في الوقت الحاضر، في المزيد والمزيد من التطبيقات الصناعية، يُنظر إلى الليزر كحل بديل لحام المواد البلاستيكية/المركبة مباشرة بالمعادن. توفر طريقة المعالجة غير المتصلة هذه أعلى مرونة في العملية.
في الوقت الحاضر، أحد العوامل الدافعة لصناعة السيارات هو كيفية صنع سيارات أخف وزنا دون زيادة التكاليف أو التسبب في أضرار أو تأثير على الأداء والجودة والسلامة. بالنسبة لهياكل المقاعد، يتضمن ذلك بشكل أساسي استخدام الفولاذ الرفيع والأعلى قوة. في السنوات الأخيرة، تمت أيضًا دراسة هياكل المواد المختلطة على نطاق واسع. ينطبق هذا أيضًا على الهياكل الهجينة المعدنية فقط والهياكل المكونة المصنوعة من مركبات معدنية/بلاستيكية.
يمثل استخدام هذه الهياكل المادية الهجينة العديد من التحديات المختلفة، أبرزها كيفية لحام المواد المكونة لها بخصائص كيميائية وميكانيكية وحرارية مختلفة. في الوقت الحاضر، فإن التقنيات الأكثر تقليدية المستخدمة في لحام المواد البلاستيكية والمعدنية هي الربط اللاصق أو اللحام الميكانيكي أو قولبة الكسوة أو مزيج من هذه العمليات. تتضمن هذه الوسائل عددًا كبيرًا من عمليات التجميع وستؤدي إلى قيود على التصميم.
في الوقت الحاضر، في المزيد والمزيد من التطبيقات الصناعية، يُنظر إلى الليزر كحل بديل لحام المواد البلاستيكية/المركبات مباشرة بالمعادن. لا تتطلب هذه الطريقة مواد لاصقة سائلة/صلبة إضافية أو مكونات تجميع، وتوفر مرونة عالية في العملية مقارنة بالمفاصل الميكانيكية والقوالب المعقدة والمكلفة. من أجل تقييم إمكانية استخدام تقنية الليزر الجديدة هذه، قامت شركة Faurecia Automotive Seating في ألمانيا والجماعة الأوروبية بتمويل مشروع يسمى PMjoin.
خطوات عملية الليزر
تتضمن عملية الليزر المباشرة غير التلامسية خطوتين. أولاً، عن طريق مسح المنطقة واستئصال المادة محليًا، يتم تشكيل بنية مجهرية محززة على السطح المعدني. يمكن أن تكون الأخاديد صغيرة بعرض بضعة ميكرونات، ويمكن تغيير العمق عن طريق مسح الليزر عدة مرات في نفس المنطقة. يوضح الشكل 1 شكلين مختلفين للأخدود: الجزء العلوي مصنوع من ألياف ليزر أحادية الوضع ذات موجة مستمرة (CW)، والتي تتميز بأخدود مقطع عرضي غير منتظم مع هيكل إعادة تشكيل صغير في الأعلى، والجزء السفلي مصنوع من الليزر النبضي بالنانو ثانية، والذي يتميز بشكل أخدود منتظم مع هيكل إعادة تشكيل كبير في الأعلى.
في الخطوة الثانية من الطريقة، يتم تداخل البلاستيك مع المعدن الهيكلي ويتم تسخينه إلى درجة حرارة الانصهار. بالنسبة للمواد البلاستيكية الشفافة بالنسبة لطول موجة الليزر، يمكن تطبيق شعاع الليزر من جانب البلاستيك - يتم نقل طاقة الليزر إلى الواجهة المشتركة من خلال البلاستيك، ويتم امتصاص الطاقة الموجودة في الواجهة بواسطة المعدن. يسخن المعدن تدريجيًا، وتضمن الموصلية الحرارية المنخفضة للبلاستيك وجود نقاط ساخنة محلية، مما يؤدي إلى ذوبان البلاستيك.
بالنسبة للمواد البلاستيكية غير الشفافة لأطوال موجات الليزر (بما في ذلك معظم المواد البلاستيكية/المركبات الهيكلية للسيارات)، يجب تسخينها من الجانب المعدني عن طريق تسخين المعدن كهربائيًا. عندما يتم توليد حرارة كافية محليًا في الواجهة، سوف يذوب البلاستيك. في كلتا الحالتين، يعد التحكم الجيد في درجة الحرارة أمرًا ضروريًا لتجنب ارتفاع درجة الحرارة (مما يؤدي إلى ظهور المسام) أو حرق البلاستيك.
على الرغم من أن حلول التسخين الموصلة لا توفر الطاقة، إلا أنها فعالة مثل حلول تسخين ناقل الحركة التي تخلق وصلات مستقرة. في هذه العملية، يتم استخدام ليزر ديود مباشر موجي مستمر لإجراء تسخين موصل من الجانب المعدني. في عملية التسخين بالتوصيل وتسخين ناقل الحركة، يجب تطبيق الضغط لضمان نقل الحرارة بشكل فعال إلى البلاستيك. بمجرد وصول البلاستيك إلى درجة حرارة الانصهار، فإنه يتدفق إلى البنية المجهرية تحت الضغط. وعندما يبرد، فإنه يثبت نفسه في الهيكل المعدني، وبالتالي يشكل تعشيقًا ميكانيكيًا.
مفهوم تصميم مقعد السيارة
كجزء من مشروع PMjoin، صممت Faurecia هيكلًا مفاهيميًا لظهر المقعد استنادًا إلى هيكل المقعد الفولاذي العام (الشكل 2). تم استبدال العوارض الجانبية الفولاذية عالية القوة لظهر المقعد بمركبات PAGF30. تظل العوارض المتقاطعة العلوية والسفلية والمكونات القابلة للإمالة لمسند الظهر، بالإضافة إلى وسادة المقعد وهيكل سكة التوجيه القابلة للتعديل، دون تغيير.
في الجزء الأول تمت دراسة تأثير عوامل البنية المجهرية على الخواص الميكانيكية للمفصل. ولهذا السبب، تم ترتيب مجموعة من تصميمات الاختبار لإنتاج عينات بسيطة ذات أنماط أخدود مختلفة، ومن ثم تم إجراء اختبارات الشد والقص والشد على العينات. تتضمن المعلمات التي تمت دراستها عدد مرات التشغيل المتكررة (الليزر)، وكثافة الهيكل (التباعد بين الأخاديد)، وزاوية الأخدود بالنسبة لسطح المادة، واتجاه هيكل الأخدود بالنسبة لاتجاه الحمل، ونوع الليزر، وقوة الليزر. على سبيل المثال، يمكن استخدام هندسة الأخدود البسيطة لتحقيق قيمة قوة القص البالغة 17 نيوتن/مم2، وهو أكثر من ضعف القيمة التي يحققها السطح الخشن (المسفوع بالرمل) و4 أضعاف قيمة السطح المعدني غير المعالج.
في الوقت الحاضر، وجد أنه يمكن تحقيق أشكال هندسية مختلفة للأخدود باستخدام ليزرات (مهيكلة) مختلفة. يساعد عدم انتظام شكل الأخدود وحجم (وشكل) طبقة إعادة التشكيل البارزة من سطح المادة على تثبيت البلاستيك في المفصل.
وفي الخطوة الثانية من الدراسة، تم نقل نتائج الاختبار صغير الحجم إلى مفهوم هيكل ظهر المقعد. يتم تحديد الحمل الميكانيكي لكل نقطة لحام، أي اللحام بين مكونات الحزمة الجانبية العلوية والسفلية ومكونات الحزمة الجانبية المركبة، واللحام بين المكونات المائلة الفولاذية ومكونات الحزمة الجانبية المركبة، من خلال العنصر المحدود ( FE) تحليل الهيكل الفولاذي التمثيلي. بناءً على نتائج الاختبارات صغيرة الحجم، يتم تحديد مساحة المفصل المطلوبة لنقل الحمولة المحسوبة بواسطة FE عند كل مفصل.
نظرًا لاستخدام العضو الجانبي المركب من المشروع السابق، تحتاج نقاط اللحام إلى إعادة تصميم طفيف لضمان حصول التكنولوجيا الجديدة القائمة على الليزر على مساحة لحام كافية. بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم وتصنيع دعامة فولاذية جديدة من أجل لحام المجموعة المتكئة الموجودة بالعضو الجانبي المركب. وفي الوقت نفسه، تم أيضًا تصميم أداة تحديد المواقع والتثبيت المناسبة.
نتيجة الاختبار
باستخدام المعلمات المحددة في اختبار صغير الحجم، تم تصنيع جزء صغير من الهيكل المفاهيمي للمقعد الخلفي، وتم إجراء اختبارات التأثير الأمامي شبه الثابت والصدم الخلفي واختبارات التأثير الأمامي الديناميكي. يساعد كلا النوعين من الاختبارات في فهم كيفية عرض حالات الفشل في الهياكل، وتُظهر اختبارات التأثير الديناميكي ما يحدث بالفعل في الحياة الواقعية. على الرغم من أن الأخير يعطي فقط تقريرًا مؤهلاً أو غير مؤهل، فإن اختبار التأثير شبه الساكن يُرجع أيضًا نتيجة كمية - أي تحت أي ظروف من عزم الدوران أو القوة سيفشل الهيكل.
على الرغم من إيجابية نتيجة الاختبار الأول، إلا أن أوضاع الفشل الملحوظة تشير أيضًا إلى أن مفهوم التصميم لا يزال جامدًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانية إعادة تصميم المكونات الفولاذية والمركبة لزيادة فعاليتها إلى أقصى حد على الأداء الهيكلي لظهر المقعد وبالتالي تحقيق تصميم أكثر تقدمًا لا يزال يتعين استكشافها. على أية حال، فقد اجتاز هذا الهيكل الهجين اختبار التأثير الديناميكي.
توضح هذه الدراسة المفاهيمية بوضوح أن استخدام الليزر في لحام البلاستيك مباشرة بالمعدن هو الحل الأمثل لاستبدال الوسائل التقليدية مثل الربط اللاصق أو اللحام الميكانيكي أو الكسوة. وبناءً على هذه النتيجة، يمكن للمكونات الهجينة شبه المنظمة الآن استخدام تقنية اللحام بالليزر هذه بكفاءة.
ومع ذلك، لا يزال هناك طريق يجب قطعه قبل الإنتاج الضخم للمكونات الهيكلية الهجينة. ويتطلب ذلك تكرارًا آخر للتصميم على الأقل لتعظيم إمكانات عملية القوة الميكانيكية للمادتين والبنيتين، ولتقييم تأثير المتغيرات طويلة المدى مثل الرطوبة ودرجة الحرارة على الأداء. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا النظر في تقنيات بديلة أخرى للتدفئة بالتوصيل.