzystywane są tekstylne prepregi, infiltrowane i utwardzane techniką impregnacji na mokro z użyciem polimerowych matryc. Kluczową innowacją jest w tym wypadku zastosowanie technologii hybrydowej łączącej elementy włókiennictwa i fotoniki (fot. 3). W procesie wytwarzania prepregów wykorzystano obróbkę laserową z użyciem lasera o ultrakrótkim impulsie, za pomocą którego wykonano dokładnie dopasowane otwory pod nakrętki. Samo zaś

połączenie nasączono żywicą i utwardzono. Zastosowanie obróbki laserowej pozwala na usuwanie materiału z zachowaniem wysokiej precyzji i dużej swobody geometrycznej bez zużywania narzędzi, natomiast wybór lasera o ultrakrótkim impulsie umożliwia obróbkę „na zimno”, która zapobiega powstawaniu dużej strefy wpływu ciepła, uszkodzeniu materiału tekstylnego czy utwardzeniu ciętych krawędzi.

Aby zademonstrować wytrzymałość nowej metody łączenia, przygotowane wcześniej próbki komponentów z FRC poddano próbie ciągnienia mającej na celu rozerwanie połączenia. W każdej z próbek techniką laserową wykonano otwory, w których zamocowano nakrętki. Następnie przeprowadzono testy porównawcze mające na celu skonfrontowanie właściwości nowego sposobu łączenia z trzema innymi powszechnie wykorzystywanymi metodami. W przypadku pierwszej próbki wzorcowej nakrętka została przytwierdzona do podłoża za pomocą kleju, w drugiej podłoże zostało nawiercone, a nakrętka wklejona w otwór, w trzeciej zaś nakrętkę umiejscowiono pod warstwą tkaniny na pozostałych warstwach materiału (fot. 4). Otwory w materiale wykonano na wycinarce CNC, a jako nakrętki wykorzystano standardowe rozwiązania z gwintem M6.

Wszystkie próbki zostały wykonane z 10 warstw rowingu węglowego o gramaturze 400 g/m i grubości 4 mm. Dla każdego wariantu połączenia przygotowano pięć próbek o wymiarach 10 × 10 cm. Nakrętki zostały poddane naprężeniom rozciągającym generowanym przez śrubę,

a następnie oderwane od podłoża za pomocą maszyny wytrzymałościowej. W eksperymencie systematycznie zwiększano siłę oddziaływania na nakrętkę, aż do przerwania połączenia (wyniki prezentuje fot. 4). Siła konieczna do rozerwania połączenia przygotowanego z wykorzystaniem laserowego wycinania otworów wynosiła średnio ponad 18 kN, a więc ok. 800% więcej niż w przypadku nakrętki zamocowanej na klej i ponad 100% więcej niż w pozostałych przypadkach.

Rozkład żywicy pod kontrolą

W przypadku złożonych komponentów oraz produkcji wielkoseryjnej infiltracja i utwardzanie prepregów realizowane są z wykorzystaniem techniki RTM (ang. Resin Transfer Molding). W metodzie tej prepregi wkłada się i zamyka w dwuczęściowej formie, do której następnie pod wysokim ciśnieniem wtłaczana jest płynna żywica. Twardniejąc, żywica i prepregi tworzą jednolity materiał FRC o pożądanym kształcie i właściwościach.

Zastosowanie tej praktyki w przemyśle spowodowało, że oprócz określenia właściwości mechanicznych połączenia na podstawie prób ciągnienia konieczne okazało się też zbadanie wpływu obróbki laserowej na proces rozprowadzania żywicy w tekstylnym prepregu. Do tego celu wykorzystano próbki składające się z pięciu warstw rowingu węglowego, podzielone wzdłużnie i poprzecznie do kierunku wprowadzania żywicy. Następnie każdą z próbek nasączono żywicą w procesie infuzji próżniowej, a linię płynięcia żywicy poddano analizie optycznej w celu ustalenia prędkości rozchodzenia się substancji przed i za miejscem cięcia. W celu porównania wyników przygotowano kolejne próbki niepoddane cięciu, a także próbki wzorcowe rozcięte z wykorzystaniem tradycyjnych narzędzi do produkcji prepregów (nożyczek, wycinarki CNC i noża ultradźwiękowego). Wyniki testów porównawczych wykazały, że obróbka laserowa – na równi z konwencjonalnymi metodami cięcia – nie wywiera wpływu na proces rozchodzenia się żywicy w materiale tekstylnym.

Tym samym uczestnicy projektu „Laserinsert” dowiedli wysokiego potencjału obróbki laserowej w procesie wytwarzania części i komponentów z kompozytów zbrojonych włóknem. Wyniki ich badań dają nadzieję na efektywne wdrożenie tej technologii w praktyce produkcyjnej – nie tylko w Niemczech, gdzie projekt jest realizowany, ale także w Polsce i pozostałych krajach świata.