Opracował: Marek Bernaciak
Konstrukcyjne klejenie termoplastów
Nowe kleje z grupy MA do łączenia tworzyw sztucznych i metali
Wstęp
Konstrukcyjne klejenie elementów w czasie montażu za pomocą klejów jest technologią rozwijającą się w przemyśle bardzo szybko. Ten artykuł przytacza przykłady zastosowania klejów w przemyśle samochodowym i stoczniowym, gdzie zostało ono wprowadzone przez wiodących producentów światowych. Określa się krytyczne kryteria projektowania i kontroli procesu montażu zapewniające sukces techniczny. Omówiono również rezultaty współczesnych zastosowań klejów.
Trend do konsolidacji części prowadzi do klejenia dużych elementów. O ile jednak upraszcza to procesy montażu, podnosi jednocześnie ryzyko w kategorii błędu. Bowiem niemal każda operacja klejenia konstrukcyjnego dotyczy części, które są duże, drogie i odpowiedzialne. Jeśli cokolwiek pójdzie źle, rezultat może być kosztowny lub niebezpieczny. Dlatego artykuł zawiera pewne rozważania, które zwykle są pomijane w innych przypadkach klejenia.
Z punktu widzenia producenta przemysłowego, wprowadzenie klejenia w lotnictwie i wszystkie łączenia konstrukcyjne spowodowały ogólne zainteresowanie prawdziwymi możliwościami klejów. W łączeniu konstrukcyjnym stosuje się taki klej, który przenosi pełne obciążenia konstrukcji. Bardzo często połączenia są poddane również ciężkim warunkom pracy. Kleje stosowane w takich przypadkach, bez względu na chemię muszą posiadać następujące właściwości:
- wytrzymałość w zakresie 10-35 MPa,
- bardzo dużą wytrzymałość na udary i na oddzieranie, oraz
- pracować w zakresie temperatur -50 do 170°C
Jeśli rozważamy powyższe warunki pracy, powinno się specjalnie rozważyć dobór odpowiedniego kleju i testy trwałości.
Dobór kleju: zadanie dla inżyniera – projektanta
Praca inżyniera polegająca na doborze kleju przypomina kłopotliwe rzucenie rękawicy, jaką jest zestaw produktów i technologii. Kiedy inżynierowie atakują swoją pierwszą operację klejenia, starają się zwykle zgromadzić tyle informacji, ile tylko jest dostępne, o każdym typie kleju i o każdej chemii. To jest zła droga i zły sposób podejścia. Często prowadzi on do opóźnionych rozruchów produkcji i problemów z kontrolą procesu.
Lepszym sposobem projektowania operacji montażu z klejeniem jest sprawdzenie oczekiwań w stosunku do gotowego, zmontowanego produktu i ograniczeń operacyjnych w otoczeniu fabryki. Ten sposób postępowania prowadzi do zdefiniowania oczekiwań w stosunku do trwałości połączenia i wymagań procesu produkcyjnego przed poddaniem substratu obróbce i doborem kleju. Zdefiniowanie tych parametrów zawczasu będzie jednoznacznie prowadziło do doboru kleju i ograniczy wybór do kilku jedynie rodzajów chemii (Rysunek 1).
Rozważania na temat trwałości połączenia
Najważniejszym zagadnieniem w konstrukcyjnym klejeniu jest trwałość klejonego elementu. Pojedyncza próbka nie da odpowiedzi na pytanie, czy klejona cześć wytrzyma 10 lub 20 lat w pracującym podzespole. Jest często prawdą, że kleje, które powodują uszkodzenie substratu w testach na rozciąganie przy ścinaniu lub oddzieraniu kompletnie przegrywają w przypadku cyklicznych testów zmęczeniowych. Doświadczenie pokazuje, że samo badanie próbek sklejonych na zakładkę jest bardzo słabym wskaźnikiem długookresowej trwałości. W krytycznych zastosowaniach lepszym rozwiązaniem jest zaangażować się w badania powtarzane pod oczekiwanymi obciążeniami, z możliwymi cyklami zmian termicznych. Taka metodologia jest daleko lepszym wskaźnikiem rzeczywistej trwałości połączeń klejonych, a poważny dostawca kleju chętnie będzie asystować w takich próbach.
Gdy dochodzi do klejenia konstrukcyjnego, krytycznym wymaganiem jest właściwe określenie wymagać dla gotowego złącza. Błąd polegający na braku pełnego zrozumienia warunków trwałości jest przyczyną numer jeden polowych uszkodzeń obserwowanych przez autora w praktyce. Oto jak należy rozważyć następujące czynniki i jak je odpowiednio zbadać:
- robocze obciążenia złącza,
- typ naprężeń, jakich należy oczekiwać tj.: ścinanie, udary, zginanie, etc.,
- zakres temperatur pracy,
- cykliczne obciążenia termiczne,
- odporność na udary i wstrząsy,
- odporność chemiczną i
- oczekiwany czas życia wyrobu.
Parametry technologiczne
Po zdefiniowaniu wymagać co do trwałości klejonego złącza, następnym krokiem jest określenie parametrów procesu technologicznego dla operacji klejenia. Kilka punktów, na które należy zwrócić uwagę to:
- Żądany czas zamocowania,
- potrzebny czas życia (montażu),
- pozycja klejenia np. pionowa, czy pozioma,
- pozycja i czas klamrowania,
- metodologia reakcji, tj. ciepło, utwardzanie w temperaturze pokojowej itp.,
- system rozpuszczalnikowy – wodny, aceton, 100% ciała stałego itp.,
- reologia kleju, tj. czy ma był bardziej płynny, czy raczej gęsty,
- montaż ręczny lub automatyczny,
- opakowania kleju – małe, czy podawanie z opakowań masowych (np. beczka)
- urządzenia dozujące, jedno, dwu, trzyskładnikowe,
- nieniszczące badanie jakości złącza i taktowania oraz
- transport części.
Dobór substratów
Ponieważ chemia powierzchni klejonych substratów może wpływać na własności utwardzania wielu klejów, najlepiej jest, by ostateczny dobór substratów zostawić na tą chwilę, gdy zdefiniowano już parametry trwałości złącza i technologii jego wykonania. To jest zgodne z filozofią myślenia kategoriami „projektowania dla produkcji”. Odpowiedzialny inżynier powinien uczynić dobór substratu i kleju wynikiem zdefiniowania wcześniejszych wymagań co do trwałości połączenia i możliwości jego wykonania. Ponieważ jednak takie rozumowanie jest sprzeczne ze „zdrowym” rozsądkiem preferowanym przez wielu inżynierów, zbyt często procedura polega na wybraniu substratów, a potem na budowie koncepcji procesu klejenia wokół nich.
Dobór kleju: rola producenta (dostawcy)
Kiedy już raz zostały określone wymagania trwałości, parametry procesu i dobór substratu, nadszedł czas, by do równania wprowadzić producenta kleju. Dział serwisu technicznego lub dobry dealer każdego prawie poważnego producenta kleju może zwykle zaoferować dużą pomoc na tym etapie. Może to prowadzić do określenia sposobu akceptowanego przez przemysł standardu przeprowadzenia prób. Można też wskazać pułapki w parametrach procesu technologicznego. Ponieważ konstrukcyjne klejenie zależy tak bardzo od kondycji substratu, dostawca kleju nie może zwykle nic pomóc (ale nie zawsze – MB) w kategoriach przygotowania powierzchni, jej wykończenia i usuwaniu zanieczyszczeń. Na końcu każda z poważnych firm może pomóc skleić i przetestować próbki by wykazać, czy sklejone złącze spełnia postawione mu wymagania.
Standard wykonania
Następnym krokiem przy wprowadzaniu klejenia jest opracowanie pisanej instrukcji, która jest „standardem produkcyjnym”, który wiąże razem parametry procesu, specyfikacje substratów i wymagania dla kleju. Ten krok jest często przeoczony, a stanowi klucz do stałej poprawy technologii. Maże problemy mogą być usuwane przez cofnięcie się do tego momentu, gdzie można dopasować lub zmienić niektóre parametry, a następnie wpisać je do uaktualnionego standardu produkcyjnego.
Doświadczenie pokazuje, że poważne problemy powstają wtedy, gdy nie ma żadnego standardu produkcyjnego dla procesu klejenia konstrukcyjnego.
Studium przypadku: zderzaki samochodowe Forda
W 1986 roku Ford wprowadził nowy model serii Taurus / Sable. Ta seria przeszła do historii jako najlepiej sprzedające się samochody. W projekcie zderzaka tego modelu zastosowano całkowicie nowe rozwiązanie. Cały zderzak został wykonany z fasady i belki wzmacniającej wykonanych z termoplastów, sklejonych wzmacnianym klejem metakrylowym (fot. 1 i rys. 2). Określenie wymagań trwałościowych i parametrów procesu uczyniło wiele dla zdefiniowania doboru substratów i kleju. Oczywiście, zderzak musiał spełniać wymogi odporności udarowej w niskich temperaturach porównywalne z jego metalowymi odpowiednikami. Dodatkowe wymagania stawiało wieloletnie doświadczenie Forda w określaniu wymogów trwalości zderzaków, swoje dodały też normy wyznaczane przez Federalne Standardy Bezpieczeństwa Pojazdów Motorowych (FMVSS) nr 215 dla zderzaków.
Wymagania trwałości
Bazując na tym doświadczeniu, Ford zdecydował, że konstrukcja wykonana z substratów złączonych klejem musi osiągnąć 80% kontrolnych wartości po następujących testach trwałości:
- 1000 godzin przy 88°C,
- 1000 godzin w 38°C / 100% wilgotności względnej
- 1000 godzin przy 54°C / zanurzenie w wodzie
- 240 cykli spryskiwania solą neutralną
- 80 cykli termicznych Forda
Nowy zderzak Forda został wykonany z nowego tworzywa Xenoy, produkowanego przez GE Plastic. To tworzywo zostało zaprojektowane jako odporne na uderzenia, znakomitą odporność na warunki atmosferyczne, łatwe malowanie i pełną zdolność do recyklingu. Spełniło wszystkie wymagania trwałości i zostało wybrane do tego zadania. Jedno krytyczne żądanie było oczywiste: zderzak musiał wytrzymać bez awarii zderzenie w -40°C przy 8 km/h. Było to ważne zarówno dla tworzywa jak i dla kleju, by utrzymać charakterystykę absorpcji energii w tej temperaturze bez pęknięcia. W rezultacie zderzaki z Xenoyu spisały się znakomicie, a nawet były mniej uszkodzone niż ich metalowe odpowiedniki. Do dziś ponad 4 miliony termoplastycznych zderzaków zostało sklejonych przez Forda za pomocą wzmocnionego kleju metakrylowego bez jednej nawet awarii w czasie ich użytkowania.
Naprawy polowe i recykling
Historia zderzaków Forda rzuciła światło na jeszcze dwa inne aspekty, które spowodowały zwiększone zainteresowanie i wzrost częstotliwości zastosowań klejenia konstrukcyjnego. Pierwszą jest żądanie od systemu klejenia by ułatwiał naprawy polowe. Ponieważ zastosowania klejenia konstrukcyjnego angażują części, które są generalnie bardzo duże i cenne, możliwość ich napraw w polu jest podstawowa.
Po drugie, coraz więcej i więcej producentów, zwłaszcza samochodowych wybiera systemy klejenia które można poddać recyklingowi. To dotyczy również większości klejów termoplastycznych i eliminuje większość klejów chemoutwardzalnych. Jeśli klej może być poddany recyklingowi oznacza to, że część sklejona może być w całości pocięta i poddana przeformowaniu bez konieczności kosztownego i czasochłonnego wycinania linii klejowej z elementu odzyskiwanego. Metakrylowe kleje wybrane dla Forda do klejenia ich termoplastów spełniają oba te wymagania.
Studium przypadku: Wyścigowe łodzie żaglowe Vanguarda
Firma Vanguard produkuje regatowe łodzie żaglowe wysokiej klasy wykonane z włókna szklanego, wykorzystywane w klubach i programach uniwersyteckich. Najpopularniejsza łódż w ofercie firmy, Club 420, została wprowadzona do produkcji ponad 20 lat temu. Od tego czasu sprzedano ponad 1800 tych łódek. Są używane przez wszystkie główne szkoły, uniwersytety i kluby jachtowe w Stanach. Łodzie te zostały zaprojektowane tak, by wytrzymały wszystkie trudne sytuacje powodowane przez niedoświadczonych żeglarzy, jak zderzenia z keją lub inną łodzią, strandowanie (wpłynięcie na brzeg – MB) oraz wywrotki i zatapianie.
Patrick Muglia, kierownik produkcji w Vanguard, stwierdza: „Sprzedajemy dla rynku instytucjonalnego, nasi klienci żądają trwałości, Niektóre z tych szkół, jak Coast Guard i szkoły morskie trzymają te łódki na wodzie przez siedem dni w tygodniu. Zderzają się one więc bez przerwy, także z bojami w czasie manewrów.”
Analiza spostrzeżeń klientów oraz napraw gwarancyjnych doprowadziła do wniosku, że nieproporcjonalny udział powoduje montaż za pomocą szpachlówek stosowanych do łączenia kadłuba z pokładem oraz innych elementów wykonanych z włókna szklanego. Po czasie szpachlówki te stawały się kruche i pękały, powodując przecieki i osłabienie konstrukcji łodzi.
Przed wyborem kleju mającego zastąpić szpachlówkę poliestrową, Vanguard zapytał nas o porównanie metakrylowych klejów do poliuretanów, stosowanych powszechnie w budowie jachtów, jak również o porównanie do powszechnie stosowanej metody, jaką jest łączenie za pomocą maty szklanej przesycanej żywicą poliestrową (Rysunek 4).
Rysunek 4 pokazuje porównanie cyklicznych testów zmęczeniowych porównujących zarówno stosowany w marynistyce klej / uszczelniacz poliuretanowy i znany klej metakrylowy. Testy zostały przeprowadzone w dwu różnych warunkach obciażeń. Widać jasno, że poliuretan nie jest odpowiedni do tego zadania. Sprawdza się lepiej jako uszczelniacz, niż jako klej konstrukcyjny.
Odwrotnie, klej metakrylowy daje wyniki przekraczające możliwości żywicy poliestrowej. Jak to możliwe? Lekko-elastyczny klej pozwala na niewielkie odkształcenia, inaczej niż sztywna żywica, a energia odkształcenia zamienia się w ciepło.
Po bliższym przyjrzeniu się, Vanguard znalazł też inne problemy związane z dotychczas stosowanymi technikami produkcji za pomocą szpachlówek. Przed zastosowaniem szpachlówki cała powierzchnia przeznaczona pod klejenie musiała być gruntownie przeszlifowana lub piaskowana, by polepszyć adhezję. Zadanie to jest czasochłonne, pracochłonne i na dodatek wprowadzało duży stopień rozrzutu, uważanego wręcz za normalną cechę technologii.
Szlifowanie powoduje powstawanie pyłu włókna szklanego, szkodliwego dla zdrowia i powodującego choroby przez wdychanie. W konsekwencji pracownicy muszą nosić gogle, maski pyłoochłonne, odpowiednie ubrania ochronne i rękawice w czasie wykonywania tej operacji. Uwaga pana Muglia: „Ludzie serdecznie nienawidzą tej czynności. Muszą się przebrać, pocą się w tym ubraniu, gogle zaparowują… prawdę mówiąc, nikt nie chce wykonywać tej roboty.”
Pierwsze porównanie w Vanguard przyniosło wynik finansowy, który mówią, że koszty wytwarzania łodzi Club 420 podniosą się o 60$. Pan Chip Johns, prezes Vanguarda: „Na początku porównaliśmy jedynie koszty materiałów. Ale naprawdę to nie dało całkowitego obrazu sytuacji. Uzyskaliśmy oszczędności robocizny, wyeliminowaliśmy proces szlifowania, materiały, jak papier ścierny i znacznie zmniejszyliśmy koszty reklamacji.”
Kiedy skończono porównanie kosztów, wydajności produkcji i napraw gwarancyjnych, Vanguard był naprawdę zdumiony. Pomimo faktu, że kleje metakrylowe są znacznie droższe niż szpachlówki poliestrowe, ogólne koszty produkcji zdecydowanie spadły.
Pat Muglia podsumował tak to swoje doświadczenie z klejami: „Od kiedy zastosowaliśmy kleje konstrukcyjne do produkcji, produkujemy łodzie lepszej jakości, obniżyliśmy koszty, ludzie są szczęliwsi, a ja na dodatek nie muszę się martwić o naprawy gwarancyjne”.
Chip John: „Nasze łodzie miały jeden zdecydowanie słaby punkt – było nim łączenie pokładu z kadłubem. Szpachlówka była słabym ogniwem całego systemu. Teraz, ten sam węzeł jest najsilniejszym miejscem naszej konstrukcji. Łódź jest jakby zrobiona w jednym kawałku, to przenosi nasz produkt na wyższy poziom jakości.”
ISO 9000 i sprzęt dozujący do klejów
Filozofia systemu ISO 9000 polega na ciągłej budowie i ulepszaniu pisanego standardu określającego cały proces klejenia strukturalnego. Opisywanie każdego kroku w procesie właściwego montażu, a także określenie przerw w pracy na utrzymanie urządzeń pomaga upewnić się, że robota została wykonana prawidłowo. Wiele operacji klejenia obejmuje kompleksowo również system dozowania i nakładania kleju. Nieodpowiednie utrzymywanie sprzętu może powodować brak powtarzalności łączenia. Jeden ze znaczących producentów łodzi wziął sobie do serca filozofię ISO 9000. Każda maszyna podająca klej ma tu plan działań serwisowych i kartę pracy na stałe zamocowaną do maszyny. Korzyści wynikające z systemu ISO 9000 są ogromne, gdy są w pełni wprowadzone w fabryce stosującej klejenie.
Kleje redukują emisję substancji lotnych
Innym przymusem, z którym muszą się borykać producenci, jest prawo na poziomie federalnym, stanowym i lokalnym dotyczące poziomu emisji substancji lotnych. Jest to bardzo częstym przypadkiem, że nowa technologia klejenia może zastąpić dotychczasowe metody i zredukować emisję. W innym studium przypadku, producent łodzi uzyskał obniżenie emisji ciał lotnych o około 60%, wprowadzając klejenie kompozytowych wzdłużników w montażu liniowców. W tym przypadku oznaczało to spadek emisji o około dwa tysiące kilogramów rocznie.
Podsumowanie
Przykład zderzaków Forda pokazuje korzyści odpowiedniego zdefiniowania wymagać trwałości montażu opartego na klejeniu konstrukcyjnym na początku budowania procesu technologicznego. Ponad cztery miliony zderzaków zostały sklejone bez jednej reklamacji ani błędu. Przykład Vanguarda pokazuje, jak wymagania trwałościowe ciągle ewoluują w czasie. Używanie szpachlówek poliestrowych w łączeniu kadłuba łodzi z pokładem było odpowiednie dla stanu wiedzy 10 lat temu. Jednak to, co było akceptowalne w poprzedniej dekadzie, dziś jest jedynie niższym standardem. Dlatego Vanguard zweryfikował swoje wymagania co do trwałości swoich łodzi i odkrył, że wzmocnione kleje konstrukcyjne znacznie poprawiły ten parametr. Jak zauważył Chip Jones, projekt odniósł sukces, ponieważ skoncentrowano się na oczekiwaniach co do trwałości końcowego produktu, a nie jedynie na kosztach materiałowych.
Opracował na podstawie referatu z konferencji „Adhesives ’97” w Rosemont mgr inż. Marek Bernaciak – Konsultant techniczny
