Zaczynając omawianie wspomnianych w tytule materiałów jako spoiw czy surowców należałoby zadać pytanie: dlaczego w ogóle takie materiały stosuje się w budowie pojazdów? Przecież dobra, stara stal spełnia aż nadto swoje zadanie. Jej technologia jest znana aż do bólu studentom przygotowującym się do egzaminów z „wydymałki” lub „materiałki”1… Po co więc męczyć biednych studentów i spokojnych profesorów nowymi technologiami?
Właściwie jest kilka powodów, które wypada wymienić na początku. Inaczej bowiem nasze rozważania będą pozbawione tej cennej nutki racjonalizmu, jaka dodaje smaczku wszystkim wielkim konstrukcjom:
Najpierw… tak – koszty! Materiały polimerowe wcale nie są co prawda tańsze od powszechnie kiedyś stosowanej stali, ale pomagają osiągnąć najważniejszy w budowie pojazdów cel: niską masę w stosunku do nośności pojazdu. A niska masa przy zachowaniu sztywności oznacza większą ładowność. Większa ładowność z kolei, to po prostu niższe koszty transportu, mniej paliwa na jednostkę masy ładunku… czyli to, co wszyscy chcemy osiągnąć: niższe ceny transportu.
Po drugie… też koszty. Tym razem – wykonania.
Ochrona przed korozją. Dziś już każde dziecko wie, że plastikowy samochodzik nie rdzewieje. Kleje eliminują korozję bimetaliczną, uszczelniają łącza zapobiegając wdarciu się wilgoci w niepożądane obszary.
Hałas. Klejone konstrukcje mniej drżą, kleje skutecznie utrudniają propagację wibracji.
Odporność na udary i zmęczenie. To zagadnienie wytrzymałościowe. Klejone elementy są wyjątkowo trwałe, gdy poddać je wibracjom występującym normalnie w czasie eksploatacji pojazdów. Częściowo zawdzięczamy to rozłożonym na całe złącze naprężeniom, gdyż nie spotykamy się tu ani z odkształceniami cieplnymi, ani spiętrzeniami naprężeń.
Estetyka. Złącza klejone pozwalają ukryć miejsce przejścia z jednego elementu na drugi, zwłaszcza wtedy, gdy są to elementy z różnych materiałów.
Dodatkową zaletą jest to, że wiele elementów można wyprodukować z żywic, czasem wzmocnionych włóknami szklanymi lub węglowymi, co pozwala na osiąganie niespotykanych kształtów, połączonych z technicznie doskonałą wytrzymałością, która czasem zaskakuje. Pasjonaci wiedzą, że klatka bezpieczeństwa w samochodzie F1 wytrzyma najpoważniejszy wypadek (uratowała przecież Kubicę). Ale nie wszyscy wiedzą, że wykonana z kompozytu węglowego ściana kabiny jest tak silna, że 10 cylindrowy silnik bolidu jest przykręcony bezpośrednio do niej, bez żadnych dodatkowych wzmocnień.
Jest też kilka „plusów ujemnych”2, które co prawda nie wstrzymują rozwoju technologii klejenia, ale czasem dla niewtajemniczonych stanowią niemiłe zaskoczenie. Warto więc je znać, aby uniknąć nieporozumień:
- Przygotowując się do wdrażania technologii klejenia, elastomerów, pianek, należy poznać podstawowe pojęcia, jak czas życia, czas zwilżania i podobne. Ciągle zapominają o tym nauczyć w szkole.
- Technologie klejenia wymagają powierzchni o czystości porównywalnej przynajmniej z czystością powierzchni przygotowanych do lakierowania.
- Złącza klejone mają ograniczoną wytrzymałość termiczną, najczęściej do około 120°C krótkotrwale, są jednak kleje wytrzymujące nawet długotrwale obciążenia wynoszące 180-200°C.
Po takim krótkim wstępie możemy zacząć przegląd technologii w budowie popularnych typów środków transportu. Aby Państwa zaciekawić, zacznę od tych mniej popularnych.
Łodzie, żaglówki, motorówki
Jak we wszystkich środkach transportu, ważna dla użytkownika jest nośność, nazywana przez marynarzy wypornością. W tym celu do budowy jachtów stosuje się coraz częściej kompozyty poliestrowo-szklane, a w przypadku jachtów wyczynowych nawet epoksydowo-węglowe.
Łączenie kompozytów za pomocą śrub nadwyręża je miejscowo, tworząc skupienia naprężeń niszczących, zwłaszcza przy obciążeniach zmiennych, zmęczeniowych. Powierzchnia tworzyw jest bowiem mniej odporna na lokalne odkształcenia spowodowane naciskiem śrub i nakrętek. Stąd wzmocnienia want, usztywnienia metalowe, zawiasy kwalifikują się do zastosowania klejów w pierwszej kolejności. W tych obszarach uzasadnione jest rozłożenie nacisków na większą powierzchnię. Operacja klejenia wzmacnia te obszary, poprawiając poważnie ich wytrzymałość zmęczeniową.
Innym obszarem zastosowania klejów są wzmocnienia i usztywnienia kadłuba: wręgi, denniki, wkładki, oraz obszar łączenia pokładu z kadłubem. W tym obszarze toczy się mordercza konkurencja między szpachlówkami poliestrowymi, a klejami konstrukcyjnymi i elastycznymi uszczelniaczami.
Argumenty przytaczane przez dostawców tych materiałów są bardzo zróżnicowane:
- Dostawcy szpachlówek poliestrowych podkreślają ich niską cenę i łatwość stosowania. Ich konkurenci krytykują sztywność, zapach i ogromne zużycie wynikające z relatywnie słabej adhezji. Krzywią się też na trudną do wdrożenia automatyzację mieszania.
- Sprzedawcy uszczelniaczy i klejów elastycznych, opartych głównie na poliuretanach, chwalą się ich odpornością na zginanie, rozciągliwością i opowiadają o nowych generacjach klejów „dwuskładnikowych”, z akceleratorami umożliwiającymi osiągnięcie wytrzymałości wstępnej już po jednej godzinie. Ich konkurencji nie podoba się konieczność stosowania podkładów (primerów) oraz zdumiewająco niska odporność na obciążenia zmęczeniowe.
- Producenci klejów metakrylowych wskazują niewiarygodną wręcz wytrzymałość i krótki czas wiązania, do osiągnięcia 80% wytrzymałości końcowej. Brak podkładów i znakomita adhezja do stali nierdzewnej stanowi według nich dodatkowy powód do przejścia na ich technologię, zwłaszcza, że w wytrzymałości zmęczeniowej nic nie może się z nimi równać, nawet materiał rodzimy. Konkurencja wytyka przede wszystkim specyficzny zapach, oraz wyższą cenę jednostkową, skrzętnie unikając porównań ilości zużywanego kleju.
Jak widać, porównanie różnych technologii klejenia w tym obszarze nie jest łatwe, zwłaszcza gdy do boju ruszają referencje, rabaty, relacje i wszelkie zmienne z tzw. miękkiego obszaru marketingowego.
Jednak jedno można stwierdzić: technologie klejenia wdarły się do produkcji łodzi w ostatnich latach i zasiedziały się nawet gdzieniegdzie.
Zapomnielibyśmy wspomnieć o klejeniu okien. Z oczywistych względów (nikt nie lubi jak mu kapie na głowę deszczyk poranny) jest to ważne zagadnienie. W tym obszarze na przemian wygrywają nowe na rynku polimery MS oraz wspomniane wyżej kleje metakrylowe. Obie grupy kompensują różnice w rozszerzalności szkła organicznego lub poliwęglanu z laminatami.
Osobną kwestią jest wdrożenie w ostatnim czasie pianek poliuretanowych do wypełniania komór balastowych. Wpychanie pokruszonego styropianu zapakowanego w worki przeszło już do historii, chociaż technologia wypełniania komór balastowych w wielu miejscach jest siermiężna: pracownicy ręcznie mieszają w wiaderku i wlewają komponenty pianki, w niektórych tylko miejscach stosuje się najtańsze agregaty do pianek, często nie trzymające nawet stosunków mieszania, o podgrzewaniu, stabilizacji termicznej komponentów nie wspominając. No cóż… krzywa uczenia się. Może w bliskiej przyszłości przyjdzie czas na wydajne agregaty trzymające parametry pianek na wodzy.
Kontenery, zabudowy termiczne
W budowie zabudów termicznych (chłodnie, izotermy) nastąpiły w ostatnich latach ogromne zmiany. Coraz rzadziej można spotkać nitowane do stalowych lub aluminiowych kształtowników ściany, wypełnione luźno wepchniętym styropianem lub wełną mineralną. Wyparło je… dobre, stare drewno, o którym niektórzy chcieli zapomnieć i styropian lub jego nowi bracia o wzmocnionych parametrach wytrzymałościowych3. Jednak w zupełnie nowej konfiguracji: schludnie posklejane klejami poliuretanowymi, czasem nawet dwuskładnikowymi, obniżając znacznie masę pojazdów. Na powierzchni zamiast blachy coraz częściej pojawiają się markowe płyty z tworzyw sztucznych, wzmacniane włóknami, lekkie i estetyczne.
Pojawiły się nowe zagadnienia: zauważono konieczność monitorowania ilości zużywanego kleju, przy jednoczesnym zapewnieniu jego równomiernego nałożenia. Wzrasta zainteresowanie zaawansowanymi urządzeniami do nakładania klejów, nawet wyposażonymi w przepływomierze masowe Coriolisa, pozwalające na archiwizację parametrów produkcji. Bardzo europejsko się robi i markowo.
Całe zabudowy są przy składaniu spajane metodą łączoną: klej wspomagany jest przez łączniki mechaniczne. Kilku markowych producentów w Polsce posiada już urządzenia do klejów poliuretanowych przyspieszanych tzw. boosterem.
Autobusy
Klejenie w produkcji autobusów stało się normą. Właściwie poza ramą, spawaną dziś ze stali o wzmocnionej odporności na korozję, prawie całe konstrukcje autobusów są już klejone:
- Poszycia z blachy przyklejane do ramy pozwalają na zachowanie idealnej estetyki boku pojazdu. Dodatkowo obniżają potencjał elektrostatyczny na złączach i przedłużają żywotność pojazdu użytkowanego intensywnie w ciężkich warunkach miejskich.
- Wklejane okna pozwalają na estetyczne i szczelne zamocowanie, dokładnie równo z powierzchnią boczną pojazdu.
- Klejenie pozwala na niewidoczne mocowanie dużych konstrukcji przodu i tyłu autobusu, które są wykonane z laminatów, co pozwala na uzyskiwanie niewiarygodnych kształtów.
- Dachy autobusów mogą być wykonywane z lekkich płyt laminatowych. Inne niż klejenie sposoby mocowania uszkadzałyby laminaty i powodowały lokalne naprężenia.
- Pokrywy bagażników i silnika są lekkie, ale sztywne. Na dodatek mogą być wykonane z różnych materiałów, jak powłoka aluminiowa z usztywnieniem stalowym.
- Można wprowadzić dodatkowe wyposażenie, jak zewnętrzne, lekkie bagażniki, coraz częściej spotykane na autobusach liniowych.
W klejeniu autobusów stosuje się głównie kleje i uszczelniacze poliuretanowe. Zwykle do tej pory jednoskładnikowe, wymagały jednak oczekiwania 24 godziny na pełne utwardzenie. To blokowało linię produkcyjną i podnosiło koszty ogrzewanych pól odkładczych (dość dużych, bo przecież chodzi o autobusy). Producenci przełamują się więc i inwestują w nowoczesne urządzenia do mieszania klejów dwuskładnikowych, utwardzających się w ciągu nawet 60 minut.
Ciężarówki do transportu materiałów luzem
Tu niespodzianka… klejenie jest do tej pory stosowane dość rzadko. Przynajmniej w Polsce. Mimo poważnych utrudnień w technice spawania tak dużych konstrukcji (odkształcenia spawalnicze są bardzo poważnym utrudnieniem), klejenie, które nie wprowadza naprężeń i pomogłoby utrzymać w ryzach wymiary nie jest dotychczas wdrażane. Być może odpowiedź jest w ciągle ograniczonej wytrzymałości termicznej połączeń klejonych. Firma posługująca się ciężarówkami z nadwoziami do transportu materiałów sypkich zakłada wynajmowanie ich do przewozu np. betonu asfaltowego do budowy dróg. Gorącego oczywiście. Ten ma temperaturę około 160°C, więc większość klejów nie wytrzymuje takich temperatur. Jednak… uważajcie drogowcy! Przebojem wdzierają się na rynek dwuskładnikowe kleje na bazie silikonu, takie, jak stosowane do montażu żelazek, kuchenek gazowych, piekarników…4 to może zmienić się obraz dróg. Może nie od razu, ale nie zdziwię się, jeśli za następne kilka lat producenci naczep będą posługiwali się podobnymi urządzeniami do łączenia jak dziś producenci paneli słonecznych.
W stosunku do kabin ciężarówek stosuje się podobne sposoby montażu, jak do samochodów osobowych.
Samochody osobowe i użytkowe
Sama konstrukcja pojazdów osobowych nie jest jeszcze klejona tak często. Poza oczywiście wklejaniem szyb, które dzięki klejeniu zyskały status elementów nośnych, usztywniających konstrukcję całego pojazdu. Są jednak łączone tą metodą np. usztywnienia pokryw bagażników i przedziałów silnikowych. I to od lat. Niewiele osób zwróciło uwagę, że nawet nasz PF126 miał klejoną pokrywę silnika. Złącza takie nie „przebijają” na zewnątrz, są również odporne na zmęczenie i korozję. Wytrzymują też proces malowania na linii lakierniczej, łącznie z kąpielami w procesie kataforezy.
Różne elastomery, pianki i żywice są często stosowane w budowie samochodów osobowych i użytkowych do wygłuszania, uszczelniania, zapobiegania przed wilgocią, ale także np. do zabezpieczenia skrzyń ładunkowych nadwozi typu „truck” przed porysowaniem i uszkodzeniami mechanicznymi. Natryskiwany pod wysokim ciśnieniem poliuretan lub polimocznik (poliurea), utwardzający się w ciągu kilkunastu sekund nie daje się uszkodzić nawet jeśliby na skrzyni ładunkowej chodzili żołnierze w podkuwanych blachą butach, albo były wożone kamienie lub cegły na budowę.
Od samochodów osobowych, tak samo jak od kabin ciężarówek oczekuje się komfortu. Wiele osób spędza w samochodzie dużą część życia. Wnętrze musi być więc ciche, suche, przytulne, przy zachowaniu jak najniższych kosztów produkcji.
Jedną z powszechnie stosowanych technologii jest wyciszanie wnętrz za pomocą natryskiwanych pod wysokim ciśnieniem jednoskładnikowych mas wygłuszających. Jak wiele innych procesów dozowania płynów montażowych daje się on automatyzować i kontrolować.
Zupełnie osobnym zagadnieniem jest produkcja podzespołów dla środków transportu. Tutaj technologie klejenia, zalewania, wygłuszania, uszczelniania za pomocą klejów, polimerów, żywic, pianek są stosowane na wielką skalę.
O samych fotelach dla samochodów można napisać wiele. Choćby o nowej technologii produkcji foteli o różnych twardościach (miękki środek, twarde boki), które są produkowane w czasie pojedynczego zalania pianką. Na dodatek ognioodpornych… ale to już zupełnie inna historia.
[Marek Bernaciak]
artykuł pochodzi z wydania 12 (27) grudzień 2009
- Tak się za moich czasów mawiało na wydziale SIMR, ale i dziś jak słyszę, niewiele się zmieniło. ↩︎
- Według byłego prezydenta Lecha Wałęsy, który kiedyś powiedział, że „są plusy dodatnie i plusy ujemne”. ↩︎
- Jak styrodur i pochodne oraz pianki fenolowe, PCV. Są to jednak materiały używane raczej w produkcji takich środków transportu, gdzie bezwzględnie żąda się odporności na ogień. ↩︎
- Także coraz bardziej popularnych paneli słonecznych, które również muszą wytrzymać wysokie temperatury. Co prawda samochody ciężarowe podlegają wysokim obciążeniom, ale rozwój metod obliczeniowych i presja na wagę pojazdów może zachęcić producentów do projektowania konstrukcji klejonych również w tym obszarze. ↩︎
