Klejenie w praktyce przemysłowej
Klejenie jest moją pasją od lat. Czasem nawet odnoszę wrażenie, że gdybym mógł, to wszystko bym sklejał. To prawda, skrzywienia są często okropnie dolegliwe, zwłaszcza dla otoczenia. Jak każda technologia, klejenie ma jednak swoje ograniczenia i w jednych wypadkach warto je zastosować, w drugich nie.
Kiedy warto pomyśleć o klejeniu?
- Gdy musimy łączyć różne substraty, jak:
- szkło z metalem (typowe zastosowanie klejów),
- skórę z pianką.
- Gdy zależy nam na usztywnieniu konstrukcji, przy jednoczesnym obniżeniu jej masy. Np.:
- konstrukcje lotnicze (ciągła walka o niską masę),
- usztywnienia pokrywy silnika.
- Gdy chcemy osiągnąć wysoką odporność konstrukcji na wibracje i obciążenia udarowe. Np.:
- zabezpieczenia śrub przed odkręcaniem,
- poszycia i kadłuby łodzi motorowych,
- elektronika,
- turbiny silników odrzutowych,
- głośniki.
- Gdy zależy nam na niewidocznym lub estetycznym złączu. Np.:
- śruby na elementach wykonanych z laminatów poliestrowo-szklanych,
- wzierniki i okienka w obudowach,
- meblarstwo,
- budownictwo.
- Gdy chcemy osiągnąć szczelność i odporność na korozję. Np.:
- poszycia autobusów,
- blachy anodowane, ocynkowane do konstrukcji stalowych.
Oczywiście, często powyższe sytuacje występują grupowo.
Kiedy lepiej pomyśleć o usprawnieniu innych technologii łączenia?
- Gdy musimy łączyć podobne materiały na bardzo ograniczonym obszarze, np. blachy.
- Gdy musimy osiągnąć wysokie lokalne wytrzymałości, zwłaszcza łącząc stal, nie potrzeba nikogo przekonywać, że spawanie jest bezkonkurencyjne. Nie słyszałem, by ktoś namawiał do klejenia 40-milimetrowych blach w okrętach, ani konstrukcji dźwigów. Ale, gdy mamy różne materiały, jak laminaty ze stalą, to już zupełnie inna historia…
- Gdy chcemy natychmiast po operacji łączenia osiągnąć pełną wytrzymałość złącza. Nitowanie i zgrzewanie to dobre przykłady.
- Gdy można zastosować technologię łączenia nie wymagającą dodatkowych elementów. Np. jeśli możemy zastosować zatrzaski, lub obróbkę plastyczną, nie ponosimy kosztów żadnych elementów złącznych.
- Gdy potrzeba złącza łatwego w demontażu, śruby i inne elementy gwintowane są bezkonkurencyjne.
W rozważaniach, czy zastosować taką, czy inną technologię, należy jak zawsze stosować rachunek ekonomiczny. I tu jest mały problem: wiele osób ma kłopoty z podstawowymi obliczeniami. To jest tragedia dzisiejszych czasów, że gdy właśnie dostępne są tak szeroko zarówno narzędzia, jak i know-how przydatny do obliczeń, umiejętności liczenia są zupełnie w pogardzie. I nie mówię tu o obliczeniach inżynierskich. Te mają się dobrze. Ale w tym zakresie Matka-Natura jest bezwzględna. Jeśli wytrzymałość konstrukcji będzie obliczona źle, zemsta będzie nieuchronna, a skutki opłakane. Katastrofy, awarie, wypadki, reklamacje, tylko czekają aż inżynierowie pomylą się w swoich obliczeniach.
Jeśli jednak chodzi o obliczenia w zakresie ekonomii produkcji, sprawa jest trudniejsza. Można by wiele opowiadać o źródłach tego stanu rzeczy, ale sądzę, że główną przyczyną jest… opóźnienie czasowe pomiędzy wdrożeniem technologii, a jej końcowym skutkiem ekonomicznym, oraz niechęć menedżerów (już nie inżynierów), do prowadzenia szczegółowych kalkulacji w czasie. W ogóle, czy zauważyli Państwo, jak mało się wymaga od menedżerów? Wystarczy, że firma „wychodzi na plus” i wszyscy są szczęśliwi: właściciele, pracownicy, urząd skarbowy… więc menedżer idzie na urlop. Mało kto zadaje trudne pytania:
- Czy dana technologia jest naprawdę właściwa z ekonomicznego punktu widzenia?
- Czy nie generuje dodatkowych kosztów, które mogą nawet wielokrotnie przekroczyć cenę zakupu urządzenia (np. koszty braków i reklamacji)?
- Czy nie spowoduje uzależnienia np. od dostawcy materiału/surowca (często się zdarza, że „tania” maszyna kupiona od dostawcy kleju staje się „kotwicą” technologiczną, w razie próby zmiany dostawcy generowane są dodatkowe koszty, związane z wymianą urządzenia dozującego).
- Czy wzięto pod uwagę wszystkie składniki kosztów, zarówno teraźniejsze jak i przyszłe?
Przykłady związane z opóźnieniem czasowym w obliczeniach ekonomicznych są liczne, ale niechętnie studiowane, gdyż zarządy, a czasem i właściciele firm po prostu oczekują szybkich efektów. A ekonomia, jak każda nauka, ma swoje prawa. Rozważmy kilka obszarów, które stosują klejenie jako istotną metodę łączenia.
Motoryzacja
Pole do popisu jest tu ogromne. Klejenie jest powszechnie stosowane zarówno w bezpośrednim montażu, jak i w produkcji podzespołów. Spróbujmy omówić kilka podstawowych zastosowań.
- Wklejanie szyb. Zostało wdrożone dopiero, gdy pojawiły się elastyczne kleje poliuretanowe. Okazuje się, że szyba sklejona z ramą samochodu potrafi przenosić obciążenia (wcześniejsza konstrukcja, oparta na wciskaniu szyby w uszczelkę gumową, nie spełniała tego założenia). W konsekwencji można odchudzić karoserię i zaoszczędzić na masie.
- Usztywnienia pokryw silnika i bagażnika. Obniżają masę i usztywniają, zwiększają też odporność na korozję.
- Klejenie poszyć w budowie autobusów. Dzięki klejeniu, bez większych nakładów, łatwiej się uzyskuje wspaniałą, gładką powierzchnię ścian bocznych i poprawia odporność na korozję. Dodatkowym atutem jest efekt wygłuszenia.
- Klejenie ścian, podłóg i dachów w nadwoziach izotermicznych o dowolnym rozmiarze. Wyjątkowo dobre wykorzystanie podstawowej zalety klejenia: uzyskanie lekkiej i bardzo sztywnej konstrukcji, dodatkowo nie posiadającej mostków cieplnych. Aktualnie część zabudów chłodniczych i izotermicznych jest wykonywana za pomocą naklejania poszyć na ramę stalową (lub ich nitowania), a izolacja jest natryskowo nanoszona za pomocą agregatów do piany. Taka technologia łączy prostotę ze skutecznością. Właściwie należałoby użyć tu angielskiego słowa „performance”, które niestety nie ma odpowiednika w języku polskim.
Gdzie, w konstrukcjach pojazdów, nie stosuje się klejenia? Na pewno nie klei się ram autobusów. To nie jest technologicznie przyjazne miejsce dla klejenia. Oczywiście, jest wiele miejsc, gdzie montuje się podzespoły do nadwozi, za pomocą łączników śrubowych lub zatrzasków. Nie zauważyłem też klejenia w budowie silników spalinowych, za wyjątkiem kilku miejsc, jak panewki, gniazda zaworowe i zaślepki. Oczywiście, powszechnie stosowane są uszczelki wylewane – FIPG (Formed In Place Gaskets), lecz tu można się spierać, czy to już klejenie, czy „tylko” uszczelnianie.
Oczywiście, motoryzacja jest pełna miejsc, gdzie klejenia się nie stosuje. Dla mnie, najbardziej szokujące było zapoznanie się z technologią spiekania aluminium, w procesie CAB (Controlled Atmosphere Brazing), stosowaną w procesie produkcji chłodnic samochodowych. Imponująca swoją precyzją, pięknem i wąskimi tolerancjami technologia! Właściwie, temat na każdą dużą produkcję z aluminium. Dla małoseryjnej produkcji, to chyba nie jest technologia opłacalna. Ale jeśli masz kilkaset tysięcy rocznie czegoś-z-aluminium, to… poważnie się zastanów nad CAB.
- Klejenie reflektorów i świateł zespolonych. Na dziś główna technologia, zapewniająca szczelność w szerokim zakresie temperatur, odporność na wibracje i… niespotykaną estetykę przy łączeniu różnoimiennych materiałów.
- Sklejanie szyb warstwowych, bezpiecznych. Chodzi o klejenie szyb w procesie ich produkcji. Szyby są sklejane po hartowaniu, za pomocą przeźroczystej żywicy. Tworzy się w ten sposób trójwarstwowy „sandwich”, który pękając w czasie wypadku, nie razi odłamkami.
Oprócz klejenia, w motoryzacji jest stosowanych cała gama technologii pokrewnych, jak uszczelnianie, uszczelki wylewane, zalewanie żywicami itp. Niemniej, nie będziemy tutaj rozwijali tego obszaru.
Sprzęt AGD
Sprzęt AGD jest poddany ogromnej presji kosztowej. Konkurencja jest mordercza, ceny spadają ciągle, dzięki czemu jego dostępność jest coraz większa. Klejenie było stosowane w produkcji od czasu, gdy pojawiły się odporne na wysokie temperatury silikony. W praktyce, w warunkach domowych rzadko przekracza się temperaturę 200 °C. Dzięki silikonom, zarówno jedno- jak i dwuskładnikowym, możemy cieszyć się następującymi korzyściami:
- Estetyka połączeń
- Trwałość przy niskim koszcie
- Wyciszenie
Gdzie stosuje się dziś klejenie?
- Płyty ceramiczne – płyta ceramiczna jest wklejana i uszczelniana. Jeszcze dwa-trzy lata temu stosowano silikon jednoskładnikowy, ze względu na niski koszt urządzeń dozujących. Dziś większość producentów, także w Polsce, ma lub będzie mieć w najbliższej przyszłości systemy do klejenia silikonami dwuskładnikowymi. Ciekawostka: system zrobotyzowany do klejenia silikonem dwuskładnikowym kosztuje minimum 80-120 tysięcy Euro. Jednak producenci odkryli w końcu, że pola odkładcze, na których elementy sklejone czekały na utwardzenie przez 24 godziny są tak wielkie i tak blokują elastyczną produkcję, że zainwestowano nie tylko w systemy dozowania, ale w całe linie wraz z piecami tunelowymi, aby skrócić czas oczekiwania na otrzymanie sklejonego detalu nawet do… 2 minut!
- Rączki, uchwyty, szyby piekarników, przednie panele kuchenek – możliwość łączenia metalu ze szkłem, oraz metalowych elementów między sobą za pomocą klejenia pozwoliła na powstanie zupełnie nowych rozwiązań designerskich.
- Żelazka – od dawna ich stopa jest klejona, wcześniej często się zdarzało, że rozkład temperatury na stopie żelazka nie był równomierny, co owocowało częstymi przypaleniami ubrań. Dzisiejsze żelazka z zasady mają stopę klejoną za pomocą termoprzewodzącego silikonu. W efekcie dyssypacja ciepła jest doskonała.
Gdzie nie widziałem klejenia?
- W montażu odkurzaczy. Większość połączeń jest wykonywana za pomocą wkrętów lub zatrzasków.
- W lodówkach i zamrażarkach. Właściwie, to kwestia definicji, bo czy jeśli podwójne ściany lodówki są zalewane pianką poliuretanową, to czy jest to klejenie ścian z pianką poprzez zalanie, czy raczej po prostu technologia RIM (Reactive Injection Moulding)? Ja osobiście uważam, że to jest RIM, dlatego specyfikuję ją w tym miejscu.
- Rurki prowadzące środek chłodzący. Montowane na zacisk, za pomocą specjalnej technologii.
- Montaż kuchenek – większość to zgrzewanie, skręcanie śrubami i wkrętami.
Elektronika
Jeśli ktoś powie, że elektronika to głównie lutowanie, będzie miał rację. Do dziś jest to najpopularniejsza metoda łączenia, zwłaszcza miejsc przewodzących prąd. Niemniej warto wiedzieć, że połączenia elektryczne w statkach kosmicznych, pracujące w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego, wykonywane są za pomocą klejów elektroprzewodzących. Połączenia lutowane nie wytrzymują tak niskich temperatur. Stopy lutownicze przechodzą przemianę alotropową i połączenia pękają. Wspominam elektronikę, bo kilka rozwiązań jest bardzo ciekawych. Np. tzw. układy BGA, czyli obwody elektroniczne z wyprowadzeniami na dolnej powierzchni, są bardzo wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne. Są więc najpierw poddawane precyzyjnemu lutowaniu swoich nóżek, których jest czasem kilkaset… Potem jednak przeprowadza się operację klejenia przez podlewanie. Operacja nazywana „underfill”, polega na wstrzeleniu mikro-kropelek w obszarze brzegu układu BGA i doprowadzeniu do jego zapłynięcia pod spód. Tak wzmocniony układ staje się nie tylko odporny na wilgoć, ale również na upadek z wysokości ponad 1 metra na betonową podłogę. Dowód? Proszę upuścić swój telefon komórkowy! Wytrzyma.
Tyle tytułem wprowadzenia. W następnej publikacji spróbujemy tematykę rozwinąć.
[Marek Bernaciak]
artykuł pochodzi z wydania 1/2 (16/17) styczeń/luty 2009
