玻璃與塑料的粘合對于生產(chǎn)功能性部件而言非常重要,因為這些部件需要高透明度和高造型靈活性。典型應用包括室內(nèi)和室外照明,通過精確的激光成型實現(xiàn)創(chuàng)新的玻璃塑料組合本文翻譯自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL雜志作者:Nam-PhongNguyen,JanSchabel例如:汽車前照燈(圖1)和觸摸操作元件(如顯示屏里的觸摸操作元件)。玻璃的成型能力有限,而塑料對熱和刮擦敏感,只能適應較低的使用溫度和溫度循環(huán)。缺點限制了這兩種材料的應用,而這些限制可以通過結(jié)合這兩種材料的特定優(yōu)勢來克服。
通過二氧化碳激光輻射對玻璃樣品進行激光成型:將微結(jié)構(gòu)以1mm的間距引入厚度為3mm的玻璃基板。這一點通過掃描系統(tǒng)實現(xiàn),該掃描 系統(tǒng)可將激光束多次高速引導至玻璃基板上。受激光束撞擊時,材料蒸發(fā)。燒蝕的顆粒可以被看作黃色火焰 ?Fraunhofer ILT
玻璃一般通過粘合劑或粘合促進劑與塑料相結(jié)合,但前提是材料是相容的,并且熱膨脹系數(shù)不會在高溫下導致嚴重的機械應力問題。由于大多數(shù)玻璃不易潤濕,因此即使使用增粘劑,材料組合的數(shù)量也有限。它需要特殊的零件設(shè)計和復雜的工藝技術(shù)。而且,粘合劑的耐老化性也有限。
在德國北萊因-威斯特伐利亞州的HyTraM研究項目中,三個行業(yè)合作伙伴共同開發(fā)了一種混合制造工藝,可通過精確的激光束在玻璃和塑料之間建立混合連接。該工藝不使用助劑,因此不受上述限制。該兩步法工藝首先將微米和納米級結(jié)構(gòu)引入玻璃,然后通過銩光纖激光器加熱塑料使熔體滲入型腔,從而在兩種材料之間建立連接?;诩す獾募庸ぜ夹g(shù)的優(yōu)勢是無接觸和精確的能量導入、結(jié)構(gòu)幾何的高度靈活性以及高度自動化。
玻璃材料的激光成型
通過按規(guī)定的入射角構(gòu)建樣品,在玻璃中產(chǎn)生凹槽。兩種不同的激光源均可用于該工序。利用二氧化碳激光器,掃描系統(tǒng)可將激光束高速引導至玻璃樣品上(標題圖)。憑借檢流計掃描鏡,這里的速度可以達到每秒數(shù)米。每次激光脈沖都會燒蝕材料。成型深度和密度可以通過行程量和掃描速度靈活調(diào)整。為了增加粘合強度,還可在玻璃樣品上引入多種結(jié)構(gòu)。該工藝的優(yōu)點是加工時間短,僅需要數(shù)秒。但是,需要注意的是,玻璃樣品在成型過程中會變熱。如果結(jié)構(gòu)密度過高,熱應力會導致部件破裂。
圖1 玻璃塑料混合粘接結(jié)合了兩種材料的特定優(yōu)勢。以典型應用汽車前照燈燈為例,它需要高透 明度和造型靈活性 ?Hella
利用超短脈沖(USP)激光源可以避開這些弊端。激光束的強聚焦和15ps(15*10–12s)的短脈沖時間會產(chǎn)生>10W/cm2的局部高強度峰值,它們會立即燒蝕材料。由于脈沖持續(xù)時間和材料升華時間短,幾乎察覺不到部件的加熱,因此該技術(shù)俗稱“冷燒蝕”。它能夠避免鉆孔處出現(xiàn)微裂紋和剝落,并使鉆孔壁獲得均勻的粗糙度,因此可以實現(xiàn)幾乎無損的工件加工。
圖2 基于激光的玻璃塑料粘合制造分兩道工序——左:激光成型,右:激光連接(來源:ILT, 圖:?Hanser)
USP成型的另一個優(yōu)點是工藝的高精度。每一次照射都會燒蝕1μm層厚,因此幾乎可以在玻璃上生成任意結(jié)構(gòu)。該工藝在項目過程中經(jīng)過了改進,可提供極高的可重復性,而可重復性對于塑料玻璃的牢固粘合來說非常關(guān)鍵。由于激光脈沖的燒蝕率低,因此與二氧化碳激光成型相比,其加工時間明顯更長,達到了20-30s左右。
利用新的激光波長進行連接
銩光纖激光器被用于后續(xù)的連接。該激光器的發(fā)射波長為1940nm,發(fā)射的激光束在大多數(shù)工程聚合物的自然吸收范圍內(nèi)。這種激光器通常用于透明塑料的透射焊接,因為它可以在不添加吸收促進劑(例如:炭黑)的情況下熔化塑料。其應用一般包括醫(yī)療和生物部件,如微流控芯片。在氣動卡盤中,塑料被夾在結(jié)構(gòu)化玻璃樣品的下方,然后它們在高壓下被壓在一起。激光束穿透玻璃樣品并使塑料大面積熔化(圖2)。施加的粘合壓力使塑料熔體流入微結(jié)構(gòu)和納塑料的固化帶來牢固的連接(圖3)。憑借這些結(jié)構(gòu),僅通過熔融的塑料及其表面的潤濕即可產(chǎn)生高粘附力。該結(jié)構(gòu)以及因此形成的互鎖能夠產(chǎn)生剛性連接。這種方法不需要諸如粘合促進劑或粘合劑等其他材料。除了透明塑料外,還可以加入其他所需的顏色組合,從而為設(shè)計師提供了更大的設(shè)計自由度。
影響粘接強度的因素
接頭的機械強度不僅取決于塑料的機械性能,而且還取決于結(jié)構(gòu)的密度和方向。結(jié)構(gòu)密度和方向越大,產(chǎn)生的互鎖點越多,粘接強度也更高。但是,余料密度也降低了,而這將再次削弱結(jié)構(gòu)。
圖3 接合后的玻璃塑料混合結(jié)構(gòu):成型玻璃樣 品(上)與聚碳酸酯平面樣品(下)形成了 牢固的連接。塑料微結(jié)構(gòu)區(qū)域(中)10 mm x 20 mm的范圍被照射。由于兩個粘接的部件 具有高透明度,因此肉眼幾乎看不到熔融區(qū)域 ?Fraunhofer ILT
強度還取決于結(jié)構(gòu)的方向。通過以相對于入射角的工作角度加工玻璃材料,它能夠在玻璃中產(chǎn)生凹槽(圖4)。由于塑料熔體的粘度很高,因此熔體流動可通過直徑約500μm的孔狀幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。如果凹槽沿相反的方向?qū)R,那么當塑料玻璃粘接處于負載狀態(tài)時,它將導致抗剪力和抗拉力。
結(jié)語
與其他接合工藝相比,基于激光的兩步法玻璃塑料連接簡化了工藝流程,直接連接減輕了重量并開辟了新的設(shè)計可能。在玻璃中產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了兩種材料的互鎖連接。微結(jié)構(gòu)的方向可以靈活調(diào)整來滿足部件的載荷要求,從而獲得最佳強度。盡管二氧化碳激光器可用于快速加工,但如果需要高粘接強度,超短脈沖激光源將更為適合,因為它能夠進行精確的燒蝕。
圖4 微結(jié)構(gòu)的顯微圖(俯視圖):玻璃是通過USP激光 束逐層燒蝕的。與 二氧化碳激光束加工相比,高精度燒蝕可以生成幾乎沒有任何損壞的結(jié)構(gòu) ?Fraunhofer ILT
未來,演示部件將被生產(chǎn)出來以說明新工藝在工業(yè)環(huán)境中的適用性。為了確定該工藝,還需進一步提高激光成型過程中的燒蝕率。此外,還需模擬樣品和演示件的包覆成型,包括微結(jié)構(gòu)的填充。目前,通過Cadmould已可進行微觀仿真,但如果要在工業(yè)環(huán)境中使用,則應在項目范圍內(nèi)進一步提高預測精度。
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