SI26408A - Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala - Google Patents
Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala Download PDFInfo
- Publication number
- SI26408A SI26408A SI202200169A SI202200169A SI26408A SI 26408 A SI26408 A SI 26408A SI 202200169 A SI202200169 A SI 202200169A SI 202200169 A SI202200169 A SI 202200169A SI 26408 A SI26408 A SI 26408A
- Authority
- SI
- Slovenia
- Prior art keywords
- metal workpiece
- metal
- μιη
- laser
- khz
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 69
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 9
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 claims description 8
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 3
- 241000239290 Araneae Species 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 9
- 239000000047 product Substances 0.000 description 9
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910007567 Zn-Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007614 Zn—Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 239000002920 hazardous waste Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000012432 intermediate storage Methods 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/3568—Modifying rugosity
- B23K26/3584—Increasing rugosity, e.g. roughening
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
- B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
- B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
- B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
- B29C45/14311—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles using means for bonding the coating to the articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
- B23K2103/04—Steel or steel alloys
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
- B23K2103/04—Steel or steel alloys
- B23K2103/05—Stainless steel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
- B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
- B23K2103/12—Copper or alloys thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C37/00—Component parts, details, accessories or auxiliary operations, not covered by group B29C33/00 or B29C35/00
- B29C37/0078—Measures or configurations for obtaining anchoring effects in the contact areas between layers
- B29C37/0082—Mechanical anchoring
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Izum se nanaša na postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala. Tehnični problem je, kako zagotoviti časovno in energijsko učinkovit postopek, ki bo zagotavljal dobro adhezijo med kovino in polimerom. Tehnični problem je rešen s postopkom, ki obsega zagotavljanje kovinskega obdelovanca, zagotavljanje laserske naprave, ki obsega vir pulznega laserja, ter krmilnik, ki je prirejen, da krmili laser, zagotavljanje skenirno-fokusirne optike za vodenje in fokusiranje laserskega žarka, ki je prirejena tako, da vodi laserski žarek po površini kovinskega dela.
Description
Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala
Tehnično področje
Izum se nanaša na postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca, postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala ter hibridni izdelek, izdelan po tem postopku.
Stanje tehnike
Iz stanja tehnike sta znana tradicionalna postopka spajanja kovine in polimera z oblikovnim spojem na makro nivoju in z lepljenjem.
Pri oblikosklepnem spajanju se v kovinski material izdelajo negativne oblike, tj. vdolbine v obliki utorov, zarez, lukenj ipd., nato pa se z injekcijskim ulivanjem na kovino nanese polimer, ki zapolni vdolbine v kovini. Ko se polimer strdi se med materialoma tvori oblikovni sklep. Spoj je izključno mehanski, brez kemijske adhezije. Konstrukcijski deli, izdelani po tej tehnologiji, pogosto prenašajo mehanske obremenitve in so v predelu korena vdolbin izpostavljeni koncentraciji napetosti, zaradi česar morajo biti nosilne površine pozitivnih oblik ustrezno dimenzionirane, kar v splošnem pomeni, da morajo biti prečni prerezi pozitivnih oblik večji (večje debeline sten) in je poraba materiala večja kot pri postopku lepljenja. Nadaljnja pomanjkljivost je v tem, da je treba za vsako vrsto izdelka na novo zasnovati geometrijo vdolbin. Tehnologija, s katero se v kovinskem materialu zagotovijo vdolbine je zapletena in posledično draga z vidika proizvodnega procesa izdelave kovinskega dela.
Pri spajanju z lepljenjem se v serijski proizvodnji običajno površina kovinskega dela najprej očisti s plazmo, da se odstranijo nečistoče (npr. olje) kot tudi oksidni sloj. Površina se lahko pripravi tudi kemijsko (jedkanje). Sledi nanašanje lepila in združevanje kovine in polimera ter sušenje na zraku ali v peči, da se lepilo posuši in kemijsko zamreži. Slabost tega načina spajanja je v ekoloških razlogih, saj so lepila klasificirana kot nevarni odpadki, končnega proizvoda pa ni mogoče v celoti reciklirati. Slabost je tudi v trdnosti spoja, kije močno odvisna od delovnih pogojev, v katerih izdelek obratuje. Na trdnost zlasti vpliva nihanje temperature in vlažnosti. Postopek je tudi energetsko neučinkovit. Poleg tega pa je postopek lepljenja časovno in prostorsko zelo potraten, saj proces strjevanja do 100% mehanske trdnosti spoja traja od nekaj dni pa do 1 meseca. Posledično zahtevajo tovrstni izdelki tudi vmesno skladiščenje, pred izvedbo nadaljnjih montažnih korakov.
V novejšem času so se pojavili postopki, pri katerih se kovinska površina obdela s pomočjo laserja, nato pa se z injekcijskim ulivanjem na kovino nanese polimer, s čimer se zagotovi oblikovni sklep na mikro in nano nivoju.
Dokument DE 102016215493 Al razkriva postopek spajanja kovinskega in polimernega elementa. V površini kovinskega elementa so mikrostrukturirane poglobitve, ki so izdelane z ultrakratkim pulznim laserskim osvetljevanjem, tj. dolžinami laserskih pulzov od 1 do 1000 pikosekund in/ali 1 do 1000 femtosekund. Pri tem nastanejo v površini kovinskega elementa poglobitve, ki imajo razmerje med globino in premerom večje ali enako 5. Slabost omenjene rešitve je v tem, da se v poglobitve pri injekcijskem ulivanju polimera na kovino ujame zrak, kar zmanjšuje površino stika med kovino in polimerom in torej povzroča slabšo adhezijo med kovino in polimerom. Nadaljnja slabost se pokaže v primeru, ko je potrebno korozijsko neobstojno jeklo po strukturiranju površine korozijsko zaščititi, npr. z galvaniziraniem. Pri galvanizaciji se na dnu poglobitev pojavljajo koncentracije električnih tokov, kar ima za posledico izrazito neenakomerno debelino protikorozijskega nanosa. Težava pa je tudi v kapilarnem učinku, zaradi katerega se znatni del strukture zapolni s protikozorijskim nanosom.
Dokument EP 3154764 BI razkriva postopek za izdelavo hibridnega konstrukcijskega dela iz kovine in umetne snovi, pri katerem se za izboljšanje adhezije kovine z umetno snovjo s kratkim pulznim laserskim osvetljevanjem izdelajo makroskopski spodreži z mikroskopskimi spodreži naključnih oblik. Postopek predvideva, da se kovinski del pred ali med injekcijskim ulivanjem predgreje. Slabost rešitve je v tem, da predgrevanje kovinskega dela zahteva grelno enoto, torej dodatno opremo in dodatni procesni korak. Predgrevanje je časovno zamudno in energijsko potratno. Poleg tega lahko zaradi predgrevanja pride do lokalnih temperaturnih vrhov, zlasti pri geometrijsko kompleksnih izdelkih, ki lahko poškodujejo material in zmanjšajo njegovo nosilnost in oblikovno natančnost. Naključna mikrostruktura lahko pogosto vodi do popolnoma ali deloma zaprtih poglobitev, v katere se ujame zrak in jih injicirana umetna snov ne more zapolniti, kar poslabša nosilnost spoja in poveča možnost korozije. Globina makrostruktumih poglobitev je nekaj 100 pm pa vse do 1 mm, za kar so potrebni daljši časi obdelave ter večja raba energije.
Dokument EP 2307187 BI razkriva postopek za izdelavo hibridnega konstrukcijskega dela, pri katerem se na enem delu zagotovi hrapavost površine z elektromagnetnim sevanjem, da se zagotovi mikrostruktura, ki jo prekriva nanostruktura. Struktura se zagotovi z laserjem, čigar pulzi trajajo med 100 fs do 100 ps.
Tehnični problem
Tehnični problem je, kako zagotoviti postopek za strukturiranje površine kovinskega elementa, ki bo zagotavljal dobro adhezijo med kovino in polimerom ter omogočal čim bolj enakomerno debelino protikorozijskega nanosa v primeru spajanja korozijsko neobstojnega jekla. Nadalje je naloga izuma zagotoviti časovno in energijsko učinkovit postopek za strukturiranje površine različnih kovinskih materialov.
Rešitev tehničnega problema
Tehnični problem je rešen s postopkom za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca po zahtevku 1.
Prednost postopka za strukturiranje površine kovinskega elementa po izumu pred znanimi postopki je v tem, da struktura površine kovinskega elementa zagotavlja dobro adhezijo med kovino in polimerom ter omogoča enakomerno debelino protikorozijskega nanosa v primeru spajanja korozijsko neobstojnega jekla. Poleg tega je postopek časovno in energijsko učinkovit ter primeren za različne kovinske materiale.
Slika 1: Shematski prikaz prečnega prereza obdelovanca s površino, strukturirano s postopkom po izumu
Slika 2: Fotografija površine obdelovanca, strukturirane s postopkom po izumu, pri čemer je bila hitrost pomikanja žarka po površini kovinskega obdelovanca 250 mm/s, frekvenca bliskov 112,5 kHz, število prehodov 3 in razmik med sosednjimi prehodi 140 pm
V nadaljevanju je izum opisan podrobneje.
Tehnični problem je rešen s postopkom za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca, ki obsega:
- zagotavljanje kovinskega obdelovanca,
- zagotavljanje laserske naprave, ki obsega vir pulznega laserja z valovno dolžino od 300 nm do 11000 nm, prednostno od 500 nm do 1100 nm, najbolj prednostno od 1000 nm do 1074 nm in s povprečno močjo od 20 W do 1000 W, prednostno 100 W do 700 W, najbolj prednostno od 250 W do 400 W, ter krmilnik, ki je prirejen, da krmili laser tako, da je frekvenca bliskov od 100 kHz do 4000 kHz, prednostno od 500 kHz do 2000 kHz, najbolj prednostno od 800 kHz do 1500 kHz, in čas trajanja bliskov od 1 ns do 500 ns, prednostno od 10 ns do 100 ns, najbolj prednostno od 40 ns do 60 ns,
- zagotavljanje skenimo-fokusime optike za vodenje in fokusiranje laserskega žarka, ki je prirejena tako, da vodi laserski žarek po površini kovinskega dela s hitrostjo pomikanja žarka po površini kovinskega obdelovanca od 100 mm/s do 7000 mm/s, prednostno od 1000 mm/s do 5000 mm/s, najbolj prednostno od 3000 mm/s do 5000 mm/s in vodi laserski žarek po isti trajektoriji od 1-krat do 10-krat, prednostno 2-krat do 5-krat, najbolj prednostno 3-krat ter fokusira laser tako, da ima na površini kovinskega obdelovanca premer od 10 pm do 100 pm, prednostno od 20 pm do 80 pm, najbolj prednostno od 35 do 45 pm.
Z omenjenim postopkom se doseže, da se material kovinskega obdelovanca, ki ga laserski žarek osvetli, zaradi visoke koncentracije energije hipno upari, kar v kombinaciji s pomikajočim se laserskim žarkom privede do nastanka ozkih utorov širine W od 5 pm do 200 pm, prednostno od 15 pm do 90 pm, najbolj prednostno od 30 pm do 40 pm in globine hi od 5 pm do 200 pm, prednostno od 15 pm do 50 pm, najbolj prednostno od 30 pm do 40 pm. Nadalje pa se z omenjenim postopkom doseže, da se del materiala kovinskega obdelovanca, ki ga laserski žarek osvetli, zgolj stali, nadtlak zaradi prej omenjenih kovinskih par pa talino odrine ob stenah utora navzven, kjer se talina ponovno strdi. Na ta način na vsaki strani utora nastane igla, ki se za višino h2 dviga nad osnovno površino kovinskega obdelovanca, s čimer dodatno poveča površino kovinskega obdelovanca, ki omogoča boljšo adhezijo s polimernim materialom, ki se lahko injekcijsko uliva na kovinski obdelovanec. Z omenjenim postopkom nastane igla višine h2 od 5 pm do 100 pm, prednostno od 15 pm do 50 pm, najbolj prednostno od 30 pm do 40 pm. Skupna globina H utora tako znaša od 10 pm do 300 pm, prednostno, od 30 pm do 100 pm, najbolj prednostno od 60 pm do 80 μιη. Del kovinskih par kondenzira na površini igle, s čimer se po strjevanju tvorijo dodatne nanostrukture, ki povečajo hrapavost površine in tako dodatno prispevajo k boljši adheziji s polimernim materialom, ki se lahko injekcijsko uliva na kovinski obdelovanec.
Razumljivo je, da da izbor parametrov na zunanjem robu navedenih območij slabše rezultate, izbor parametrov blizu prednostnih vrednosti pa najboljše rezultate glede želene strukture površine obdelovanca. V nadaljevanju so pojasnjene vzročne povezave med izbori parametrov postopka.
Najširše predvideno območje valovnih dolžin (od 300 nm do 11000 nm) predstavlja spekter, ki se uporablja za laserske obdelave najrazličnejših materialov; od kovin do umetnih snovi. Vendar ima izbrani material velik vpliv na absorptivnost laserske svetlobe, pri čemer je ravno absorptivnost svetlobe tista lastnost, ki najbolj vpliva na izkoristek in natančnost postopka. Visoka absorptivnost namreč vodi v visok izkoristek pretvorbe laserske energije v toploto in v končni fazi v njegovo pretaljevanje in odparevanje. Vse to vpliva tudi na globino izdelanih mikrostruktur, zato pri nižji absorptivnosti njeno naključno spreminjanje, na primer zaradi variacije hrapavosti ali materialne sestave, bistveno bolj vpliva na končno obliko mikrostrukture (globina in širina utorov), kot se to kaže pri visoki absorptivnosti. Znano je, da se kovinam absorptivnost povečuje s skrajševanjem valovne dolžine pulznega laserja, zato predvideno območje valovnih dolžin pulznega laserja zagotavlja visoko absorptivnost laserske svetlobe v kovini, kar pomeni visok izkoristek energije ter dobro ponovljivost. To pomeni, da so pri predvidenem območju valovnih dolžin pulznega laserja vplivi lokalnih sprememb v hrapavosti površine obdelovanca in njegove materialne sestave na absorptivnost majhni in posledično tudi na doseženo globino utorov pri konstantni laserski moči.
Povprečna moč pulznega laserja neposredno vpliva na obdelovalne čase strukturiranja površine. V primeru nižje moči se obdelovalni čas podaljšuje in obratno. V primeru moči pulznega laserja, višje od približno 1000 W, se gostota moči na optičnih komponentah toliko zviša, da lahko prihaja do pregrevanja in nestabilnosti procesa. Prav tako se poveča intenziteta laserske svetlobe v samem območju obdelave preko praga, ko se pojavi ionizacija okoliške atmosfere (ang.: plasma plume), ta pa predstavlja tako imenovani plazemski ščit, ki preprečuje nemoteno širjenje laserske svetlobe proti obdelovalni površini. Laserska svetloba se delno absorbira v plazmi, delno pa se siplje in defokusira, kar ima za posledico nezmožnost izdelave mikrostruktur.
Frekvenca bliskov pulznega laserja v kombinaciji s povprečno močjo vpliva na hitrost premikanja žarka in posledično na obdelovalni čas. Zaradi izdelave strukture, ki sestoji iz množice utorov je pomembno, da se sledi, ki jih generirajo zaporedni laserski bliski, medsebojno prekrivajo (tipično 50%). Iz tega sledi, da če želimo povečati hitrost premikanja žarka, moramo povečati tudi frekvenco bliskov. Pri frekvencah bliskov pulznega laserja, nižjih od 100 kHz, to pomeni, da se mora za doseganje prekrivanja laserski žarek premikati z nizko hitrostjo, kar podaljša obdelovalne čase in naredi postopek časovno neučinkovit. V primeru frekvenc bliskov pulznega laserja, višjih od 4.000 kHz, pa je časovni razmik med bliski že tako kratek, da se material ne ohladi več zadostno, zato proces preide iz pretežno uparjevalnega v pretaljevalni režim, kar ne zagotavlja želene strukture površine obdelovanca.
Če je izbrano število prehodov laserskega žarka po isti trajektoriji nižje, je potrebno za dosego iste globine utorov laserski žarek premikati počasneje, da se dlje časa zadržuje na istem mestu. S tem se doseže, daje pregreta in pretaljena širša okolica obsevanega materiala (od nekaj mikronov do nekaj 10 mikronov), kar ima znotraj določenega območja izredno pozitivne učinke na obliko mikrostrukture. Raztaljeni material se namreč zaradi nadtlaka, ki nastane z uparjanjem materiala v mikroutorih, izriva po stenah navzven in tam ponovno strdi. To vodi do pojava oblik z negativnimi koti in iglo, ki izredno pozitivno vplivajo na oblikovno zaklepanje (na mikro nivoju). V primeru prekomernega pretaljevanja okoliškega materiala (pri nadaljnjem zmanjševanju hitrosti žarka) pa se začnejo utori samodejno zapirati, kar vodi do izgube osnovne funkcije strukture, ki jo želimo doseči. Prav tako se lahko prične obdelovanec prekomerno segrevati, kar lahko vodi do krivljenja obdelovanca. Zaradi zgoraj opisanih pojavov je priporočljivo, da se laserski žarek po isti trajektoriji pomika od 1-krat do 10-krat, prednostno 2-krat do 5-krat, najbolj prednostno 3-krat.
Laserski žarek se pri obdelavi kovinskega obdelovanca po površini pomika v dveh medsebojno v bistvu pravokotnih smereh tako, da se tvori mrežasta struktura s periodo dx od 100 μιη do 300 μιη, prednostno 130 do 150 μιη. Pri kovinskih obdelovancih diskaste oblike, je priporočljivo, da se laserski žarek pri obdelavi kovinskega obdelovanca po površini pomika v tangencialnih in radialnih smereh tako, da se tvori struktura v obliki pajkove mreže s povprečno periodo dx od 100 μιη do 300 μιη, prednostno 130 do 150 μιη.
Preizkusi so pokazali, da je postopek primeren za strukturiranje površine različnih kovinskih materialov, kot so nerjavno in korozijsko neobstojno jeklo, aluminij, baker ipd. Postopek se je izkazal za učinkovitega za materiale različnih sestav, npr. kovinskih materialov, primernih za šancanje ali aluminija, primernega za visokotlačno litje. Struktura je ustrezna tudi za naknadni elektro-kemični postopek galvanizacije in ostane ustrezna za spajanje s polimernim materialom tudi po nanosu proti-korozijske zaščite. Preizkus je bil izveden s proti-korozijski nanos Zn-Ni debeline 8,25 pm.
Izum se nadalje nanaša na postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala, ki obsega naslednje:
- korake postopka za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca,
- zagotavljanje orodja za injekcijsko ulivanje,
- vstavljanje kovinskega obdelovanca v orodje za injekcijsko ulivanje ter zapiranje kalupa,
- vbrizgavanje taline polimernega materiala v orodje, pri čemer je temperatura taline od 200 °C do 400 °C, odvisno od vrste polimernega materiala,
- ohlajanje in strjevanje polimernega materiala v orodju in
- odstranjevanje hibridnega izdelka iz orodja.
Talina polimernega materiala ima nizko viskoznost, kar ob visokem tlaku vbrizgavanja polimernega materiala (> 200 barov) omogoča, da talina dobro zapolni vse vrzeli pripravljene mikrostrukture v površini kovinskega materiala.
Claims (5)
- Patentni zahtevki1. Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca, ki obsega:- zagotavljanje kovinskega obdelovanca,- zagotavljanje laserske naprave, ki obsega vir pulznega laserja z valovno dolžino od 300 nm do 11000 nm, prednostno od 500 nm do 1100 nm, najbolj prednostno od 1000 nm do 1074 nm in s povprečno močjo od 20 W do 1000 W, prednostno 100 W do 700 W, najbolj prednostno od 250 W do 400 W, ter krmilnik, ki je prirejen, da krmili laser tako, da je frekvenca bliskov od 100 kHz do 4000 kHz, prednostno od 500 kHz do 2000 kHz, najbolj prednostno od 800 kHz do 1500 kHz, in čas trajanja bliskov od 1 ns do 500 ns, prednostno od 10 ns do 100 ns, najbolj prednostno od 40 ns do 60 ns,- zagotavljanje skenimo-fokusirne optike za vodenje in fokusiranje laserskega žarka, kije prirejena tako, da vodi laserski žarek po površini kovinskega dela s hitrostjo pomikanja žarka po površini kovinskega obdelovanca od 100 mm/s do 7000 mm/s, prednostno od 1000 mm/s do 5000 mm/s, najbolj prednostno od 3000 mm/s do 5000 mm/s in vodi laserski žarek po isti trajektoriji od 1-krat do 10-krat, prednostno 2-krat do 5-krat, najbolj prednostno 3-krat ter fokusira laser tako, da ima na površini kovinskega obdelovanca premer od 10 μιη do 100 μιη, prednostno od 20 μιη do 80 μιη, najbolj prednostno od 35 do 45 μιη.
- 2. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da se laserski žarek pri obdelavi kovinskega obdelovanca po njegovi površini pomika v dveh medsebojno v bistvu pravokotnih smereh tako, da se tvori mrežasta struktura s periodo dx od 100 μιη do 300 μιη, prednostno 130 do 150 μιη.
- 3. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da se pri obdelavi kovinskih obdelovancih diskaste oblike laserski žarek pri obdelavi kovinskega obdelovanca po njegovi površini pomika v tangencialnih in radialnih smereh tako, da se tvori struktura v obliki pajkove mreže s povprečno periodo dx od 100 pm do 300 pm, prednostno 130 do 150 pm.
- 4. Postopek po katerem koli od predhodnih zahtevkov, značilen po tem, daje kovinski obdelovanec iz jekla ali aluminija.
- 5. Postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala, značilen po tem, da obsega:- postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca po katerem koli od predhodnih zahtevkov,- zagotavljanje orodja za injekcijsko ulivanje,- vstavljanje kovinskega obdelovanca v orodje za injekcijsko ulivanje ter zapiranje kalupa,- vbrizgavanje taline polimernega materiala v orodje, pri čemer je temperatura taline od 200 °C do 400 °C, odvisno od vrste polimernega materiala,- ohlajanje in strjevanje polimernega materiala v orodju in- odstranjevanje hibridnega izdelka iz orodja.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SI202200169A SI26408A (sl) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala |
| EP23190447.5A EP4344814A1 (en) | 2022-09-05 | 2023-08-09 | Process for surface structuring of a metal workpiece and process for producing a hybrid product from a metal workpiece and a polymer material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SI202200169A SI26408A (sl) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SI26408A true SI26408A (sl) | 2024-03-29 |
Family
ID=87567611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SI202200169A SI26408A (sl) | 2022-09-05 | 2022-09-05 | Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4344814A1 (sl) |
| SI (1) | SI26408A (sl) |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2298525A1 (en) * | 2008-06-12 | 2011-03-23 | Nippon Light Metal Co., Ltd. | Integrally injection-molded aluminum/resin article and process for producing the same |
| DE102008040782A1 (de) | 2008-07-28 | 2010-02-04 | Robert Bosch Gmbh | Bauteilverbund sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes |
| JP6317064B2 (ja) * | 2013-02-28 | 2018-04-25 | ダイセルポリマー株式会社 | 複合成形体とその製造方法 |
| KR20150092872A (ko) * | 2014-02-06 | 2015-08-17 | 주식회사 우전앤한단 | 이종 접합 부재의 제조방법 |
| DE102014008815A1 (de) | 2014-06-11 | 2016-01-21 | Albis Plastic Gmbh | Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes aus Metall und Kunststoff zu einem Kunststoff-Metall-Hybridbauteil |
| DE102016215493A1 (de) | 2016-08-18 | 2018-02-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Hybrider Werkstoffverbund zwischen einer Metalloberfläche und einer polymeren Materialoberfläche sowie Verfahren zur Herstellung des hybriden Werkstoffverbundes |
| HUE055789T2 (hu) * | 2016-09-30 | 2021-12-28 | Lg Chemical Ltd | Heterogén anyagok összekötött szerkezete, és eljárás ennek gyártására |
| FR3100002B1 (fr) * | 2019-08-21 | 2021-11-19 | Onet Tech Cn | Procédé pour décontaminer par laser pulsé une pièce métallique comprenant à sa surface une couche d’oxydes de métaux |
| KR20210036727A (ko) * | 2019-09-26 | 2021-04-05 | 주식회사 엘지화학 | 이종 소재 접합체 및 이를 이용한 제조방법 |
-
2022
- 2022-09-05 SI SI202200169A patent/SI26408A/sl active IP Right Grant
-
2023
- 2023-08-09 EP EP23190447.5A patent/EP4344814A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4344814A1 (en) | 2024-04-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lei et al. | Ultrafast laser applications in manufacturing processes: A state-of-the-art review | |
| Dubey et al. | Experimental study of Nd: YAG laser beam machining—An overview | |
| Neuenschwander et al. | Processing of metals and dielectric materials with ps-laserpulses: results, strategies, limitations and needs | |
| Samad et al. | Ultrashort laser pulses machining | |
| JP2006159289A (ja) | 微細構造を製造する方法 | |
| Lickschat et al. | Ablation of steel using picosecond laser pulses in burst mode | |
| Deng et al. | Experimental investigation on laser micromilling of SiC microchannels | |
| Tamrin et al. | Laser drilling of composite material: A review | |
| SI26408A (sl) | Postopek za strukturiranje površine kovinskega obdelovanca in postopek za izdelavo hibridnega izdelka iz kovinskega obdelovanca in polimernega materiala | |
| Zheng et al. | Study on additive and subtractive manufacturing of high-quality surface parts enabled by picosecond laser | |
| Nebel et al. | Fast micromachining using picosecond lasers | |
| Karnakis et al. | High quality laser milling of ceramics, dielectrics and metals using nanosecond and picosecond lasers | |
| Shalini et al. | Ultrafast pulse laser inscription and surface quality characterization of micro-structured silicon wafer | |
| Schoonderbeek et al. | Laser technology for cost reduction in silicon solar cell production | |
| Dausinger | Machining of metals with ultrashort laser pulses: from fundamental investigations to industrial applications | |
| Karnakis et al. | High power DPSS laser micromachining of silicon and stainless steel | |
| Karnakis et al. | Surface integrity optimisation in ps-laser milling of advanced engineering materials | |
| Gillner et al. | Laser micro-structuring | |
| Pawlak et al. | Laser microscale technologies: Modeling assisted processes | |
| RU2522919C1 (ru) | Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана | |
| Jagdheesh et al. | One-step generation of ultrahydrophobic aluminum surface patterns by nanosecond lasers | |
| Hernandez-Castaneda et al. | An experimental investigation of laser drilling nitrile butadine (NBR) rubber | |
| Issa et al. | Laser Micro-and Nano-Scale Processing | |
| Jiao et al. | Parametric study of femtosecond pulses laser hole drilling of silicon wafer | |
| Kumar | Experimental studies and simulation of laser ablation of high-density polyethylene films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OO00 | Grant of patent |
Effective date: 20240409 |