Od trzydziestu prawie lat działam w obszarze klejenia i uszczelniania. Od czasu gdy zaczynałem swoją zawodową przygodę, klejenie nie zrobiło wielkich postępów technicznych (poza sporym upowszechnieniem i spopularyzowaniem jako procesu montażowego), co stwierdzam z ogromnym smutkiem.
Co prawda, podstawowe zasady nie zmieniły się. Dalej głównym powodem wdrażania klejenia jest dążenie do uzyskania korzystnego stosunku sztywności do masy. Konstrukcje stają się jeszcze lżejsze, jeszcze cieńsze są ścianki urządzeń, oczekujemy także jeszcze niższej ceny kupowanych rzeczy i rynek to stara się spełniać, wbrew oczekiwaniom i dążeniom polityków, którzy dokładają na każdym kroku nowe opłaty, podatki i inne modne teraz obostrzenia prawne, ograniczające np. emisję lotnych związków organicznych (LZO). Dla mnie – wspaniale, bo menedżerowie wraz z inżynierami nie przestają kombinować, jak tu by zarobić – mimo tych szaleństw – jakieś pieniądze.
A jeśli kombinują, to raz po raz spotykają się ze mną i moim zespołem, by omówić nowe technologie.
Jest niewątpliwym faktem, że mimo usilnej pracy pracowników uczelni (opowiadam na podstawie osobistych rozmów ze studentami) nowe technologie są jednak wdrażane. Dotyczy to zwłaszcza materiałów. Coraz częściej spotykamy się z tworzywami sztucznymi, które występują pod rozmaitymi postaciami. Laminaty poliestrowo-szklane, płyty warstwowe lite i formowane próżniowo, kompozyty łączące tworzywo i folie metalowe, powlekane rozmaitymi lakierami… towszystko jest wdrażane coraz powszechniej. Co na ten temat wiedzą studenci opuszczający uczelnie? Chciałbym, żeby jakieś powszechne badanie (tylko kto je zrobi?) wykazało, że jest wspaniale i opuszczający uczelnię inżynier zna przynajmniej podstawowe grupy materiałów konstrukcyjnych, podstawowe grupy klejów i elementarne metody nanoszenia klejów. Jakby jeszcze wiedział coś o przygotowaniu powierzchni pod klejenie, usuwaniu powłok separujących i aktywacji tworzyw sztucznych za pomocą plazmy atmosferycznej, to stan wiedzy określiłbym jako znakomity. Nie sądzę, żeby ktoś wiedział o pomiarach jakości powierzchni, bo to nowinka i może teraz uczelnie się tym zainteresują.
Przyjrzyjmy się, na ile dzisiejsze realia są inne niż te sprzed kilku lat. Powody, dla których kiedyś proponowałem rozważenie klejenia jako metody łączenia można wymienić następująco (od 1 do 6):
1. Koszty materiałowe/surowcowe
Dziś materiały polimerowe nadal nie są tańsze (w masie) od stali, ale nadal 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 oznacza niższe koszty transportu, mniej paliwa na jednostkę masy ładunku… czyli to, co wszyscy chcemy osiągnąć: niższe ceny transportu.
2. Koszty wykonania
Wciąż wzrastają koszty zatrudnienia, podnoszone są przez polityków płace, a przede wszystkim obciążenie pracy podatkami i tak zwanymi ubezpieczeniami społecznymi. Dlatego technika klejenia, jako metoda umożliwiająca automatyzację i zatrudnienie mniej wykwalifikowanych pracowników jest kuszącą alternatywą.
I tu uwaga: świadomość osób zajmujących się normalizacją także rośnie. Opracowywane są nowe normy dotyczące klejenia w motoryzacji, jak DIN 2304, które co prawda jeszcze nie obowiązują bezwględnie, ale już warto się im przyglądać. Klejenie bowiem uzyskuje status procesu specjalnego, a więc osoby wykonujące tą operację będą musiały przechodzić szkolenie i pracować pod nadzorem jeszcze lepiej wyszkolonych inżynierów klejenia. Wyszkolenie takiego zespołu będzie się wtedy stawało inwestycją, której poniesienie spowoduje podniesienie kosztów operacji. Będzie się to odnosiło głównie do operacji z grupy pierwszej i drugiej, ale kultura klejenia „zajrzy pod strzechy” i mam nadzieję, będzie się profesjonalizować coraz bardziej.
3. Ochrona przed korozją
Ograniczenie korozji nabiera znaczenia wraz ze zmniejszaniem się grubości poszyć stalowych i wzrastającymi kosztami ich zabezpieczenia. Kleje eliminują korozję bimetaliczną, uszczelniają łącza zapobiegając wdarciu się wilgoci w niepożądane obszary. Ten aspekt zdaje się mieć nadal znaczenie i to wzrastające.
4. Hałas
Jako że kleje skutecznie utrudniają propagację wibracji, a klienci przyzwyczaili się do cichych wnętrz aut, ten atut klejenia nie wydaje się tracić na znaczeniu.
5. Odporność na udary i zmęczenie
Klejone elementy są nadal trwałe, nawet gdy poddać je wibracjom występującym normalnie w czasie eksploatacji pojazdów. Zawdzięczamy to m.in. rozłożonym na całe złącze naprężeniom, gdyż nie spotykamy się tu ani z odkształceniami cieplnymi, ani spiętrzeniami naprężeń. Czas pokazuje, że klejone złącza są trwalsze niż sądzili pesymiści. Złącza nie starzeją się tak bardzo, jak sądzono; moim zdaniem większość złączy jest znacznie przewymiarowanych.
6. Estetyka
Złącza klejone pozwalają ukryć miejsce przejścia z jednego elementu na drugi, zwłaszcza wtedy, gdy są to elementy z różnych materiałów. Biorąc pod uwagę możliwości łączenia kształtów obłych i wypełniania szczelin aż do ich zamaskowania, cecha ta jest ciągle trudna do zastąpienia innymi technikami. Rozważmy też słabości technologii klejenia. Zakładam, że są one – tak jak zalety – znane i wykładane w szkołach i uczelniach.
Technologia klejenia jest klasyfikowana przez wcześniej wspomnianą normę DIN 2304, a przede wszystkim przez normę DIN 6701, jako proces specjalny, tak jak spawanie. Proces jest więc traktowany jako zależny od wykonującej go osoby. Przygotowując się do wdrażania technologii klejenia należy poznać podstawowe pojęcia, oraz podstawy procesu. Jest to wiedza, która rozpowszechnia się niezmiernie powoli. Wdrażanie procesów zgodnie z normą jest wymuszane przez umowy z koleją, zwłaszcza niemiecką. Przykro mi to mówić, że normalizacja wdrożenia, prowadzenia procesów i napraw połączeń klejonych następuje niejako pod przymusem administracyjnym i to inicjowanym przez instytucje niemieckie.
Jakość powierzchni jest krytycznym i kluczowym parametrem. Dzisiaj na szczęście istnieją już urządzenia umożliwiające inżynierską i menedżerską kontrolę procesu przygotowania powierzchni. Dotąd znano jedynie tusze i pisaki testowe, które tylko orientacyjnie pozwalają zmierzyć energię powierzchniową przed klejeniem.
Złącza klejone mają ciągle ograniczoną wytrzymałość termiczną, najczęściej do około 120 °C krótkotrwale, są jednak kleje wytrzymujące nawet długotrwale obciążenia wynoszące 180-200 °C. Tutaj niewiele się zmieniło, ale może po prostu nie potrzeba dzisiaj większej odporności termicznej?
Omówmy teraz pokrótce obszary zastosowania techniki klejenia w budowie środków transportu.
Kontenery, zabudowy termiczne
W budowie zabudów termicznych (chłodnie, izotermy) nastąpiły w ostatnich latach tylko drobne zmiany. Nitowane do stalowych lub aluminiowych kształtowników ściany, wypełnione luźno wepchniętym styropianem lub wełną mineralną zostały wyparte przez konstrukcje klejone. Coraz większy nacisk kładziony jest na automatyzację procesów nakładania klejów i uszczelniaczy. Częściej niż wcześniej są stosowane materiały dwuskładnikowe. Trudno ocenić, co jest głównym czynnikiem wdrażania właśnie klejów dwuskładnikowych, bo użytkownicy są dość oszczędni w opowiadaniu i uzasadnieniach swoich decyzji. Logika wskazuje, że chodzi o koszt pola odkładczego i zamrożonego kapitału w produkcji w toku.
Monitorowanie ilości zużywanego kleju przy jednoczesnym zapewnieniu równomiernego nałożenia nabiera coraz większego znaczenia. Kiedyś pisałem, że wzrasta zainteresowanie zaawansowanymi urządzeniami do nakładania klejów, nawet wyposażonymi w przepływomierze masowe Coriolisa, pozwalające na archiwizację parametrów produkcji. Miało być europejsko i markowo. Tylko że mimo upływu lat inwestycje u naszego zachodniego sąsiada wciąż rozwijają się kilkakrotnie szybciej i nie jestem dzisiaj pewien, na ile głównym tego powodem jest świadomość procesowa, połączona z systematyczną edukacją i naciskiem jednostek normalizacyjnych.
Autobusy
Klejenie w produkcji autobusów dalej wydaje się być normą. Właściwie poza ramą, spawaną dziś ze stali o wzmocnionej odporności na korozję, prawie całe konstrukcje autobusów są już klejone.
Powody są ciągle takie same:
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. Konstrukcje autobusów są coraz ładniejsze i bardziej opływowe.
Klejenie pozwala na niewidoczne z zewnątrz mocowanie dużych i coraz bardziej złożonych konstrukcji przodu i tyłu autobusu, które są wykonane z laminatów.
Dachy autobusów są 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. Co ciekawe, tutaj widać trwałość połączeń, bo większość połączeń jest widoczna.
Dodatkowe wyposażenie, jak zewnętrzne, lekkie bagażniki, są coraz częściej spotykane na autobusach liniowych. Można je także spotkać w mniejszych mikrobusach i autobusach, bo coraz większa liczba firm oferuje takie rozwiązania.
W klejeniu autobusów stosuje się głównie kleje i uszczelniacze poliuretanowe. Wcześniej stosowano kleje 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 coraz chętniej inwestują w urządzenia domieszania klejów dwuskładnikowych, utwardzających się w ciągu nawet 60 minut.
Ciężarówki do transportu materiałów luzem
Wydaje się, że normy raczej opóźnią wdrażanie klejenia niż je przyspieszą w tym obszarze. Ponieważ klejenie uzyskuje status procesu specjalnego, a więc procesu, którego wynik nie może zostać w pełni potwierdzony w wyniku późniejszych kontroli jakości i produktu bez jego zniszczenia, a wady połączenia pokazują się dopiero po zastosowaniu produktu (luźny cytat zanormą DIN 2304), to – jako że klejenie dotyczy elementów o klasie bezpieczeństwa S1 – będzie trzeba poczekać na rozwój sytuacji.
Samochody osobowe i użytkowe
Konstrukcja pojazdów osobowych nie jest klejona, jeśli nie dotyczy powłok z laminatów lub innych tworzyw. Poza oczywiście wklejaniem szyb, które dzięki klejeniu utrzymują status elementów nośnych, usztywniających konstrukcję całego pojazdu. Usztywnienia pokryw bagażnikówi przedziałów silnikowych są ciągle klejone, a chociaż zgodnie z normą są to elementy klasy conajmniej S2, to rynek motoryzacyjny w tym obszarze trzyma się swoich własnych standardów.
Bardzo intensywnie rozwija się klejenie podzespołów. Wynika to prawdopodobnie z rozpowszechnienia tworzyw sztucznych. Widowiskowym zastosowaniem techniki klejenia jest łączenie lamp przednich oraz tylnych. Ci, którym wolno obserwować proces aktywacji plazmoweji następującemu po niej nanoszeniu kleju, mogą się zapatrzyć.
Zastosowanie materiałów z rodziny poliolefin, jak polipropylen, pozwala na uzyskanie dwóch efektów: z jednej strony następuje obniżka kosztów materiałowych, a z drugiej – uzyskujemy znakomitą odporność na obciążenia udarowe.
Jednym z ciągle stosowanych rozwiązań na rynku budowy samochodów osobowych jest konstrukcja zderzaków, które od lat są produkowane z polipropylenu i oczywiście aktywowane również plazmą atmosferyczną. Na uwagę zasługuje trwałość połączeń materiałów uważanych przez laików za niemożliwe do klejenia. Samochody ze zderzakami z polipropylenu jeżdżą już ponad trzydzieści lat i nie ma – poza kolizjami – przypadków ich odpadania.
Istnieje jeszcze wiele innych wdrożeń złącz klejowych w łańcuchu dostaw samochodów. Niestety, jak zawsze najciekawsze rozwiązania są objęte umowami o poufności. Będzie można o nich pisać za kilka lat…
[Marek Bernaciak]
AMB TECHNIC
źródła zdjęć: BTG Labs, Depositphotos, Plasmatreat
artykuł pochodzi z wydania 10 (145) październik 2019
