THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ULTRA HIGH-STRENGTH JOINING IN STEEL-SHORT FIBER REINFORCED COMPOSITES = 레이저 사출성형 기반 강철-복합재 고강도 접합 공정의 이론적, 실험적 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing demand for lightweight, high-performance, and fuel-efficient structures in industries such as automotive and aerospace has driven significant research into hybrid metal-composite materials. However, effectively joining these dissimilar materials remains a primary obstacle. Traditional methods like adhesive bonding and mechanical fastening suffer from limitations in environmental durability, process efficiency, and strength. While modern laser-textured joining has shown promise, it is critically deficient in two key areas: weak joint strength under cross-tension loading. Furthermore, existing multi-step joining processes are often complex and ill-suited for high-volume industrial production.
This work presents a theoretical and experimental investigation into a novel laser textured injection molded Joining (LIJ), which overcomes these fundamental limitations. The LIJ method integrates advanced laser texturing; employing a custom angular and wobble-beam system to machine deep, undercut grooves; with a single-step in-situ injection molding process. A fiber-reinforced thermoplastic is molded directly onto a textured steel substrate, establishing a robust and fastener-free mechanical interlock. A comprehensive experimental optimization demonstrated the process's efficacy, achieving a maximum cross-tension strength of 13.8 MPa, which significantly exceeds previously reported values. The process also yielded an exceptional lap-shear strength of 41.7 MPa. Failure analysis and durability testing are performed to analyze the behavior of the joint in both manufacturing and service environments.
To predict and understand the joint's performance, a multi-faceted modeling approach is employed. A computationally efficient reduced-order thermo-phase field model is developed to simulate the formation of line-scan grooves, capturing the complex recast and narrowing phenomena. For the more complex "wobble" geometry, a hybrid data-driven model was built, which accurately predicts the groove morphology from laser inputs. Finally, a simulation study with finite element analysis and a novel chemical polishing experimental study reveal that the fundamental source of the joint's high strength is the existence of a multi-scale interlocking mechanism, wherein the joint's integrity is a synergistic effect of mesoscale interlocking (overall groove architecture) and microscale interlocking (surface roughness).

국문 초록 (Abstract)

자동차 및 항공우주 산업에서 경량화, 고성능 및 연비 효율이 높은 구조물에 대한 수요가 급증함에 따라, 금속-복합재 하이브리드 소재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 성질이 서로 다른 이종 소재를 효과적으로 접합하는 것은 여전히 주요한 기술적 난제로 남아 있다. 접착제 접합이나 기계적 체결과 같은 전통적인 방식은 환경적 내구성, 공정 효율성 및 접합 강도 측면에서 한계를 보인다. 최신 기술인 레이저 표면 처리를 이용한 접합 방식이 가능성을 보여주었으나, 십자 인장(Cross-tension) 하중 조건에서 접합 강도가 현저히 낮다는 치명적인 단점이 존재한다. 또한, 기존의 다단계 접합 공정은 복잡하여 대량 생산이 요구되는 산업 현장에 적용하기에는 부적합한 경우가 많다.
본 연구는 이러한 근본적인 한계를 극복하기 위해 고안된 새로운 레이저 패턴 사출 접합(Laser textured Injection molded Joining, LIJ) 공정에 대한 이론적 및 실험적 고찰을 제시한다. LIJ 공정은 각도 가공 및 워블 빔(Wobble-beam) 광학계를 이용하여 깊은 언더컷(Undercut) 그루브를 가공하는 레이저 표면 처리 기술과 사출 성형을 통합한 방식이다. 이를 통해 패턴이 형성된 강판 위에 섬유 강화 열가소성 수지 또는 복합재를 직접 사출함으로써, 별도의 체결 부품 없이도 견고한 기계적 인터락(Mechanical interlock)을 형성한다. 포괄적인 실험적 최적화를 수행하여 공정의 유효성을 검증하였으며, 그 결과 기존 연구 사례를 획기적으로 상회하는 최대 13.8 MPa의 Cross-tension인장 강도를 달성하였다. 또한, 41.7 MPa의 우수한 전단 인장(Lap-shear) 강도를 확보하였다. 아울러 파단 분석 및 내구성 평가를 수행하여 제조 공정 및 실제 사용 환경과 유사한 조건에서의 접합부 거동을 분석하였다.
접합부의 성능을 예측하고 규명하기 위해 다각적인 모델링 접근법이 적용되었다. Reduced-order Thermo-Phase Field 모델을 개발하여 라인 스캔 그루브의 형성을 모델링하였으며, 이를 통해 복잡한 리캐스트(Recast) 및 그루브 협소화 현상을 성공적으로 구현하였다. 보다 복잡한 형상인 '워블' 그루브에 대해서는 하이브리드 데이터 기반 머신러닝 모델을 구축하여, 레이저 입력 변수에 따른 그루브 형상을 정확하게 예측하였다.
마지막으로, 유한요소해석(FEA)과 새로운 화학적 연마 검증 실험을 결합하여 접합부 고강도의 근본적인 원인을 규명하였다. 해당 모델은 접합부의 구조적 무결성이 메조 스케일(Mesoscale)의 인터락(전체적인 그루브 구조)과 마이크로 스케일(Microscale)의 인터락(표면 거칠기)이 결합된 시너지 효과에서 기인함을 밝혀내며, 멀티 스케일 인터락 메커니즘의 존재를 정량적으로 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• LIST OF TABLES vi
• LIST OF FIGURES vii
• CHAPTER 1. Introduction 1
• CHAPTER 2. Background 8
• 2.1 Methods to join metal and composite 8
• 2.1.1 Traditional joining methods 8
• 2.1.2 Modern joining methods 9
• 2.1.3 Microscale laser texturing-based joining 11
• CHAPTER 3. Laser textured Injection molded Joining process (LIJ) 16
• 3.1 Process overview 16
• 3.2 Laser texturing system 18
• 3.2.1 Materials and laser texturing method 18
• 3.2.2 Angular and variable beam laser texturing system 19
• 3.3 Injection molding 27
• 3.4 Hot press joining process 32
• 3.5 Cross-tension testing 34
• CHAPTER 4. Performance evaluation and experimental analysis 36
• 4.1 Injection molding optimization 36
• 4.2 Laser machining parameters 39
• 4.2.1 Laser scanning speed and power 39
• 4.2.2 Laser hatch distance and repetition 42
• 4.2.3 Repetition 43
• 4.2.4 Hatch distance 44
• 4.3 Laser machining with variable beam width and angle 46
• 4.3.1 Design of experiments 46
• 4.3.2 DOE results 48
• 4.4 Groove geometry analysis 54
• 4.5 Failure analysis (SEM-EDS) 62
• 4.6 Joining with different materials 68
• 4.6.1 Change of composite material (High density polyethylene) 68
• 4.6.2 Change of metal material 73
• 4.7 Lap shear loading 76
• 4.7.1 Experimental condition 76
• 4.7.2 Laser machining condition 77
• 4.7.3 High power laser source 81
• 4.8 Industrial applicability 87
• 4.8.1 Heat Affected Zone 88
• 4.8.2 Hygrothermal test 94
• 4.8.3 Thermal shock test 100
• 4.9 Application to 3D object 104
• 4.9.1 Geometry 105
• 4.9.2 Laser machining 105
• 4.9.3 Additively manufactured injection mold 107
• 4.9.4 Compression testing of joint 110
• 4.9.5 Cylindrical part joining results 111
• CHAPTER 5. Process modeling using phase-field and data-driven methods 115
• 5.1 Introduction 115
• 5.2 Thermo-phase field model 119
• 5.2.1 Heat equation 120
• 5.2.2 Phase field equation 122
• 5.2.3 Implementation 124
• 5.2.4 Thermo-phase model results 127
• 5.2.5 Sensitivity analysis 129
• 5.3 Wobble geometry prediction using data-driven methods 138
• 5.3.1 Cross-sectional morphology of wobble operation and parameterization 139
• 5.3.2 Data-driven regression models 145
• 5.3.3 Implementation 148
• 5.3.4 Performance evaluation of each model 149
• 5.3.5 The Hybrid Ensemble Model 154
• 5.3.6 Reconstruction 155
• CHAPTER 6. Joint interlocking analysis 160
• 6.1 Introduction 160
• 6.2 Contact modeling 161
• 6.2.1 Processing experimental data 161
• 6.2.2 Sampling method 164
• 6.2.3 FEM modeling 167
• 6.3 Results FEA simulation 170
• 6.3.1 Stress-Strain 170
• 6.3.2 Fractured surface 172
• 6.3.3 Number of sampling points and roughness 174
• 6.4 Micro, Mesoscale interlocking 177
• 6.4.1 Conceptualization 177
• 6.4.2 Quantification of microscale interlocking 180
• 6.4.3 Experimental validation (Polishing) 183
• CHAPTER 7. Conclusion 191
• 7.1 Summary of dissertation 191
• 7.2 Limitations and future work 195
• 7.3 Contributions 197
• 7.4 Significance and broader impact of research 200