20 listopada 2017


Słowo „kompozyty” wydaje się mieć dla tego artykułu zbyt szerokie znaczenie. Jest bowiem uniwersalnym określeniem na materiały składające się z więcej niż jednego składnika (faz), które posiadają różne właściwości. A właściwości kompozytów – jak wiadomo – nigdy nie są sumą czy średnią właściwości jego składników.

Marek Bernaciak

Przyjmijmy teraz, że będziemy omawiali klejenie kompozytów opartych głównie na włóknach szklanych, węglowych lub aramidowych przesyconych żywicami poliestrowymi, epoksydowymi lub innymi podobnymi. Kompozyty takie są obecne wokół nas w wielu miejscach, których czasem nawet sobie nie uświadamiamy. Począwszy od nadwozi i kabin samochodów osobowych, autobusów, ciężarówek i naczep z nadwoziami termoizolacyjnymi (chłodni), śmigieł elektrowni wiatrowych, łodzi wyścigowych, elementów architektonicznych i setek innych podzespołów oraz urządzeń. Kompozyty to inaczej chemoutwardzalne tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami.
Z klejeniem kompozytów wiąże się pewna anegdota, niestety prawdziwa:
Na jednych z targów w Poznaniu, około 15 lat temu, producent nadwozi izotermicznych wystawił klejoną izotermę, zbudowaną między innymi pod namową moich kolegów z firmy, w której wtedy pracowałem. Właściciel – dumny jak paw ze swojej (słusznej) innowacyjności – powiesił na ciężarówce kartkę z napisem: „Pierwsze w Polsce nadwozie wykonane całkowicie metodą klejenia”. Po dwóch godzinach kartka została zdjęta, gdyż każdy z potencjalnych klientów pytał się zdenerwowanym głosem: „Ale normalne, nitowane nadwozia jeszcze można u was dostać? Bo my się boimy klejonego...”

klejenie_kompozytow1

Dlaczego klejenie kompozytów?
Kompozyty mają wiele zalet, których nie będę szczegółowo omawiał. Jest wśród nich znakomity stosunek sztywności do masy, wytrzymałość mechaniczna, niski ciężar, możliwości formowania itd.
Jeśli chodzi o ich łączenie, napotykamy na pewne utrudnienia. Jest wśród nich obniżona odporność na obciążenia miejscowe. A takie są powodowane przez łączniki mechaniczne. Nawet blachy trudno znoszą np. nitowanie, gdy są narażone na skupione obciążenia od łączników. Kompozyty są w tym obszarze narażone na wyrwania, pęknięcia i najważniejsze dwa niepożądane czynniki:

  • Trudność w wykorzystaniu potencjału estetycznego tkwiącego w wykończonych powierzchniach o złożonych kształtach. Ważna jest też aerodynamika i hydrodynamika kształtów, które łatwiej jest wykonać metodą kształtowania elementów kompozytowych i ich klejeniem niż innymi metodami.
  • Utrata sztywności elementów oraz potencjału tkwiącego w definiowaniu kształtu elementów kompozytowych.

Innymi słowy – chodzi o estetykę i sztywność konstrukcji. Estetyka to marketing, możliwość zwiększenia sprzedaży. A sztywność to niska masa konstrukcji, czyli niskie koszty materiałowe. Dwa cele wymarzona przez każdego menedżera. Klejenie umożliwia realizację tych dwóch celów jednocześnie. W tym przypadku nie widać zwykłej sprzeczności interesów pomiędzy menedżerami a inżynierami.

Rodzaje złącz
Kompozyty są łączone w kilku podstawowych konfiguracjach:

  • Łączenie kompozytów ze sobą – chodzi zwykle o spajanie elementów, które są ukształtowane tak, by dopiero po złączeniu ich powstała konstrukcja spełniająca ostateczne założenia estetyczne i wytrzymałościowe. Często elementy przed sklejeniem są niezwykle wiotkie, trzeba je kleić w specjalnych formach, by utrzymać kształt i wymiary.
  • Łączenie kompozytów z konstrukcją nośną, wykonaną najczęściej z profilów stalowych lub aluminiowych – elementy kompozytowe są wtedy najczęściej powłokami ozdobnymi, obudową raczej niż częścią nośną konstrukcji.
  • Przyklejanie elementów wykończeniowych - mamy tu do czynienia zarówno z wklejaniem okien, wzierników, ościeżnic, jak i tabliczek,
  • Montaż uchwytów i elementów mocujących – przyklejanie usztywnień, śrub ze specjalnym, dużym łbem, zawiasów, haków, zawieszek, zamków, służących do wzmacniania i usztywniania wiotkich konstrukcji, jak pokrywy, powłoki drzwi, klap bagażowych w autobusach, oraz do ich mocowania do konstrukcji nośnej lub z innymi podzespołami.


klej_1

Z technologicznego punktu widzenia klejenie kompozytów ma istotne słabości, których nie wolno ukrywać. Nie jest to zresztą potrzebne gdyż każdy, kto spróbuje choćby raz skleić coś przemysłowo, napotka na te utrudnienia:

  • Klejenie to dodatkowy materiał, zwykle droższy niż materiały rodzime, zwłaszcza jeśli porównać z ceną za kilogram konstrukcji.
  • Klejenie to dodatkowa operacja, której należy poświęcić czas technologiczny.
  • Trzeba przygotować osobne elementy ustalające i stabilizujące położenie klejonych elementów po złączeniu, albo zastosować dodatkowo automaty składające je w określonym położeniu.
  • Sklejone elementy należy przetrzymać w ustaleniu przez określony czas, aż złącze nadawać się będzie do przenoszenia na dalsze stanowiska. Czas ten wymaga pewnego pola odkładczego, a więc zarezerwowaniu czasu, miejsca i kapitału, zarówno na produkcję w toku, jak i na wykonanie odpowiedniej liczby uchwytów, nieraz bardzo specjalistycznych, form lub wózków.
  • Niektóre kleje wymagają specjalnego przygotowania powierzchni, usuwania warstwy separatorów, odtłuszczania oraz nanoszenia podkładów. Stanowi to dodatkowy koszt materiałowy oraz dodatkową operację technologiczną.
  • Różnica współczynników rozszerzalności cieplnej – jest to zagadnienie, które należy wziąć pod rozwagę w czasie doboru technologii łączenia.
  • Po klejeniu czasem należy usunąć wypływki kleju, zwłaszcza jeśli nakładanie jest ręczne, co wiąże się zwykle z nadmiarem i… dodatkowym kosztem kleju, tym razem zupełnie zbędnym z technicznego punktu widzenia. Wypływki mogą stanowić nieraz 30-50% całkowitego zużycia kleju. Czasem po kalkulacji rzeczywistego zużycia kleju i porównaniu go z wymaganym technicznie, okazuje się, że można zaoszczędzić nawet 80% kleju! Takie informacje przynosi nasze doświadczenie.

Train-windscreen---Laminating-Application