Naukowcy z Instytutu Materiałoznawstwa i Obróbki Laserowej im. Fraunhofera (IWS) w Dreźnie opracowali narzędzie, które pozwala efektywnie łączyć metalowe komponenty z elementami z tworzyw termoplastycznych. Jest ukształtowane w formie tłocznika i wyróżnia się modułową budową, dzięki której można je łatwo zintegrować z istniejącą linią produkcyjną.

Przykład zastosowania tłocznika do łączenia metali z tworzywami termoplastycznymi i kompozytami

Ze względu na odmienne właściwości fizyczne obu materiałów łączenie tworzyw sztucznych z metalami stanowi nie lada wyzwanie. Każda z wykorzystywanych dotąd w tym procesie metod, takich jak klejenie czy nitowanie, ma istotne wady. W przypadku klejenia minusem są opóźnienia spowodowane koniecznością wyschnięcia kleju. Nitowanie z kolei sprzyja uszkodzeniu powierzchni tworzyw sztucznych. Oba procesy wymagają także zastosowania materiałów dodatkowych, co przekłada się na wzrost kosztów produkcji.

Połączenie kształtowe w skali mikro

Innowacyjny tłocznik wykorzystuje autorską technologię łączenia metali z tworzywami sztucznymi, nazwaną przez IWS Heat Press Cool Integrative (HPCI). Proces ten składa się z kilku faz: najpierw materiały są ze sobą ściskane, a metal jest ogrzewany punktowo z wykorzystaniem zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Dostarczone ciepło powoduje częściowe roztopienie termoplastu, który – po ponownym zastygnięciu – tworzy trwałe połączenie z metalem.

Podgrzewanie indukcyjne umożliwia pewne łączenie tworzyw termoplastycznych z metalami. Cały proces trwa zaledwie kilka sekund

Aby zwiększyć stabilność tego połączenia, naukowcy poddali metal obróbce wstępnej z wykorzystaniem lasera, strukturyzując jego powierzchnię.

Usuwana przez nas warstwa ma nawet do 100 μm głębokości, dzięki czemu tworzywo swobodnie w nią wnika, a następnie zastyga i obkurcza się, tworząc stabilne połączenie z metalem – wyjaśnia Annett Klotzbach.

Korzyści dla sektora automotive i AGD

Dzięki modułowej konstrukcji tłocznika można go łatwo zintegrować z istniejącym parkiem maszynowym i tym samym szybko włączyć w proces produkcyjny. Może on przykładowo stanowić atrakcyjną alternatywę dla efektora do spawania punktowego mocowanego na ramieniu robotycznym.

Jak twierdzą naukowcy, tłocznik może być stosowany w każdej aplikacji wymagającej punktowego łączenia metalu z tworzywem sztucznym, np. w procesie produkcji karoserii samochodowej lub maskownic ze stali szlachetnej stosowanych w lodówkach i zmywarkach.