Klejenie, jak każda technologia, ma swoje ograniczenia i wymagania. Nie można więc przekładać wprost rozumowania stosowanego przy innych technologiach.
Podstawą jest zrozumienie, że klejenie preferuje pewne kierunki i rodzaje obciążeń, a innych nie lubi. Omówmy je pokrótce.
Rodzaje naprężeń działających na złącza klejone wraz z oceną sposobu kształtowania złącza i rodzajami zalecanych klejów
Do opisu każdego rodzaju naprężeń dołączam poglądowy rysunek złącza z zaznaczonymi kierunkami naprężeń.
Ścinanie
Kleje generalnie je uwielbiają. Właśnie dlatego klej dobrze trzyma na dużej powierzchni. Jeśli tylko można, należy zaplanować tzw. zakładkę.
Ściskanie
Znowu bingo! Powierzchnia styku dwóch podłoży nigdy nie jest doskonale płaska. Jeśli położymy deskę na betonie albo nawet metalową płytę (na przykład podstawę maszyny) na innej metalowej płycie, te powierzchnie nie stykają się całe, stykają się tylko wierzchołki ich chropowatości. Dlatego częstym zjawiskiem jest wygniatanie się podłoża, zwłaszcza gdy jeden substrat jest znacznie twardszy od drugiego.
Klej wypełnia przestrzenie między wierzchołkami chropowatości i rozkłada siły nacisku na większej powierzchni. Dlatego na przykład klei się złącza szyn kolejowych razem ze skręcaniem śrubami. Posadawia się także maszyny na żywicach. Chociaż to inna historia.
Kleje do zastosowania: twarde, wytrzymałe i lejne, jak epoksydy lub dwuskładnikowe poliuretany. Nie za grubo, ale tyle, żeby wszystkie szczeliny były zapełnione, żeby element górny pływał na kleju w czasie łączenia.
Rozciąganie
Klej ma w takim wypadku zwykle znacznie mniejszą wytrzymałość niż materiał rodzimy. Krótko mówiąc, sklejone tworzywo sztuczne poddane obciążeniom rozciągającym pęknie na złączu klejonym. Co zrobić? Zmienić obciążenie na ścinające, czyli zastosować zakładkę.
Kleje do zastosowania: elastyczne, kompensujące nierówne rozkłady naprężeń, na przykład silikony, polimery MS, elastyczne poliuretany. Nakładaj grubo, zostaw minimum 1-milimetrową szczelinę, grubsza niż 4 mm też nie zawadzi. Raczej nie będziesz żałował.
Rozłupywanie
Niebezpiecznie… kleje nie lubią skupionych obciążeń. Dlatego jeśli chcesz zniszczyć połączenie klejone, zastosuj klin i włóż coś cienkiego, ostrego i staraj się rozłupać. Znasz to na pewno z praktyki, jeśli chcemy odkleić okleinę od drewnianej powierzchni, należy ją podważyć nożem. Delikatnie, ale i tak złącze zacznie się rozwarstwiać.
Kleje do zastosowania: o dobrej adhezji, ale elastyczne. Idealne w większości wydają mi się polimery MS albo poliuretany z dobrze dobranym podkładem (primerem). Elastyczne kleje są w takich sytuacjach mocniejsze niż mocne, sztywne kleje, na przykład epoksydowe. Dzieje się tak dlatego, że naprężenia rozkładają się na większej objętości. Nie dochodzi wtedy do ich skupienia w małych, często nawet nie liniowych, ale punktowych miejscach zapalnych, jakimi są krawędzie na styku kleju i materiału rodzimego.
Oddzieranie
Nie, nie, nie… nigdy tak nie projektuj! Klejenie nie lubi obciążeń skupionych (pamiętasz, przed chwilą o tym mówiliśmy). Aby zniszczyć połączenie klejone, można dodatkowo naciąć podłoże elastyczne i oddzierać je paskami. Tak można odrywać na przykład paski sztucznej skóry (wykonanej z PCV) od sztywnego podłoża.
By zamienić kierunek obciążeń, zrób chociażby tak, jak na rysunku 6. Widzisz, da się.
Jak w takim razie projektować prawidłowe połączenia klejone na tworzywach sztucznych? Przyjrzyjmy się kilku przykładom.
Zalecane sposoby rozkładania naprężeń przy złączach klejonych
Do każdego opisu typu złącza dołączam poglądowy rysunek złącza z widoczną spoiną klejową.
Ekran
Ten kształt złącza pozwala na zachowanie szczelności i estetyki. Dodatkowo można potraktować wypływkę kleju jako narzędzie kontroli jakości. Jeśli jest równomierna, może nawet spełniać rolę ozdobną.
Złącze jest relatywnie łatwe do wykonania przy zastosowaniu prostych urządzeń dozujących, wypływkę w produkcji jednostkowej łatwo wytrzeć lub schować pod maskowaniem.
Złącze jest odporne na odrywanie, w zasadzie jest poddane obciążeniom ściskającym. Często stosowane w obudowach i pokrywach urządzeń elektrycznych, jak na przykład smartfony, tablety itp.
Nakładka lub pokrywa
To nie jest wbrew pozorom kiepski pomysł. Złącze poddaje się tu ścinaniu i rozciąganiu, zwykle o niskich wartościach. Z technologicznego punktu widzenia łatwo je też wykonać. No i nie widać go z góry.
Nakładka wzmocniona
Powierzchnia kleju jest większa, czyli złącze widocznie mocniejsze. Utrudnienie stanowi wykonanie dolnych elementów, które może podnosić koszt złącza.
Szyba
Takie złącze stosuje się często przy wklejaniu szyb i wzierników w szafach rozdzielczych, nie przeszkadza tu lekko widoczna spoina klejowa.
Tuleja, pióro-wpust
Typowe dla stolarstwa i… łączenia wałków metalowych za pomocą klejenia.
Takie połączenie jest idealne dla większości połączeń, ma wiele modyfikacji, jak choćby ta pokazana na rysunku. Proporcje trzeba oczywiście obliczyć i sprawdzić na modelach.
Nie trzeba dalej rozwijać tematyki kształtowania złącza. Wystarczy, że sam poeksperymentujesz i porozcinasz coraz częściej pojawiające się konstrukcje klejone, żeby zobaczyć, jak są ukształtowane.
UWAGA: Wszystkie uwagi dotyczące doboru klejów potraktuj jako zaledwie orientacyjne. To mogą być dobre wskazania dla początkujących. Jednak każdy przypadek należy potraktować i rozważyć osobno.
Obliczenia wytrzymałości połączeń klejonych
Wiele osób chciałoby wiedzieć, jak precyzyjnie obliczać wytrzymałość połączeń klejonych. Wiele doktoratów na ten temat napisano, jak to w państwowych systemach szkolnictwa, ale nic z nich nie wynika dla późniejszych zastosowań w technice (naukowcy się na mnie obrażą, jednak wielokrotnie otrzymywałem pytania od studentów, by dać im „materiały do pracy dyplomowej”. Obraz, jaki się z tych rozmów wyłania, jest co najmniej pesymistyczny).
Warto wiedzieć, że podstawowe sposoby prowadzenia obliczeń wytrzymałościowych, wychodzące z laboratoryjnych danych na temat wytrzymałości na ścinanie, rozciąganie, ściskanie, nie sprawdzają się w rzeczywistych konstrukcjach. Rozbieżności pomiędzy wynikiem obliczeń a wartościami osiąganymi w badaniach niszczących są tak duże, że spokojnie można potraktować podstawowe obliczenia jako co najwyżej orientacyjne. Podchodząc praktycznie do zagadnienia wytrzymałości złącza klejonego, możemy przyjąć kilka strategii.
1. „Na oko” – czasem złącze klejone nie przenosi wielkich obciążeń. Jednak nie zawsze musi to być słaby punkt konstrukcji. Najczęściej złącze klejone jest najsilniejszym punktem konstrukcji, zwłaszcza jeśli klej został dobrze dobrany, a złącze prawidłowo zaprojektowane tylko pod względem kształtu, bez specjalnych wyliczeń.
2. „Techniczna” – czasem trzeba zaprojektować kosztowny albo wrażliwy na koszt element klejony i zoptymalizować złącze klejone pod względem konstrukcji. Wtedy może opłaci się skorzystać z oprogramowania symulującego rozkład naprężeń, na przykład metody elementów skończonych. Symulacja komputerowa to właściwie jedyny sposób obliczeń dający sensowne wyniki. Ponieważ jest kosztowny i pracochłonny, stosuje się go tylko w naprawdę odpowiedzialnych konstrukcjach.
3. „Pal – popraw – pal” – czyli zrób złącze, sprawdź na modelu, rzuć kilka razy… popraw, odchudź… pogrub… Niby prymitywna i praktycystyczna metoda, ale w dzisiejszych czasach, gdy w kilka godzin można wydrukować tani model 3D, takie podejście jest całkiem sensowne kosztowo i czasowo.
Krótko mówiąc, trzeba zacząć i działać. Podjąć próby i zdobyć własne doświadczenie. To jest prawdziwa wartość w świecie hipokryzji, ideologii i ignorancji. W tym miejscu mówię o ignorancji dotyczącej procesów klejenia oczywiście. Ciągle jest miejsce na rynku, by wykorzystać zalety technologii klejenia i związanego z nią doświadczenia.
Muszę tu dodać kilka słów teorii. Rozmawiając o klejeniu, należy odróżnić adhezję od kohezji.
UWAGA: Model z drukarki 3D nie jest wykonany z tego samego materiału, z którego będziesz produkował! Musisz to uwzględnić w procesie projektowania procesu. Niemniej jednak, po pewnej liczbie doświadczeń z modelem i wykonaniu kilku testów klejenia na kawałkach rzeczywistego tworzywa sztucznego i dobranego do niego kleju, można dość dokładnie oszacować szanse na sukces.
Adhezja to siła łącząca klej z podłożem. Kohezja to wewnętrzna spójność kleju, ale także materiału rodzimego. Jest to ważne przy ocenie zerwania złącza klejonego. Jeśli po zerwaniu złącza widzimy klej na obu łączonych powierzchniach, określamy zerwanie jako kohezyjne, bo pękł sam klej i możemy uznać, że jakość klejenia była właściwa od strony technologicznej. Nie jest to jednak do końca profesjonalna ocena. Często bowiem silny klej, zwłaszcza sztywny, odrywa się właśnie adhezyjnie. I nie ma w tym nic złego. Ważne są siły i warunki, w jakich nastąpiło zerwanie. Zagadnieniem spornym jest ocena, na ile w zniszczonym złączu przyczyną zerwania był niewłaściwy dobór kleju, a na ile niewłaściwie wykonany (lub dobrany) proces klejenia, a zwłaszcza przygotowania powierzchni. Chroniąc się przed zarzutem niedbalstwa, producenci częściej dobierają kleje o niższej kohezji, by zerwanie było właśnie kohezyjne.
Zagrożenia dla połączeń klejonych
Istnieją zagrożenia dla połączeń klejonych, które są znacznie groźniejsze niż obciążenia mechaniczne same w sobie. Mechaniczne obciążenia pozostawiają często widoczne ślady zniszczenia. Jak włamanie dokonane przez amatora, ślady mechaniczne są łatwe do znalezienia i do wskazania winnego. To, co stanowi trudność w technice klejenia, to zerwania samorzutne, wynikające z długotrwałego działania obciążeń mechanicznych w połączeniu ze zmianami temperatur, agresją chemiczną i innymi podobnymi czynnikami.
Starzenie
Złącza klejone ulegają starzeniu. Oznacza to po prostu, że z czasem robią się coraz słabsze, aż do samoczynnego rozpadnięcia się włącznie. Nie jest to zjawisko nagminne, ale jest faktem. Nie wynika ono wyłącznie ze starzenia się samego utwardzonego kleju. Utwardzony klej jest w sumie tworzywem sztucznym, często chemoutwardzalnym, czyli bardzo trwałym „plastikiem”. Zniszczenie złącza może nastąpić z powodu zerwania adhezyjnego w wyniku podciekania wilgoci lub wody. Dlaczego woda miałaby podciekać? Choćby z powodu obecności resztek separatorów lub brudnej powierzchni przed nałożeniem kleju.
Temperatura
Klejenie ma poważne ograniczenie – wysokie temperatury skutecznie niszczą większość złącz (chociaż są przypadki klejenia wytrzymujące temperatury rzędu kilkuset stopni Celsjusza). Wystarczy sklejone złącze potraktować opalarką… Ale zaraz – w tej książce omawiamy klejenie tworzyw sztucznych, a tworzyw nie traktuje się opalarką, chyba że w celu ich zniszczenia lub zespawania. Mamy więc sytuację, w której temperatura nie jest aż tak ważnym ograniczeniem. Jednak zawsze należy ją rozważyć jako czynnik niszczący złącze. Głównie chodzi mi o zmęczeniowe naprężenia złącza, wywołane zmianami temperatury w czasie eksploatacji. Gdy wiemy, że klejone złącze będzie poddane zmiennym temperaturom, a na dodatek mamy do czynienia z tworzywem (PC 67 mm/m·K·10-6) przyklejonym do aluminiowej obudowy (22,2 mm/m·K·10-6), warto zauważyć, że poliwęglan będzie rozszerzał się w przybliżeniu trzykrotnie bardziej! Jeśli nie pozwolimy mu się odkształcić, wprowadzimy wysokie naprężenia, warto się takiej konstrukcji bliżej przyjrzeć pod tym kątem.
Skoro rozmawiamy o odporności klejów na podwyższoną temperaturę, warto wiedzieć, że powszechnie stosowana do usuwania farb i powłok lakierniczych opalarka jest też znakomitym narzędziem do demontażu połączeń klejonych oraz do usuwania utwardzonych warstw obnażonego kleju. Zwłaszcza gdy sklejone elementy są wykonane z metali, ceramiki lub szkła, można je delikatnie i bez śladu rozłączyć, wstawiając konstrukcję do piekarnika lub podgrzewając sklejone miejsce opalarką. Resztki kleju podgrzanego opalarką można zeskrobać jak farbę, a potem przygotować złącze do powtórnego sklejenia, jeśli jest taka potrzeba.
Agresja produktów chemicznych
Połączenia klejone są szczelne – to już wiemy. Pokusa jest więc wielka, żeby za pomocą klejenia zamknąć dostęp produktów chemicznych. Nie mówię wyłącznie o zbiornikach na paliwo – choć tu powiedziałbym ciepło, ciepło… bo połączenia klejone opierają się oparom paliwa choćby na łodziach motorowych. Ważniejsze są inne chemikalia, takie jak opary organicznych wyziewów spowodowanych na przykład bliskością zwierząt. W jakich sytuacjach może do tego dojść? A choćby wtedy, gdy kamera, wyłącznik lub czujnik zostają zamontowane w oborze lub chlewni albo kurniku. Są to środowiska wbrew pozorom bardzo agresywne chemicznie. W dzisiejszych czasach, gdy elektronika i różne elementy z tworzyw zastępują metale i inne tradycyjne materiały, trzeba to poważnie brać pod uwagę.
Wilgoć
Wilgoć jest czasem większym zagrożeniem niż woda w postaci deszczu. Deszcze zwykle kiedyś przestają padać, nadchodzi czas lepszej pogody i wiele zmoczonych deszczem rzeczy wysycha. Inaczej rzecz się ma z wilgocią. Woda skraplająca się w obudowach, lampach, wyłącznikach może spowodować podciekanie i rozklejanie się złącz (fachowcy mówią: delaminację). Proces podciekania jest powolny, ale nieustający. Po kilku latach nagle następują pęknięcia, elementy klejone rozpadają się. Często jest już po gwarancji, ale klient mówi przy zakupie następnego urządzenia: „Tylko nie klejone, proszę!”.
Wady przetwórstwa
Kleje wymagają utwardzenia. Wróćmy na chwilę do teoretycznych podstaw, nie unikniemy tego właśnie tutaj: klej jest płynem. Dla mnie osobiście zawsze jest płynem, nawet jeśli jest to zestalony płyn w granulacie, który trzeba roztopić przed nałożeniem. I po nałożeniu trzeba elementy ustalić. Nie docisnąć, a właśnie ustalić. I poddać procesowi utwardzania. Jednak zawsze jest to proces, który należy przeprowadzić w kontrolowanych warunkach. Obojętnie, czy chodzi o poddanie kleju promieniowaniu UV, czy zostawienie dwuskładnikowego kleju do utwardzenia w piecu termicznym, a nawet zatrzymanie wyrobu na polu odkładczym w temperaturze otoczenia. Wdrożenie i prowadzenie procesu technologicznego dla każdego rodzaju kleju wymaga pełnego zrozumienia jego charakteru i rygorystycznego stosowania opracowanych w laboratorium aplikacyjnym procedur. I tych procedur nie wolno zmieniać bez powtórnego przeprowadzenia całego zestawu badań, które przeprowadzono wcześniej, kwalifikując i walidując proces do wdrożenia.
Klejenie to proces technologiczny!
Niezależnie, czy stosujesz klej w domu do naprawy pękniętych kafelków, czy wdrażasz wklejanie wziernika do pokrywy w obudowie szafy elektrycznej, nie banalizuj tego, co robisz. Chyba że w ogóle nie zależy ci na tym, czy sklejone części po jakimś czasie się nie rozpadną. Przy projektowaniu procesu technologicznego musisz wziąć pod uwagę całą serię decyzji, które należy podjąć przed zaplanowaniem klejenia.
1. Rozważ, czy kształt złącza jest prawidłowy dla klejenia. Nawet jeśli kleisz pęknięte elementy, możesz dołożyć nakładkę, żebro, wstawić jakiś element łączący. Nie maż bez zastanowienia pierwszym z brzegu klejem typu super-glue, narzekając potem, że te wszystkie kleje są do niczego.
2. Zastanów się nad rozkładem naprężeń. Jakie sztuczki możesz zastosować, żeby połączenie stało się przyjazne klejeniu?
3. Jak przygotujesz podłoże przed klejeniem? Wystarczy tylko odkurzyć, czy należy przeprowadzić zaawansowane mycie w rozpuszczalnikach? Może wystarczy przetrzeć papierowym ręcznikiem zwilżonym alkoholem? A może należy zastosować aktywację plazmową albo fluorowanie?
4. Przed doborem kleju zastanów się nad takimi aspektami, jak maksymalna i minimalna temperatura, w jakiej pracować będzie złącze, środki chemiczne, z jakimi będzie miało kontakt (choćby woda). Sprawdź, czy klej wytrzyma w takich warunkach oraz na ile jest w ogóle pomyślany do wykonywania takich połączeń? Prymitywne instrukcje w supermarketach obiecują cuda. Przeczytaj kartę techniczną kleju, przyjrzyj się jego parametrom technicznym realistycznie.
5. Jakie badania złącza należy przeprowadzić, żeby sprawdzić jego własności w długim czasie? Jak zachowa się po pięciu latach? A po piętnastu? Jakim badaniom przyspieszonym należy poddać złącze, żeby symulacja dała realistyczne wyniki wizualizujące rzeczywistość użytkowania wyrobu?
6. Jak będzie wyglądała technologia wykonania złącza? Jak będziesz klej nakładał? Jak go zmieszasz, jeśli wymaga zmieszania? Jak pozbędziesz się bąbli powietrza w złączu? Jak usuniesz wypływki?
Czy klej rodzaju super glue wypełni szczeliny, jeśli mają więcej niż 0,5 mm? Wypełni tylko estetycznie czy będzie miał jeszcze jakąś wytrzymałość? A jeśli elementy są dopasowane, to czy klej silikonowy będzie dobrze trzymał w szczelinie 0,1 mm?
Jeśli projektujesz proces przemysłowy, zastanów się, jakim urządzeniem klej obrobisz. Chodzi o to, że wiele klejów trzeba wymieszać, nałożyć w określonej ilości, podtrzymać zawiesinę, jeśli mają sedymentujące wypełniacze. Może klej trzeba podgrzać, żeby lepiej wpływał w złącze i szybciej wiązał?
Często, by otrzymać estetyczne złącze w widocznym obszarze, warto zastosować nakładanie kleju robotem lub inną maszyną. Tylko tak możemy nałożyć równomierną linię klejenia na całym złączu.
7. Klej będzie musiał zmienić swój stan skupienia – musisz go poddać utwardzeniu. Inaczej cała operacja nie będzie miała sensu, prawda?
Jak więc utwardzisz klej? Jeśli na przykład klej utwardza się przez kontakt z jonami wilgoci, to jak te jony wilgoci się do złącza dostaną? Klejenie dwóch płyt tworzywowych o powierzchni 500 × 500 mm za pomocą silikonu jednoskładnikowego na całej powierzchni może nie mieć sensu. A jeśli wybrałeś superklej epoksydowy utwardzany na gorąco, to czy materiał rodzimy wytrzyma temperaturę wygrzewania kleju?
Jaki piec zastosujesz? Wsadowy czy tunelowy? Jaki profil pieca należy zastosować, żeby proces utwardzania był najbardziej wydajny?
8. Jak ustalisz złączone elementy? Chodzi mi o to, żebyś nie projektował gigantycznych zacisków jak w obuwnictwie do przyklejenia szybki w obudowie, która może utrzymać się na samej lepkości kleju. Klejenie tworzyw sztucznych nie musi być trudne, czasem wystarczy dwie części nałożyć na siebie i zostawić w spokoju. Ale musimy przewidzieć, że w czasie utwardzania kleju elementy mogą się rozpaść choćby pod własnym ciężarem. I nie wolno ich dociskać, jeśli musimy zachować szczelinę 1 mm pomiędzy nimi, wynikającą z rodzaju kleju.
9. Jak długo trzeba poczekać, zanim klej zwiąże? Jak wielkie pola odkładcze są dopuszczalne? Złączone nie do końca utwardzonym klejem, leżące na polu odkładczym wyroby obciążają konto księgowe „produkcja w toku”.
Ile pieniędzy można zamrozić na „produkcję w toku”?
10. W razie reklamacji, jak ustalisz prawidłowość wykonanego 14 miesięcy wcześniej złącza? Jakimi raportami powinieneś dysponować? Jakie parametry powinny być archiwizowane, a jakie tylko obserwowane? Może należy zaplanować obecność kamery archiwizującej obraz i pomiary ilości i położenia kleju „na mokro” jeszcze przed złączeniem elementów?
Może należy zastosować system monitorujący i archiwizujący dane procesu nakładania kleju w czasie jego dozowania?
Te i inne pytania należy zadać, przystępując do procesu klejenia. Jako inżynier nie weźmiesz drutu wyrwanego z płotu lub zbrojenia i nie zastosujesz go jako elektrody do spawania. Tego nauczono cię na uczelni, że są takie obszary jak metalurgia, spawalnictwo, topniki i inne parametry procesu technologicznego.
Niestety, wiele osób przystępuje do klejenia bez zastanowienia, bez ładu i składu, dobierając pierwszy z brzegu (najczęściej najtańszy) klej, bez planowania i bez podstawowej analizy. A warto to rozważyć, bo klejenie jest przyszłością procesów montażu.
[Marek Bernaciak]
AMB Technic
Tekst powyższego artykułu pochodzi z książki Marka Bernaciaka „Klejenie tworzyw sztucznych. Wprowadzenie do technologii”
artykuł pochodzi z wydania 11 (86) listopad 2014
