Erfaringer med den praktiske anvendelse af lim- og klæbeteknologi

Transkript

1 Erfaringer med den praktiske anvendelse af lim- og klæbeteknologi Konstruktion med klæbede samlinger på et sikkert grundlag Præsentation af centerkontrakten CLEA 1

2 Indledning Introduktion til limning af kraftoverførende konstruktioner Danske og internationale succes-konstruktioner Metoder til vurdering af limsamlingers egenskaber => Limning på et sikkert grundlag CASE: Biomega Cykel CASE: ATP-balise, Siemens Præsentation af CLEA Erfaringer og gode råd til brug af klæbeteknologi Indledning - Oversigt 2

3 Metallurgiske undersøgelser og rådgivning Letmetaller, Al, Mg, Ti Skades- og havarianalyse Driftssikkerhed og levetid Akkrediteret materialeanalyse og prøvning Styrkeberegning og rådgivning Sammenføjningsteknik (limning) Antal ansatte ca. 12 Indledning - Præsentation af Center for Materialeprøvning 3

4 Hvorfor opfattes klæbeteknologi som svær og ikke til at stole på? Lim- og klæbeprocesser virker meget simple på udenforstående Der eksisterer mange fordomme om brugen af teknisk limning (Badeværelseskrog) Ved at veje fordele op mod ulemper, viser limning sig at være den perfekte sammenføjningsmetode til nogle produkter samtidig med, at den er uanvendelig til andre produkter Det største problem ved anvendelse af lim- og klæbeteknologi er at verificere langtidsegenskaberne og dermed forudsætningen for design på et sikkert grundlag Introduktion til limning af kraftoverførende konstruktioner 4

5 Miljø Temperaturinterval Salt, fugt (ioner) Tid Korrosionsforhold Levetid Befugtning Adgang til overfladen Ude/indeklima Kendt miljø? Adherend (substrat) Legering Mekaniske egenskaber Varmeudvidelseskoefficient Forbehandling af overflade (slibning, sandblæsning, affedtning, anodisering etc.) * + * + * * + * * + * * + * * Mekanisk belastning Træk, tryk, forskydning, peel, etc. Statisk, dynamisk, stød Belastningsniveau Belastningstid Arbejdsmiljø Opløsningsmidler, Allergifremkaldende stoffer Limkursus Sikkerhed Ventilationsudstyr Fuge og lim Limvalg Geometrisk udformning Fugeareal Kantafslutning Varmeudvidelseskoefficient Hærdetid Procedure for limpåføring Limfordeling Kontrol (NDT) Introduktion til limning af kraftoverførende konstruktioner - Faktorer med betydning for gode og holdbare klæbede samlinger 5

6 Bemærk, at spændingsniveau et ikke er konstant hen over limfugen Bemærk at sammenlimning af forskellige materialer øger spændingskoncentrationen Max spændingsniveau ved enderne bestemmer samlingens styrke Middelspændingsniveau et angiver modstand mod krybning Introduktion til limning af kraftoverførende konstruktioner - Limsamlingers mekanik 6

7 Spørgsmål: Hvorfor anvende gamle håndtegnede principskitser som udgangspunkt for nutidige samlingsudformninger Svar: Med udgangspunkt i principskitser kan limsamlingers mekanik positivt indbygges uden anvendelse af komplicerede beregningsprogrammer o.lign. Introduktion til limning af kraftoverførende konstruktioner - Grundprincipper for samlingsudformning 7

8 Findes der eksempler udenfor luft- og rumfartsindustrierne som har haft succes med at anvende klæbeteknologi? Danske og internationale succes-konstruktioner - Indledning 8

9 Lotus Elise, Limet ALU-chassis fremstillet i Danmark Introduceret i komponent epoxy, varmehærdende Danske og internationale succes-konstruktioner - Lotus Elise 9

10 Panoz Esperanté, boltet og injektions-limet ALU-chassis Introduceret i Methylmethacrylate, 2 komponent, hærder på få minutter ved stuetemperatur Danske og internationale succes-konstruktioner - Panoz Esperanté 10

11 Lastesystem til overførsel af bøjletøj til ophæng i lastbiler Fremstillet af sammenlimede ALUprofiler Længde 18 m. Leveret til , 4 stk. i drift i DK 3 forskellige profiler, 8 limfuger Danske og internationale succes-konstruktioner - Lastesystem 11

12 Lygtepæle fremstillet af sammenlimede ALU-profiler Opstillet ved Den sorte diamant i København i 1999 (før stormen!!) Højde 12 m 2 komponent epoxy, hærder ved stuetemperatur 3 profiltyper, 4 limsamlinger + forstærkning ved 90 vinkel Danske og internationale succes-konstruktioner - Lysmaster, Arkitekt Firmaet Schmidt, Hammer og Lassen K/S og Philips Lys A/S 12

13 Milewide vejudstyr Lygtepæle fremstillet af ekstruderet ALU med pålimet støbt ALU fod Højde op til 10 m Opstillet 1998 Danske og internationale succes-konstruktioner - Milewide vejudstyr, Hydro Aluminium Vik Verk A/S 13

14 Hvordan kan man lime på et sikkert grundlag? Miljø * + * + * * + * * + * * + * * Mekanisk belastning Adherend (substrat) Fuge og lim Arbejdsmiljø Limning på et sikker grundlag - metoder til evaluering af klæbede konstruktioner - Indledning 14

15 Virksomhed med limproblematik Ønske om Produktudvikling og Produktion med Klæbeteknologi Produktudvikling og produktion med klæbeteknologi Videnscenter (Teknologisk Institut) Rådgivning, Beregning, Ældning, Prøvning og Dokumentation Limleverandør Kendskab til korrekt anvendelse, samt fordele og ulemper ved alle limtyper. Stor erfaring fra tidligere anvendelser. Limning på et sikker grundlag - metoder til evaluering af klæbede konstruktioner - Samarbejdsmodel for små og mellemstore virksomheder 15

16 Teknologisk Institut anvender bl.a. følgende metoder til at verificere limsamlingers egenskaber Dimensionering af samlinger (håndberegninger og FEM) Standardafprøvning (mekanisk prøvning) Produktafprøvning (mekanisk prøvning) Langtidsafprøvning (evt. accelereret ældning) Karakterisering af polymermaterialer f.eks. med Dynamisk Mekanisk Analyse Kemiske analyser (nedbrydning, kemisk sammensætning, udhærdningsforløb etc.) Overfladeanalyse (karakterisering af overflader før limning, sporing af uønskede stoffer, måling af kontaktvinkler m.m.) Undersøgelse af limsamlinger i stereoeller Elektronmikroskop (SEM) SEM - EDAX analyse Fyldstof - SiO 2 - (kvartsglas) Epoxy matrix Dynamisk Mekanisk Analyse Limning på et sikker grundlag - metoder til evaluering af klæbede konstruktioner - Oversigt 16

17 Standardprøvning På små og billige prøveemner udføres en lang række standardprøver. Prøverne bruges til at kontrollere og sammenligne forbehandlinger, limprodukter, etc. Standardprøvninger udføres i henhold til internationale standarder og anvendes bl.a. til at bestemme følgende karakteristiske: Forskydningsstyrke Peelstyrke Udmattelsestyrke Krybestyrke Korrosionsegenskaber Effekt af overfladebehandling Standardprøvningerne kan udføres under DANAK Akkreditering nr. 53. Produktafprøvning Produktafprøvning udføres individuelt under hensyntagen til det aktuelle produkts normale brug og evt. gældende produktstandarder. Eksempler på produkter, hvis egenskaber er blevet verificeret Butiksskilte Propper til vinflasker Styrtbøjler ATP Beslag til glaslåger Stole Lygtepæle Produktafprøvninger giver producent og kunde den bedste sikkerhed for, at konstruktionen kan klare de forventede belastninger Limning på et sikker grundlag - metoder til evaluering af klæbede konstruktioner - Mekanisk prøvning 17

18 Limsamlinger ændrer egenskaber (ældes) under drift Som forudsætning for at kunne skabe et sikkert design grundlag, er det vigtigt, at finde samlinger, der er ufølsomme overfor den aktuelle belastningssituation (mekanisk, kemisk etc.) Ud fra sammenlignelige tests er det muligt at finde den bedste kombination af lim, overfladebehandling, samlingsudformning etc. Det er som regel ikke muligt at omsætte et accelererede ældningsforløb til en præcis levetid for en limsamling Limning på et sikker grundlag - metoder til evaluering af klæbede konstruktioner - Accelereret ældning 18

19 Klimaskabe: Programmerbare (standardiserede) cykler for Temperatur og Luftfugtighed Salttåge: Konstant Saltåge, Konstant Temperatur Prohesion test: Cyklisksalttåge, Salt spray ved 20 C, 100% RH Tørring ved 35 C, 30-40% RH Weather-Ometer test: Temperatur, Fugt, Vand påsprøjtning, UV-lys Termorudeprøvning: Temperatur, Lufttryk, Luftfugtighed, UV-lys, Vand påsprøjtning Ultraviolet lys Konstant kraftigt UV-lys Mekanisk prøvning: Pålægning af miljø (feks. temperatur og Salttåge) samtidig med f.eks. dynamisk trækprøvning Limning på et sikker grundlag - metoder til evaluering af klæbede konstruktioner - Metoder til acceleret ældning 19

20 Case I: Hvordan der er skabt sikkerhed for egenskaberne i en konstruktion med kritiske klæbesamlinger Cykelstel fremstillet af superplastisk formgivne ALU-plader, som er limet sammen. For yderligere detaljer se Biomega Cykel, MN02 - Indledning 20

21 Udvikling af revolutionerende cykel til salg på verdensmarkedet via internettet. Der skal anvendes de bedste komponenter og den sidste nye produktionsteknologi Designet skal være opsigtsvækkende Stellet skal udgøres af superplastisk forgivne ALU plader, der skal limes sammen Cyklens egenskaber skal simuleres inden bestilling af formværktøjer Der skal vælges lim, forbehandling og overflade finish Ældning af cykelstel, skal afsløre svagheder overfor normalt forekommende mekaniske og kemiske belastninger Funktionsprøvning Finansiering Biomega Cykel - Problemformulering 21

22 Design Mark Newson Lim: 1-komponent epoxy, varmehærdende Forbehandling: Chromsyre anodisering FEM analyse af cykelstel Ældningsprocedure: Kombination af Termorudeprøvningsprocedure og prohesiontest Dynamisk udmattelsesprøvning efter ældning. Resultat: Ingen nævneværdige ændringer af egenskaber for ældede stel i forhold til reference stel Finansiering: Opstartsmidler bevilliget via Teknologisk Innovation Resultat: Da MN01 blev sat i produktion var der opnået kendskab til korttids- og langtidsegenskaberne og dermed skabt sikkerhed for cyklens funktion Biomega Cykel - Løsningsmetoder 22

23 Case II: Hvordan der er skabt sikkerhed for egenskaberne i en konstruktion med kritiske klæbesamlinger Togskinne ATP-Balise ABS plast skjold limet sammen med ALU-plade Svelle Siemens, ATP-Balise (Automatic Train Protection) - Indledning 23

24 Skjold af ABS-plast limes på ALU-plade Vibrationsdæmpende sammenføjning Driftstemperaturer fra -40 til +60 C Høj sikkerhedsklasse Vandtæt forsegling af elektronik (med limfuge) Valg af egnede lime og forbehandlinger Design af samlings udformning Planlægning af testprocedure Fremstilling af prøveemner og test af disse Dokumentation for funktion af limsamling Siemens, ATP-Balise - Problemformulering 24

25 Limvalg: MS polymer (elastisk lim, fugt hærdende, fri for opløsningsmidler og isocyanater) Limfugetykkelse på 3 mm er valgt ud fra limleverandørens forskrifter. Forbehandling af ALU: Anodisering og sealing, oxidtykkelse ca. 20µ Forbehandling ABS-plast: Affedtning og påføring af Primer Prøveemner er udformet med udgangspunkt i DS/EN LxBxH 150x25x4, overlap 12 mm. Emnerne limes som paneler, der efter udskæring giver 5 prøveemner pr. panel Limning og forbehandling er foretaget af den underleverandør, der skal udføre den efterfølgende produktion af limsamlinger (sikring af kvalitet) Trækprøvning ved -40 C og +60 C Siemens, ATP-Balise - Løsningsmetode 25

26 Resultater fra målinger på ALU/ALU og ABS/ABS limsamlinger ALU/ALU emner Prøvenummer Temperatur [ C] Brudstyrke [N] Brudform Kohæsivtbrud i lim Kohæsivtbrud i lim Kohæsivtbrud i lim Kohæsivtbrud i lim Kohæsivtbrud i lim ABS/ABS emner Prøvenummer Temperatur [ C] Brudstyrke [N] Brudform Kohæsivtbrud i lim Kohæsivtbrud i lim Adhæsivt brud* Adhæsivt brud* Adhæsivt brud* *Brud i interface mellem lim og ABS Siemens, ATP-Balise - Verificering af samlingens egenskaber ved trækprøvning 26

27 Center for Lette og Elegante konstruktioner af Aluminium med klæbeteknologi - CLEA ( Vision: Mission: Målsætning: Et sikkert grundlag for design og klæbning af aluminium skal være tilgængeligt for alle virksomheder Bidrage til, at dansk industri fastholder og udbygger den eksisterende know how på design og konstruktion med aluminium og klæbeteknologi Demonstrere tekniske-, design- og kommercielle muligheder med klæbeteknologi Opbygge kompetence og videnberedskab som dækker centrale aspekter i relation til industriel anvendelse af klæbeteknologi Bidrage til, at industrien får adgang til veluddannet arbejdskraft igennem samarbejde med uddannelsessektoren Præsentation af CLEA 27

28 ALU-B7 Firma XXX Bent Falk Design Tidsperiode 1. januar April 2002 Budget: Total kr, heraf kr. i tilskud fra Erhvervsfremme Styrelsen. Info om projektet og partnerne kan findes på Præsentation af CLEA - Partnersammensætning 28

29 Opbygning af et demonstrationseksempel, hvori der indgår aluprofiler, kraftoverførende limsamlinger, dynamiske belastninger og aggressivt kemisk miljø. Industrielt limarbejde i fuldskala påbegyndes medio november 2001 (Demonstrationseksemplet produktudvikles hos Firma XXX og hemmeligholdes indtil januar 2002) Udvikling af prøvningsmetoder til verificering af dynamisk belastede limsamlingers egenskaber, herunder karakterisering af nedbrydningsgrad som følge af ændringer i stivhed og hysterese. Stort ældningsforsøg er sat i gang. De første resultater herfra forventes medio februar E 0 = 98 N/my E n = 70 N/my E 0 = 52 N/my E n = 42 N/my Præsentation af CLEA - Indsatsområder I 29

30 Udvikling af interaktivt værktøj til valg af lim, der tager udgangspunkt i kravspecifikationen til en limsamlingen, demo forventes Eksempelsamling der anviser design- og konstruktionsregler for samling af ekstruderede alu-profiler, 1. udgave præsenteres Afprøvning af NDT metoder til karakterisering af limsamlinger i industriel produktion. Ultralyd og termografi er afprøvet i laboratoriemiljø. Videnspredning til undervisningssektoren. Der er gennemført 4 afgangsprojekter og der er p.t. 5 studenterprojekter i gang. Nyt undervisningsmateriale målrettet til design studerende forventes præsenteret Undervisningsmateriale målrettet mod ingeniør uddannelserne forventes præsenteret ultimo december Ultralydsscanninger af sammenlimede ALU-plader Lim Ingen lim (luftlomme) Præsentation af CLEA - Indsatsområder II 30

31 Fordele Gode udmattelsesegenskaber Mulighed for at samle forskellige materialer (f.eks. Alu mod plast el. stål) Gode dæmpningsegenskaber Problemer med galvanisk korrosion kan reduceres Vægtreduktion (specielt i forhold til mekaniske samlinger) Gas- og væske tætte samlinger Problemer med svejsedeformationer og varmepåvirkede zoner elimineres Skjulte og elegante samlinger Ulemper Anvendelse af klæbeteknologi kræver indsigt Styrke og stivhed forringes væsentligt ved forhøjede temperaturer Mulighed for nedbrydning af limfuger i aggressive miljøer samt i varmt/fugtigt miljø Limningsprocessen kræver speciel forbehandling af overflader, specielle f'iksturer, samt evt. varmetilførsel Ikke destruktiv inspektion af limfuger (NDT) er vanskelig Iagttagelse af specielle forholdsregler vedrørende arbejdsmiljø og beskyttelse af medarbejdere er oftest påkrævet Evaluering af klæbeteknologien - Fordele og ulemper 31

32 Udnyt klæbesamlingernes fordele, hvor det er muligt og glem denne teknologi i alle andre situationer Tænk i helheder (konstruktionsudformning, forbehandling, lim, limning, kvalitetskontrol, reparation, økonomi, arbejdsmiljø, etc.) Ved skift fra en konventionel sammenføjning (svejsning boltning etc.) til klæbeteknologi skal der som regel gennemføres en del konstruktionsændringer Gennemfør en produktafprøvning, der giver sikkerhed for konstruktionens egenskaber Brug aldrig en stivere lim end nødvendigt. Reducer spændingskoncentrationer og konstruer således, at peel spændinger minimeres eller undgås Evaluering af klæbeteknologien - Erfaringer og gode råd 32

33 Spørgsmål kan rettes til: Teknologisk Institut, Center for Materialeprøvning Kongsvang Allé Århus C Att. Tlf. dir.: claus.erichsen.kudsk@teknologisk.dk Kontakt 33