Hersteller sind stets bestrebt, Produkte herzustellen, die robuster, langlebiger und zuverlässiger sind, insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Daher werden Materialsysteme häufig durch Metalllegierungen mit geringerer Dichte, höherer Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit ersetzt. Dies verschafft den Herstellern eine bessere Marktposition.
Eigentlich ist das nur die halbe Geschichte.
Ein noch größerer strategischer Vorteil ist die quantifizierbare Gewissheit über die Stärke, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit eines Produkts.
Der Austausch älterer Materialien gegen stärkere kann ein guter Anfang sein, erfordert aber auch fortschrittlichere Fertigungsverfahren, die auf einer saubereren und effizienteren Oberflächenreinigung basieren, um stabile Strukturen zu schaffen. Metalle wie Aluminiumlegierungen und moderne Werkstoffe wie Kohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffe, die häufig im Automobil- und Flugzeugbau verwendet werden, erfordern Verklebungen, um Gewicht zu sparen – der Einsatz von Befestigungselementen erhöht das Gewicht der Struktur – und um zuverlässigere Verbindungen zu schaffen.
Zu den traditionellen Aluminiumveredelungstechniken gehören Sandstrahlen, Abwischen mit Lösungsmitteln, anschließendes Schleifen (mit einem Scheuerschwamm) oder Eloxieren. Das Kleben ermöglicht automatisierte Prozesse, für die herkömmliche Oberflächen nicht geeignet sind.
Eloxieren wird häufiger in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo dieses teurere und anspruchsvollere Verfahren zur Einhaltung strengerer Spezifikationen eingesetzt wird. Die inhärente Variabilität von Sandstrahl- und manuellen Schleifverfahren zeigt deutlich, dass ein kontrollierterer Prozess erforderlich ist.
Die Laserreinigung bzw. Laserablation schließt diese Prozesslücke als präzisere, umweltfreundlichere, automatisierbare und effizientere Methode zur Reinigung von Metall- und Verbundoberflächen. Die auf der Oberfläche dieser Materialien vorhandenen Verunreinigungen lassen sich durch die Laserbearbeitung problemlos entfernen.
Da die Laserreinigung so leistungsstark ist, ist es wichtig, genau zu wissen, wie sie sich auf Ihre Oberfläche auswirkt. Der Unterschied zwischen einer ordnungsgemäß behandelten und einer unter- oder überbehandelten Oberfläche kann äußerst schwierig zu beurteilen sein. Mit einer quantitativen Prozessverifizierungstechnologie, die so empfindlich und präzise ist wie der Laserprozess selbst, können Hersteller sicher sein, dass ihre Metall- und Verbundoberflächen vollständig für die Verklebung bereit sind.
Der folgende Fortune-Laser gibt Ihnen eine detaillierte Einführung in die Gründe, sich für die Laserreinigung zu entscheiden.
1 –Was ist Laserreinigung?
Die Laserbehandlung ist eine hochpräzise thermische Reinigungstechnik, bei der winzige Partikel einer Materialoberfläche durch einen fokussierten, oft gepulsten Laserstrahl abgetragen werden. Der Laser bestrahlt die Oberfläche, um Atome zu entfernen. Mit diesem Verfahren lassen sich extrem kleine, tiefe Löcher in sehr harte Materialien bohren, um dünne Schichten oder Nanopartikel auf einer Oberfläche zu erzeugen.
Dieses Oberflächenreinigungsverfahren ist so effektiv, weil es selbst kleinste Schmutz- und Rückstandsschichten gezielt entfernt. Aluminiumoberflächen enthalten Oxide und Schmieröle, die die Klebeverbindung beeinträchtigen. Verbundwerkstoffe enthalten häufig Rückstände von Formtrennmitteln und anderen Silikonverunreinigungen, die keine festen chemischen Bindungen mit Klebstoffen eingehen können.
Wird ein Klebstoff auf eine Oberfläche mit einem dieser Rückstände aufgetragen, versucht er, sich chemisch an die Öle und Silikone in den oberen Molekülschichten des Materials zu binden. Diese Bindungen sind extrem schwach und versagen zwangsläufig entweder bei Leistungstests oder im Gebrauch des Produkts. Brechen Verbindungen an der Stelle, an der Oberfläche und Klebstoff bzw. Beschichtung aufeinandertreffen, spricht man von einem Grenzflächenversagen. Kohäsionsversagen bei Zugscherprüfungen liegt vor, wenn der Bruch im Klebstoff selbst erfolgt. Dies deutet auf eine sehr starke Bindung und eine robuste und langlebige Verbundstruktur hin.
Das Kohäsionsversagen dieser laserbehandelten Verbundproben zeigt den Klebstoff auf beiden Seiten der zu verbindenden Materialien.
Das Grenzflächenversagen dieser nicht behandelten Verbundproben zeigt, dass der Klebstoff nur auf einer Seite haftete und sich auf der anderen Seite vollständig löste.
Bei einem Kohäsionsbruch liegt eine Grenzflächenbindung vor, die sich nicht einfach so lösen lässt. Oberflächenbehandlungen zielen darauf ab, die Oberfläche zu verändern, um Verunreinigungen zu entfernen und eine Oberfläche zu schaffen oder freizulegen, die chemisch mit dem Klebstoff verschmelzen kann und so dauerhafte und zuverlässige Verbindungen schafft.
2- So erkennen Sie, ob Ihre laserbehandelte Oberfläche zum Kleben bereit ist
Kontaktwinkelmessungen, wie sie im IJAA-Artikel erwähnt werden und die zum Verständnis der Verschlechterung von Behandlungen im Laufe der Zeit verwendet werden, sind eine außergewöhnlich gute Möglichkeit zur Überwachung und Überprüfung von Laserreinigungsprozessen.
Eine Kontaktwinkelmessung reagiert empfindlich auf die molekularen Veränderungen auf einer laserbehandelten Oberfläche. Der auf die Oberfläche aufgebrachte Flüssigkeitstropfen steigt oder fällt in genau dem Verhältnis zur Menge der mikroskopischen Verunreinigung auf der Oberfläche. Kontaktwinkelmessungen sind ein zuverlässiger Indikator für die Haftung und bieten Klarheit und Transparenz darüber, wie gut die Behandlungsintensität mit den Reinigungsanforderungen der Materialien übereinstimmt.
Kontaktwinkelmessungen korrelieren hervorragend mit den Veränderungen der Schadstoffkonzentrationen, die durch spektroskopische Methoden erfasst werden. Die meisten Präzisionsmessungen von Verunreinigungen auf Oberflächen werden mit Geräten durchgeführt, die für Hersteller unerschwinglich sind und ohnehin nicht an realen, tatsächlich hergestellten Teilen eingesetzt werden könnten.
Kontaktwinkelmessungen können unmittelbar vor und nach der Behandlung in der Produktionslinie durchgeführt werden mitHandbuchoderautomatisierte Messwerkzeuge. So wie die Laserreinigung aufgrund der Automatisierungsanforderungen der hochpräzisen Massenfertigung veraltete Methoden der Oberflächenvorbereitung ersetzt, machen Kontaktwinkelmessungen auch subjektive und ungenaue Oberflächenqualitätstests wie Dyn-Tinten und Wasserbruchtests überflüssig.
Festigkeitsprüfungen untersuchen lediglich eine Stichprobe der verarbeiteten Materialien. Dies erhöht die Ausschussrate und gibt keinen Aufschluss darüber, wie eine stärkere Verbindung hergestellt werden kann. Kontaktwinkelmessungen können, wenn sie in einer Produktionslinie eingesetzt werden, genau aufzeigen, wo der Prozess optimiert werden muss, und Aufschluss darüber geben, was und in welchem Umfang optimiert werden muss.
3- Warum Laserreinigung verwenden?
Es gibt viele gute Studien darüber, wie die Laser-Oberflächenbehandlung die Haftung verbessert. Zum Beispiel:ein im Journal of Adhesion veröffentlichter Artikeluntersucht, um wie viel die Festigkeit der Verbindung durch die Laserreinigung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden verbessert wird.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Laser-Oberflächenbehandlung vor der Adhäsion die Scherfestigkeit von mit modifiziertem Epoxidharz verklebten Aluminiumproben im Vergleich zu unbehandelten und eloxierten Substraten deutlich verbessert. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Laserenergie von etwa 0,2 J/Puls/cm² erzielt, wobei die Scherfestigkeit einzelner Überlappungen im Vergleich zu unbehandelter Aluminiumlegierung um 600–700 % und im Vergleich zur Vorbehandlung mit Chromsäureanodisierung um 40 % verbessert wurde.
Die Art des Versagens änderte sich von adhäsiv zu kohäsiv, als die Anzahl der Laserpulse während der Behandlung zunahm. Letzteres Phänomen wurde mit morphologischen Veränderungen, wie sie durch Elektronenmikroskopie festgestellt wurden, und chemischen Veränderungen, wie sie durch Auger- und Infrarotspektroskopie nachgewiesen wurden, in Zusammenhang gebracht.“
Ein weiterer interessanter Effekt der Laserablation ist die Leistung, mit der sie eine Oberfläche erzeugt, die sich im Laufe der Zeit nicht verschlechtert.
Glückslaserhat großartige Arbeit geleistet und die Wechselwirkung der Laserreinigung mit Oberflächen auf überraschende Weise untersucht. Die Laserbehandlung von Aluminium erzeugt winzige Krater in der Oberfläche, die schmelzen und fast gleichzeitig zu einer mikrokristallinen Schicht auf der Oberfläche erstarren, die noch korrosionsbeständiger ist als das Aluminium selbst.
Die folgende Grafik zeigt den Unterschied zwischen der Scherfestigkeit einer Verbindung aus laserbehandeltem und chemisch behandeltem Aluminium. Mit der Zeit, wenn die Oberflächen einer feuchten Umgebung ausgesetzt sind, nimmt die Haftungsfähigkeit der chemisch behandelten Oberfläche deutlich ab, da die Feuchtigkeit die Oberfläche angreift. Die laserbehandelte Oberfläche hingegen behält auch nach wochenlanger Einwirkung ihre Korrosionsbeständigkeit.
Veröffentlichungszeit: 12. August 2022
