塑料和聚合物复合材料对于今天汽车的广泛安全性和性能零件至关重要。实际上，在2015年，在电动汽车中使用塑料和聚合物复合材料的使用从每辆车的小于20磅到334磅。
一种材料，如尼龙66与33%的玻璃纤维增强被用于无数的汽车组件，包括歧管，发动机罩，碳罐，发动机支架，变速杆和散热器。
不幸的是，填充材料增加了塑料部件的强度、刚度和耐热性，这让工程师在规划组装过程时需要考虑额外的事情。
塑料焊接
焊接塑料部件有很多技术：超声波，振动，旋转，热板，红外和激光。它们都可以加入用玻璃纤维，滑石，云母或其他填料加固的塑料。哪种使用方法取决于塑料;填料的类型和数量;零件的尺寸和形状;以及申请要求。
Dukane公司的全国销售和市场经理Jason Barton说，不管流程如何，填充材料通常都需要“更多的时间、更多的压力和更多的能量”，“半晶体材料往往需要更多的时间。”
在使用超声波或振动焊接时，这可能是一个问题。太多的幅度可以破裂或削弱部分的远端区域。
零件设计是另一个问题。当焊接含有填充物的塑料时，增加接头界面的材料量是个好主意。巴顿说:“通常，填充材料的焊接表面比原始材料的焊接表面要多。
每当尽可能的情况下，由于其速度和经济，工程师更愿意使用超声波焊接塑料部件。
“我们一直焊接填充塑料，”艾默生全球申请开发总监索菲·莫万德斯·超超声波。“事实上，10至20％的填充物实际上可以通过使材料更硬，这有助于将振动传递到焊接接头。柔软的材料，吸收振动越多。“
另一方面，过多的填料会对焊缝产生不利影响。Morneau解释说:“如果纤维太多，就无法在焊接界面上很好地混合塑料，因此实现密封可能是个问题。”“当填充物含量超过30%时，你可能会开始看到问题。”
另一个需要考虑的问题是，填料，尤其是玻璃纤维，可能具有研磨性。超声喇叭可能需要一层保护涂层来防止过早磨损。
当零件太大时，超声波焊接太复杂或太难，其他过程达到了前面。其中一个是振动焊接。事实上，有些证据表明，振动可能有助于在焊接界面处交织纤维，从而增加关节强度。
使用振动焊接加入填充材料时，焊接珠 - 在工艺期间熔化的部分面积 - 应该更宽，高于正常，凯文巴克利艾默生技术应用经理在布兰森超声波中的建议。“如果部分墙壁厚2毫米，则应使焊接珠2.5毫米，”他说。“如果它等于墙壁厚度，则可以预期90％的母体材料强度。”
振动焊接材料时，闪光灯充气至关重要。“通过振动焊接，从关节移位的材料具有很小的剩余热量，”巴克利说。“当您添加填充物时，闪光灯冷却速度更快。因此，您可能必须超大闪存陷阱区域的体积。“
有时，焊接工艺可以相互结合使用。例如，红外发射器可用于在振动焊接前预热填充材料。
“它比传统的振动焊接慢，但它比热板焊接快，”巴顿说。““它还减少了闪光和微粒生成，并造成更强大的联系。”
激光焊接是连接填充材料的另一种选择 - 只要激光器不必通过透射部件行进太远。“如果你用30％的玻璃焊接尼龙部分，那么激光将会反弹一些纤维，”巴克利说。“焊接时间将更长，并且您将不得不增加光强度。”
螺纹紧固件
如果必须拆卸塑料部件，工程师则没有任何选择，而是使用螺纹紧固件进行组装。幸运的是，许多螺丝专门用于紧固塑料，玻璃纤维或其他填料的存在并不大部分问题。
“紧固玻璃填充的热塑性塑料非常切碎，”紧固件制造商Semblex Corp.的Terry Tripp，战略客户经理和工程产品专家表示，“有一些例外，最佳选择含有玻璃，滑石或其他填料的塑料通常是螺纹形成螺钉。
“关键不在于材料是什么做成的，而在于它有多硬。刚度将给你一个指示，如何公差的材料将是螺纹成型。一旦弯曲模量超过140万至160万psi，就可以使用螺纹切割螺钉了。”
最常见的塑料螺纹成型螺钉之一是Delta PT，由德国紧固件制造商EJOT开发，并授权给一些北美生产商，包括Semblex。该螺杆用于各种汽车应用，包括填充和未填充塑料，包括头灯外壳，电机盖，进气歧管和节流阀。
Delta PT螺杆的侧面几何形状降低了凸台上的径向应力。侧翼从30度角开始，快速返回到20度角。这允许在安装过程中透明塑料流动。
“螺纹轻轻地将塑料移动到螺纹的根部，这使您可以获得大量的侧翼触点，”Tripp解释说。
该紧固件的多角度螺纹轮廓和芯槽最大限度地与塑料接触。平根的紧固件可能会导致材料堵塞，这可能会集中应力在塑料中，导致开裂。芯根消除了应力集中，提供了近100%的侧面啮合。
Delta PT的头部具有大的轴承表面，其在凸台的宽面积上分配压力。它还通过减少蠕变并增加断裂扭矩来增强关节稳定性。δPT的较小直径和大的横截面积增加扭转和拉伸强度，因此紧固件可用于热固性和玻璃填充的热塑性材料中。
无论它们用于塑料的哪种类型的紧固件如何，都建议工程师将制动器放在驾驶员速度上。
特里普警告说:“对于任何塑料紧固件，重要的是不要以太快的速度安装。”“你不希望产生热量，因为这会软化塑料，降低驱动与带材的比例。”
线程插入
螺纹镶件是另一种紧固热塑性复合材料的选择。有了插入件，部件可以使用螺栓安全可靠地固定，这意味着它们也可以很容易地反复拆卸。当用螺钉直接插入塑料时，每次零件重新连接时都有产生交叉或剥离螺纹的风险。
另一个好处是高承载能力。SPIROL国际公司市场开发经理Christie L. Jones说:“镶件的直径通常是螺丝直径的两倍，这将剪切表面增加了四倍。”
在热塑性复合材料中规定和安装螺纹镶件的考虑事项与均质热塑性塑料类似。
插入类型有很多。有些是在成型期间安装的。其他人被压入。将膨胀刀片压入塑料中并在安装配合螺钉时展开。自攻插入像螺丝的孔中。其他插入件安装有加热的工具或超声波工具。哪个选择取决于材料。
例如，根据塑料的延展性，自攻刀片有螺纹成型或螺纹切割版本。琼斯说，螺纹成型的版本最适合延展性塑料。它们的粗螺纹防止铰孔。线切割版本更适合脆性材料。
如果插入件将安装热量或超声波，则大考虑是塑料的热偏转温度。“你希望能够在没有加热塑料的情况下安装插入件，你最终用闪光喷出洞，”琼斯解释道。“另一方面，你不想加热塑料，这么少你最终冷压插入。目标是最大化刀具，凹槽和底切的位移塑料。
“插入件的尺寸和塑料达到软化温度的速度也会影响循环时间。”
孔的尺寸是另一个需要考虑的问题。如果塑料中含有玻璃或矿物填料，则可能需要增加推荐的孔尺寸。“我们的经验法则是，如果填充物的含量等于或大于15%，就把孔的尺寸增加0.003英寸。如果填料含量等于或大于35%，则应将孔的尺寸增加0.006英寸。”
可以影响螺纹插入件性能的其他一般考虑因素是孔（直率与锥形），壁厚和孔是否被模制或钻出的配置。
两全其美
由于其高强度和低重量，碳纤维增强塑料（CFRP）越来越多地用于航空航天，汽车和体育用品应用。
直到最近，工程师们还有三种选择，可以将螺纹紧固件与碳纤维复合材料结合使用。他们可能会在材料中嵌入螺栓或螺母;它们可以在固化后将螺柱或螺母粘在材料上;或者他们可以在材料上钻孔，并使用常规的螺母、螺栓、断杆铆钉或铆钉螺母。
现在，EJOT刚刚介绍了另一种选择：流量Delta PT螺钉。这款紧固件结合了两个EJOT经过验证的紧固件设计的属性，塑料组件的Delta Pt螺钉和用于金属板组件的FDS流钻螺杆。
FLOWpoint Delta PT是一种自穿孔自攻螺钉，可以在没有导孔的情况下穿透夹紧材料和配合材料。Delta PT螺钉的螺纹几何形状稍加修改，以在CFRP中形成一个坚固的内螺纹，允许拆卸和重新组装螺钉。同样地，FDS螺钉的尖端被改变，以允许更好地穿透CFRP。
“CFRP通常是薄材料。您没有大量的长椅，有许多线程参与的空间，“Semblex for Semblex FDS产品线经理Eric Breidenbaugh说，被许可的制作新紧固件。“流量ΔPT每英寸有更多的螺纹，当您处理薄材料时，可以更好地工作。”
该紧固件的设计是将CFRP连接到铝或钢。CFRP可以是顶部材料，也可以是底部材料。根据材料的不同，CFRP的厚度必须最小为2至4毫米。金属板厚度至少为1 ~ 2毫米。Breidenbaugh表示:“如果低于这一标准，你将无法获得良好的线程参与。
FLOWpoint Delta PT的安装方式类似于流钻螺杆，具有轴向压力和高转速的组合。紧固件穿透层，挤出一个短凸台，形成自己的螺纹，并施加夹紧力之间的片。安装过程有六个不同的步骤:加热，渗透，挤出成型，螺纹成型，螺丝驱动和拧紧。
初始驱动速度约为2,000转/分，相比之下，铝合金流钻螺杆的转速为5,000至8,000转/分。Breidenbaugh说:“你想要得到良好的成形，但你又不想烧毁塑料或撕裂材料。”
轴向压力也更低。flow-drilling screw的安装力为2,000牛顿，而FLOWpoint Delta PT screw的安装力为300到800牛顿。
“对CFRP有如此多的变化，需要测试每种应用程序，”Breidenbaugh的注意事项注意。“还没有标准指南。”
FLOWpoint Delta PT螺钉可以采用最常见的内部和外部驱动槽和头部几何形状。它有不锈钢，钢，铝。在CFRP中安装紧固件的一个挑战是电腐蚀，所以工程师应该仔细选择紧固件材料、镀层和涂层。
