Hacia una ingeniería ligera de composites de fibra eficiente con láser y plasma

Hoy ya es posible, en un abrir y cerrar de ojos, realizar una unión entre una muestra termoplástica y un componente metálico, cerámico o polímero. La aplicación de sistemas multicapa reactivos permite alcanzar estas velocidades increíbles. Las láminas, con un tamaño comprendido entre 20 y 100 µm, se colocan entre las piezas que se desea unir. Gracias a una activación local mediante chispa eléctrica o pulso láser, las capas del sistema multicapa reactivo (RMS) reaccionan químicamente entre sí. Esta reacción libera una cantidad de energía bien definida que funde la zona de unión del componente termoplástico. Se aplica una presión de unión controlada y se obtiene una unión reproducible.

Para obtener una buena adherencia de los termoplásticos es necesario realizar un tratamiento previo optimizado de las superficies. Para ello, el IWS dispone de un equipo de científicos con amplia experiencia en tecnología de composites de fibra y uniones adhesivas. Además de una limpieza minuciosa y la activación química mediante un tratamiento con plasma, el proceso de estructuración macroscópica produce efectos muy positivos que aumentan la resistencia de la unión. Los científicos del IWS utilizan el láser, como una herramienta flexible que sustituye a procedimientos mecánicos o de química húmeda complejos.

Los modernos láseres de alto rendimiento pueden estructurar las superficies de los componentes de forma rápida y flexible. Para alcanzar velocidades de procesamiento de varios centímetros por segundo, se guía un haz láser brillante de emisión en continuo empleando una óptica de escaneado. Esta óptica dirige la energía sobre la superficie mediante una serie de espejos capaces de moverse rápidamente, con velocidades de eliminación de material de hasta 10 metros por segundo. Dependiendo del número de ciclos, esta tecnología permite la generación de macroestructuras o incluso cortes completos mediante láser. Los prometedores resultados de corte se presentan en nuestro stand.

En general, las fuentes de plasma comerciales para el pretratamiento de superficies de polímeros y metales sólo son capaces de procesar espesores de unos pocos centímetros. La irresistible tendencia a la producción en masa plantea requisitos más exigentes a los tratamientos superficiales y las tecnologías de unión de alta productividad. Para dar respuesta a esta demanda, los científicos de la unidad Chemical Surface and Reaction Technology del IWS han desarrollado una fuente de plasma de gran superficie. Mediante esta fuente, es posible realizar un tratamiento previo de grandes superficies; por ejemplo, estructuras de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) con un ancho hasta 35 centímetros, a razón de 50 metros por minuto.

Fuente de plasma Large, ancho: 150 mm, plasma: Ar-N₂. Foto: Fraunhofer IWS Dresden.