Sterke metaal-kunststof verbindingen met laser

Door de groeiende vraag naar lichtgewicht constructies worden steeds vaker verschillende materialen in één constructie toegepast. Deze materialen moeten dan wel met elkaar worden verbonden. Het Fraunhofer ILT toont op de composietenbeurs JEC in Parijs (14, 15 en 16 maart) nieuwe lasertechnieken voor het maken van metaal-kunststof verbindingen, waarmee hybride componenten kunnen worden geproduceerd.

Zeker de combinatie metaal en vezelversterkte kunststoffen komt steeds vaker voor. Vooral de automobielindustrie heeft hiervoor veel belangstelling voor. Om beide materialen te verbinden wordt vaak gekozen voor lijmen. Fraunhofer ILT heeft nu echter een toepassing op basis van een ultrakorte pulslaser ontwikkeld. Met de laser wordt eerst een abblatieproces aan het metalen onderdeel uitgevoerd. Het laserlicht creëert een micro- en nano structuur in het oppervlak. Daarna verwarmt de laserstraal het metaal en kunststof en smelt het plastic deel, waarbij de kunststof in de microstructuur vloeit. Zodra het werkstuk is afgekoeld, blijft er een sterke verbinding over. De afschuifsterkte van de metaal-kunststof verbinding is meer dan 25 MPa. Deze hoge waarde is te danken aan de micro- en nano structuur in het oppervlak van het metalen onderdeel. Deze verbinding heeft een extreem hoge schuifsterkte van rond de 25 MPa. Daarmee is deze verbinding duidelijk sterker dan een lijmverbinding.

Metaal en vezelversterkte kunststof verbonden middels een ultrakorte pulslaser

Kunststof en metalen insert
Ook voor de productie van spuitgietdelen met metalen inserts is een lasertechnologie ontwikkeld. Fraunhofer ILT laat in Parijs zien hoe het kunststof deel en de metalen insert met elkaar kunnen worden verbonden zonder gebruik te maken van lijm. Ook hierbij maakt de laser microstructuren in het metaal die worden gevuld met vloeibare polymeren in de volgende productiestap in de spuitgietmachine. Hier is de sterkte van de verbinding meer dan 22 MPa. Deze sterkte kan worden beïnvloed door de oriëntatie van de microstructuren en de verspreiding ervan over het oppervlak te veranderen. “Dat betekent dat we de sterkte van de verbinding kunnen aanpassen aan toekomstige operationele omstandigheden”, zegt Kira van der Straeten, wetenschapper in het Plastics processingteam van het Fraunhofer ILT.

Composiet en metaal
Tot slot toont Fraunhofer ILT een oplossing voor het snijden van stacks van composiet en titanium of aluminium. Met een laserscanner wordt het composietmateriaal min of meer voorgesneden. De scanstrategie zorgt voor een inkerving die een ideale voorbereiding is om het metaal in de stack te snijden. Dat gebeurt in een volgende stap in het proces.