Soldadura de polímeros utilizados na indústria automóvel

Abstract

A indústria global enfrenta uma procura emergente de plásticos produzidos mais rapidamente, de forma mais limpa, em maiores quantidades e com maior qualidade. Uma vez que o público em geral está cada vez mais consciente do impacto do consumo de bens do dia-a-dia no ambiente, a indústria encontra-se gradualmente a transitar para processos de fabrico mais ecológicos. Esta questão é particularmente relevante na indústria automóvel, uma vez que os métodos atuais de ligação entre peças poliméricas são excessivamente poluentes e desnecessariamente morosos, uma vez que recorrem a colas/adesivos, e o processo de colagem é normalmente manual ou pouco automatizado. Por estas razões, a soldadura a laser tem sido cada vez mais utilizada como método de ligação na indústria automóvel. O principal desafio da soldadura de dois termoplásticos reside na junta, apresentando geralmente fraca resistência, em comparação com o material base. Este trabalho visa, portanto, determinar os efeitos de reforços e cargas minerais na qualidade das juntas de polipropileno, tipicamente utilizado na indústria automóvel para componentes interiores. Os reforços e cargas minerais utilizados são fibra de vidro e talco, respetivamente, e a influência da composição na resistência da junta é também estudada. Primeiro, é realizado um estudo paramétrico para encontrar os parâmetros ideais do processo e, em seguida, é também avaliado o impacto dos reforços e das cargas minerais nas suas respetivas concentrações. O presente estudo emprega o método de soldadura por transmissão laser e recorre a ensaios de tração para induzir corte na junta e avaliar a sua resistência. Além disso, outras técnicas como a espetrofotometria de infravermelho próximo e a microscopia eletrónica de varrimento foram utilizadas para determinar a refletância do componente transmissivo no comprimento de onda de 1064 nm, e para determinar os mecanismos de falha na junta e a influência dos reforços no comportamento mecânico da junta, respetivamente. Os resultados mostraram um efeito positivo associado a percentagens mais elevadas de fibra de vidro, em particular, houve uma melhoria na resistência de aproximadamente 7.5% para uma concentração de 40% e uma melhoria de 8.5% para uma concentração de 50%. Por outro lado, notou-se um resultado negativo para concentrações de talco mais elevadas. Os resultados sugerem que a soldadura por transmissão a laser tem grande potencial para substituir métodos de ligação comummente utilizados entre componentes termoplásticos, em várias indústrias, em particular na automóvel.

The global industry is currently facing an emerging demand for plastics produced faster, cleaner, in higher volumes, and with greater quality. Since the general public is ever so conscious of the impact of day-to-day goods’ consumption on the environment, the industry is gradually pivoting into more eco-friendly manufacturing processes. This question is particularly relevant in the automotive industry since the current methods for bonding two polymeric parts are excessively pollutive and unnecessarily cumbersome. As they resort to glues, and the bonding process is usually manual or poorly automated. For these reasons, laser welding has been increasingly used as a coupling method in the automotive industry. The main challenge of welding two thermoplastics lies in the usually poor joint compared to the base material. Therefore, this work aims to determine the effects of reinforcements and mineral fillers on the joint quality of polypropylene, typically used in the automotive industry for interior components. The reinforcement and mineral filler employed are glass fibre and talc, respectively, and the influence of composition on the joint strength is also studied. First, a parametric study is performed to find the optimal process parameters, and then, the impact of the reinforcements and mineral fillers and their weight percentages are also assessed. The present study employs the laser transmission welding (LTW) method and resorts to tensile tests to induce shear in the joint and assess its strength. Additionally, other techniques such as near-infrared (NIR) spectrophotometry and scanning electron microscopy (SEM) were employed to determine the reflectance of the transmissive component at the wavelength of 1064 nm and to determine the failure mechanisms in the joint and the influence of the reinforcements on the mechanical behaviour of the joint, respectively. The results showed a positive effect associated with higher percentages of glass fibre. Specifically, there was an improvement on the strength of approximately 7.5% with a 40% weight percentage and an improvement of 8.5% for a 50% weight percentage. On the other hand, a negative outcome was noticed with higher talc weight percentages. The results suggest that LTW is a potential replacement of the commonly used bonding methods between thermoplastic components, with great potential for application in several industries, such as the automotive one.