Limning af aluminium Konstruktion med klæbede samlinger på et sikkert grundlag. Præsentation af centerkontrakten CLEA

Transkript

1 Artikel til Dansk Metallurgisk Selskab - Vintermøde 2001 Limning af aluminium Konstruktion med klæbede samlinger på et sikkert grundlag Præsentation af centerkontrakten CLEA Civilingeniør Claus Erichsen Kudsk Teknologisk Institut, Center for Materialeprøvning Teknologisk Institut Center for Materialeprøvning Tlf..: Kongsvang Allé 29 Hjemmeside: Århus C claus.erichsen.kudsk@teknologisk.dk CEK 1

2 Abstract, English Presentation of the main subjects of the general evaluation of adequate bonded joints with adhesive bonding, based on a practical engineering approach. An introduction to different types of adhesives and methods of calculation applicable for structural joints are given. Presentation of accelerated ageing, testing and verification of short- and long-term effects of bonded joints in relation to the ongoing work carried out at Danish Technological Institute. Practical application of adhesive bonding in an aluminium bicycle frame are demonstrated in a case carried out by the company Biomega. Presentation of CLEA (Centre for Light and Elegant structures of Aluminium with adhesive bonding technology) Abstrakt, Dansk Med udgangspunkt i en praktisk ingeniør mæssig anvendelse af klæbeteknologi, præsenteres hovedpunkterne i den helhedsvurdering som må lægges til grund for udformning af tilstrækkeligt gode sammenføjninger med klæbeteknologi. Der gives en kort introduktion til de forskellige limtyper og beregningsmetoder som kan anvendes til strukturelle samlinger. Accelereret ældning, prøvning, og verificering af klæbesamlingers kort- og langtidsegenskaber gennemgås med baggrund i det arbejde, der løbende udføres på Teknologisk Institut. Praktisk anvendelse af klæbeteknologi i en aluminium konstruktion, demonstreres med en case fra cykel producenten Biomega. Centerkontrakten CLEA præsenteres (Center for lette og elegante konstruktioner af aluminium med klæbeteknologi) CEK 2

3 Indholdsfortegnelse 1 INDLEDNING EKSEMPLER PÅ ANVENDELSE AF ALUMINIUM OG KLÆBETEKNOLOGI SAMMENFØJNING AF ALU MED KLÆBETEKNOLOGI, FORDELE OG ULEMPER UDFORMNING AF LIMSAMLINGER I ALUMINIUM HELHEDSBETRAGTNING LIMTYPER Anaerober UV hærdende Akryllater Cyanoakrylater Epoxier Polyurethaner Silikoner Tape FORBEHANDLING AF ALUMINIUM INTRODUKTION TIL LIMSAMLINGERS MEKANIK Analytiske metoder Numeriske metoder ACCELERERET ÆLDNING PRØVNING (MEKANISK) Standardprøvninger Produktafprøvning CASE: UDVIKLING OG TEST AF BIOMEGA MN01 CYKLEN CLEA GODE RÅD OG ERFARINGER MED KLÆBETEKNOLOGI LITTERATURLISTE APPENDIX A SÅDAN KOMMER DU I GANG MED LIMNING OG KLÆBNING (DEN KORTE VERSION) CEK 3

4 1 Indledning Limning er som sammenføjningsproces i stadig udvikling og den gængse opfattelse af, hvad limning kan bruges til er derfor også under hastig forandring. Der er i dag mange vanskeligheder af teknisk såvel som holdningsmæssig, miljømæssig og videnmæssig karakter, som stiller sig hindrende i vejen for at anvende klæbeteknologi. Med denne artikel er det hensigten at bidrage med information om resultater og metoder, der kan understøtte og inspirere virksomheder til at udnytte klæbeteknologi på et sikkert grundlag. Der eksisterer mange negative fordomme om brugen af teknisk limning. Mange har f.eks. prøvet at montere en håndklædekrog med dobbeltklæbende tape og set at både krog og håndklæde, efter stykke tid, falder ned. Grunden til at krogen falder ned er hverken p.g.a. dårlig tape, sjusket forbehandling eller for stort en badehåndklæde, men som regel nærmere fordi krogen er konstrueret grundlæggende forkert (der opstår store peelspændinger, der fører til brud). Limning har således fået et udbredt negativt omdømme baseret på forkert anvendelse af teknologien. Ved grundigt at veje fordele op mod ulemper, viser klæbeteknologi sig imidlertid at være den perfekte sammenføjningsmetode til nogle produkter samtidig med, at være uanvendelig til andre produkter. En passende kritisk indstilling er derfor nødvendig. Aluminium kan i kraft af ekstruderingsteknikken fremstilles i profiler med et næsten vilkårligt tværsnit. Dette kombineret med den lave vægt og muligheden for at fremstille meget attraktive overflader gør, at aluminium er et mere og mere interessant materiale i forbindelse med design produkter. Ved anvendelse af klæbeteknologi kan der skabes skjulte eller synlige samlinger, som evt. kan indfarves i kontrastfarver. Anvendelse af aluminium og klæbeteknologi giver nogle nye og attraktivt muligheder for designere. I transportsektoren er lav vægt ofte afgørende. Aluminium er pga. den lave massefylde et mere og mere brugt materiale i biler og har det har været anvendt i flyproduktion i mange år. Med korrekt anvendelse af klæbeteknologi kan der skabes stærkere og lettere ALUkonstruktioner end med konventionelle sammenføjning med f.eks. svejsesømme eller bolte. 1.1 Eksempler på anvendelse af aluminium og klæbeteknologi Aluminium og klæbeteknologi anvendes i fly og lignende eksotiske konstruktioner. De regler og retningslinier der anvendes i den sektor er grundet prisen uanvendelige i de fleste danske industrier. Det er meget begrænset, hvad der derudover findes af egnede retningslinier. De følgende eksempler er derfor derfor udviklet ved anvendelse af den forhånden værende know how suppleret med en omfattende prøvning. Selv på dette grundlag er det utroligt hvad teknologien har kunnet bruges til og det kun fantasien der sætter begrænsningerne for nye anvendelses områder. Gulve til minibusser, hvor hulrum i de ekstruderede gulvprofiler anvendes til at cirkulere varmt vand til opvarmning. Dette patenterede gulv limes ovenpå minibussens eksisterende stålplade gulv. Ekstruderede T-spor på gulvets overside anvendes til varieret montering af stole og andet inventar. Opsigtsvækkende cykel med et designkonceptet basseret på sammenlimning af superplastisk formgivne ALU-skaller. Se afsnit 3. Sportsvognen Lotus Elise, hvor chassis et opbygges af sammen limede ALU-profiler, se Figur 1. CEK 4

5 Figur 1 Lotus Elise sportsvogn. Chassis et er fremstillet af sammenlimede ALU profiler. 1.2 Sammenføjning af ALU med klæbeteknologi, Fordele og Ulemper 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 undgås Mulighed for skjulte og elegante samlinger Ulemper 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 2 Udformning af limsamlinger i aluminium 2.1 Helhedsbetragtning Der er mange faktorer, der har indflydelse på, hvorledes styrken i en limsamling påvirkes over tid. Figur 2 ses en række af disse. Der fokuseres typisk i litteraturen på enten en polymér kemisk, en overfladefysisk eller en makromekanisk indgang til forståelse af betydninngen af de forskellige parametre. CEK 5

6 I det praktiske arbejde med udvikling og produktion med limsamlinger er det nødvendigt at få styr på samtlige parametre. På baggrund af en kravspecifikation kan der dannes et helhedsbillede af, hvilke parametre, der påvirker den aktuelle samling mest. Herved afdækkes mulighederne for effektivt, at forebygge kritisk styrkereduktion af samlingen. Miljø Temperaturinterval Salt, fugt (ioner) Tid Korrosionsforhold Levetid Befugtning Adgang til overfladen Ude/indeklima Kendt miljø? * + * + * * + * * + * * + * * Mekanisk belastning Træk, tryk, forskydning, peel, etc. Statisk, dynamisk, stød Belastningsniveau Belastningstid Adhærant (substrat) Legering Mekaniske egenskaber Varmeudvidelseskoefficient Forbehandling af overflade (slibning, sandblæsning, affedtning, anodisering etc.) Arbejdsmiljø Opløsningsmidler, Allergi fremkaldende stoffer Limkursus Sikkerhed Ventilationsudstyr Fuge og lim Limvalg Geometrisk udformning Fugeareal Kantafslutning Varmeudvidelseskoefficient Hærdetid Procedure for limpåføring Limfordeling Kontrol (NDT) Figur 2 Faktorer typisk har indflydelse på styrken i en limsamling. Den bedste måde til at komme i gang med klæbeteknologi og få skabt overblik vil for mange små og mellemstore virksomheder være ved at indgå i et samarbejde, hvor kompetence og erfaring findes i forvejen. Vi har været involveret i en del kunde opgaver der er løst efter nedenstående model. CEK 6

7 Virksomhed med limproblematik Ønske om Produktudvikling og Produktion med Klæbeteknologi Produktudvikling og produktion med klæbeteknologi Videnscenter (Teknologisk Institut) Rådgivning, Beregning, Ældning, Prøvning og Dokumentation Limleverandører Kendskab til korrekt anvendelse samt fordele og ulemper ved alle limtyper. Stor erfaring fra tidligere anvendelser. Figur 3 Samarbejdsmodel, der med fordel kan anvendes ved løsning af klæberelaterede problemer i små og mellemstore virksomheder. 2.2 Limtyper Der findes et meget stort antal kommercielt tilgængelige lime på markedet. Hver leverandør har sine varianter og sine produktnavne og det kan være meget svært at skelne mellem de forskellige typer. De mange egnede lime til strukturelle anvendelser indeles typisk i de nedenstående grupper. Der er knyttet nogle få nøgleord til hver gruppe, men det må understreges at alle grupper er meget brede og indeholder lime med meget forskellige egenskaber For yderligere information om de enkelte lime henvises derfor til leverandørerne Anaerober Tyndtflydende 1-komponent lime, der hærder ved fravær af luft. Bruges bl.a. til gevindlås og andre sammenføjninger, hvor der er meget god pasform mellem adhæranterne. Sprød lim med begrænset styrke UV hærdende De UV-hærdende lime har en indbygget hærdemekanisme, der aktiveres ved påvirkning med kraftigt UV-lys. De hærder herefter hurtigt op og er derfor lette at styre og således velegnede til produktionsformål. Der er et krav at alle limfuger er meget tynde og at den ene adhærant er gennemsigtig. UV-hærdende lime er derfor meget brugt i forbindelse med limning på glas Akryllater Af mange akryl baserede lime findes en interessant gruppe, hvor limen påføres den ene adhærant samtidig med at hærderen (activator en) påføres den anden. Hærdeprocessen startes når de to adhæranter samles. Høj styrke, produktions venlig og krav om tynde tynde limfuger Cyanoakrylater Meget tyndtflydende lime, der også kendes som sekund lime. Fugthærdende, begrænset styrke, stor kærvfølsomhed, meget tynde limfuger og meget kort udhærdningstid. Bruges til smykker og div. sammen føjninger i gør det selv regi. CEK 7

8 2.2.5 Epoxier Findes som 1- og 2-komponent lime. Der kan opnås meget høje styrker. Epoxylime bruges bl.a. til Biomega Cyklen og til de mest krævende flykonstruktioner Polyurethaner Findes som 1- og 2-komponent lime, der er hhv. fugt- og varmehærdende. Specielt er de enkomponent, fugthærdende polurethaner interessante for sammenføjning af aluminium. De giver en elastisk fuge med beskeden styrke, men som er god til at optage vibrationer, reducere spændingskoncentrationer og sammenlimning af komponenter med meget varierende fremstillingstolerancer Silikoner Silikonelimene giver bløde og elastiske limfuger med lav styrke. Kan anvendes ved temperaturer op til 200 C vedvarende og op til 350 C kortvarigt. Bruges også til fremstilling af akvarier til fisk mm Tape Meget trægtflydende lim, der hæfter ved montering, men først er hærdet fuldt op efter stykke tid, typisk 24 timer. Let at montere, god styrke, god til at optage dynamiske belastninger, men forholdsvis dyr sammenføjning. 2.3 Forbehandling af aluminium En god og holdbar limning er afhængig af en solid og stabil overflade at binde på. Aluminium danner naturligt en svag og porøs oxid hinde når metallet kommer i kontakt med atmosfærisk luft. Ved limning direkte på den naturlige oxidhinde kan fugt trænge ind under limfugen i den porøse oxid. Ved korrosionsangreb af denne type ødelægges limfugens fæste og samlingen bliver derfor svagere med tiden. Som forbehandling af aluminium kan der derfor vælges 2 forskellige strategier: 1) Fjernelse af oxidfilmen og limning direkte på grundmaterialet (evt. med primer) 2) Forstærkning af oxidfilmen ved f.eks. anodiseringsprocesser. (evt. med primer) Ved anvendelse af en primer forbedres overfladens vædningsevne, samlingens korttids styrke øges og indtrængning af fugt i interface et mellem lim og adhærant forhindres. Ringeste styrke- og langtidsegenskaber Original valse- eller ekstruderings overflade Slibning Sandblæsning Chromatering (dyppeproces) Chrom/svovlsyre-syre ætsning (f.eks. FPL etch primær som forbeh. til limning) Svovlsyre anodisering Chromsyreanodisering Phosphorsyreanodisering (+ primer) Bedste styrke- og langtidsegenskaber Figur 4 Effekten af forskellige forbehandlinger på aluminium før klæbning. CEK 8

9 2.4 Introduktion til limsamlingers mekanik Det er almindeligt kendt, at en faststofmekanisk beskrivelse af spændingssiuationen i en simpel enkelt overlap samling er meget kompliceret. Middel forskydningsspændingen (pålagt last divideret med det samlede limfugeareal) beskriver på ingen måde den virkelige spændingstilstand i limen. Middel forskydningsstyrken opgives ofte som den eneste styrkeværdi af limproducenterne. Der opfordres derfor til at anvende disse værdier med omhu. Eurokode 9: Aluminiumskonstruktioner del I-I [6], behandler sammenføjning med klæbning meget kortfattet. Der foreskrives en karakteristisk max. tilladelig middelforskydningsspænding, der for varmehædet epoxy opgives til 35 N/mm 2. Den tilladelige design spænding findes ved at reducere med en materialefaktor på γ Ma = 3. I Eurocode 9: Alminiumkonstruktioner Del II angives en relativ S-N kurve for en enkelt overlap samling. Figur 5 Enkelt overlap samling. Bemærk den meget uensartede deformation af limfugen. Som følge heraf bliver spændingssituationen ligeledes meget uensartet. Figur 6 Principiel spændingsfordeling i en enkelt overlap fuge. Bemærk, at spændingsnivau et ikke er konstant hen over limfugen og at det stiger meget mod fuge enderne. CEK 9

10 Figur 7 Sammenlimning af forskellige materialer. Bemærk at spændingskoncentrationen øges. Ved strukturel dimensionering af limsamlinger skal man være opmærksom på følgende [2]: Max spændingsnivau ved enderne bestemmer samlingens styrke Middelspændingsnivau et angiver modstand mod krybning Den geometriske udformning af endeafslutningen har stor indflydelse på spændingssituationen. Spændingsniveauet kan derfor reduceres betydeligt ved at udforme fugeenderne rigtigt [2]. Ved praktisk dimensionering kan man spørge: "Hvorfor anvende litteraturens gamle håndtegnede principskiter som udgangspunkt for moderne samlingsudformninger", se Figur 8. Svaret hertil vil da være at man med udgangspunkt i principskitserne kan udnytte limsamlingernes mekanik rigtigt uden anvendelse af komplicerede beregning o.lign. Figur 8 Eksempel på typisk anvisning af korrekt anvendelse af klæbeteknologi for en række standard samlinger [2]. CEK 10

11 2.4.1 Analytiske metoder Volkersen lavede i 1938 en analytisk spændingsanalyse af en enkelt overlap fuge Shear lag analysen, der bygger på antagelser om, at limen udelukkende deformeres i forskydning, mens adhæranterne udelukkende deformeres i enakset træk. Beregningsudtrykkene er forholdsvis simple, men antagelserne er generelt for grove og resultaterne afviger meget fra eksperimentelt opnåede værdier. Goland Reisner arbejdede videre med Volkersens ideer og udbyggede dem. Det moment, der opstår når en enkelt overlap samling belastes medfører en vinkeldrejning i samlingen. Deformationerne er derfor ikke proportionale med belastningen og der opstår en geometrisk uliniaritet i samlingen. Det klassiske arbejde udført af Goland Reisner (1944) har vinkeldrejningen og ulineariteten indbygget og resultaterne afviger mindre fra eksperimentelt opnåede værdier. Denne metode er også blevet udbygget og forbedret siden. Goland Reisner s ligningssystemer er komplicerede at bruge i praktisk konstruktionsarbejde, men de giver en god fornemmelse for, hvilke designændringer, der vil medføre en ønsket effekt. De fleste analytiske løsninger er udledt for meget simple geometrier som f.eks. enkelt overlap samlinger. De konstruktioner, der skal regnes på i virkeligheden er ofte mere komplicerede og en række antagelser og overslag er derfor nødvendige for at tilpasse resultater fra standardsamlingerne. God vedhæftning og ensartede egenskaber af limen overalt i fugen antages som regel f.eks. også selv om dette kun vil være tilnærmelsesvist være sandt i en virkelig samling Numeriske metoder Finite Element Metoden har været meget anvendt til analyse af effekten af forskellige geometriske udformninger som fugeafslutninger, fugetykkelser etc. Metoden fungere fint på plane problemer modelleret med skive elementer. I det generelle 3D tilfælde, hvor det f.eks. ønskes at modellere en limfuge med en tykkelse på 0,2 mm løber en moderne 600MHz Pentium PC med 500MB RAM og 20GB HD imod en øvre kapacitetsgrænse ved modellering af en limfuge på 1-2 cm 2 Det generelle 3D tilfælde kan løses ved at modellere limfugen med lineære fjedre og via knudekræfterne i disse bestemme spændingssituationen i limen. Denne løsningsstrategi er ikke standardprocedure i FEM programmerne og kræver derfor noget programmeringsarbejde. Der findes kommercielt tilgængelige programmer med specialiserede beregningsmoduler for standardlimsamlinger. Disse programmer bygger også på anvendelse af fjederanalogier. 2.5 Accelereret ældning Polymér materialer ændrer egenskaber (ældes) under drift og som sådan også strukturelle limsamlinger. For at kunne skabe et sikkert design grundlag er det en forudsætning, at ældningsmekanimerne kendes. I praksis tilstræbes, det at finde samlinger, der er ufølsomme overfor den aktuelle belastningssituation (mekanisk, kemisk etc.) og at dokumentere det igennem et testforløb. På baggrund af sammenlignelige tests er det muligt at finde den bedste kombination af lim, overfladebehandling, samlingsudformning etc. Det viser sig som regel også, at denne samling ikke påvirkes nævneværdigt af de pålagte belastninger (mekanisk, kemisk etc.) og at den derfor er tilstrækkelig god. CEK 11

12 Det er som regel ikke muligt at omsætte et accelererede ældningsforløb til en præcis levetid for en limsamling Teknologisk Institut råder over en del udstyr til acceleret ældning. Herunder bl.a.: Klimaskabe: Programmerbare (standardiserede) cykler for Temperatur, Luftfugtighed Salttåge: Konstant saltåge, Konstant Temperatur Prohesion test: Salttåge, Salt spray ved 20 C, 100% RH Tørring ved 35 C, 30-40% RH (Nordtest projekt nr ) WeatherOmeter Temperatur, fugt, vandpåsprøjtning, UV-lys Termorudeprøvning: Temperatur, Lufttryk, Luftfugtighed, UV-lys, Vandpåsprøjtning (DS ) Prøvning: Pålægning af miljø (temperatur og f.eks. Salttåge) samtidig med dynamisk trækprøvning Figur 9 Dynamisk Prøvning af standard emne i salttåge Figur 10 Dynamisk Prøvning af standard emne i salttåge 2.6 Prøvning (mekanisk) Som led i kvalitetskontrollen for alle strukturelle limsamlinger, bør der indgå destruktive tests af udvalgte komponenter. De antagelser, der er gjort i konstruktionsprocessen f.eks. mht., opnåelig styke og stivhed kan herved eftervises. På Teknologisk Institut arbejder vi bl.a. i CLEA projektet med at finde værktøjer til at designe og optimere limsamlinger. I den forbindelse konstaterer vi gang på gang, at de produktions usikkerheder, der indføres med klæbeteknologi, gør at produktudvikling med avancerede FEM beregninger o.lign. altid må understøttes af prøvningsserier. Til prøvningsformål råder Teknologisk Instituttet over en avanceret udstyrspark med statiske og dynamiske prøvemaskiner Standardprøvninger På små, simple og derfor 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 udføres under DANAK Akkreditering nr. 53. Figur 11 Prøvning af standard emne CEK 12

13 2.6.2 Produktafprøvning Produktafprøvning udføres individuelt under hensyntagen til det aktuelle produkts normale brug og evt. gældende produktstandarder. Herunder ses eksempler på meget forskellige produkter, hvis egenskaber er blevet verificeret: Butiksskilte Propper til vinflasker Styrtbøjler ATC balise (Automatic Train Control) Beslag til glaslåger Stole Produktafprøvninger giver producent og kunde den bedste sikkerhed for, at konstruktionen kan klare de forventede belastninger. 3 Case: Udvikling og test af Biomega MN01 cyklen Denne case omhandler udvikling af en revolutionerende cykel til salg på verdensmarkedet. Cyklen tænkes solgt via designforretninger og via internettet. Der skal kun anvendes de bedste komponenter og den sidste nye produktionsteknologi. Designet skal være opsigtsvækkende og stellet skal udgøres af superplastisk forgivne ALU plader, der limes sammen. Med dette oplæg skal cyklen udvikles og dens egenskaber skal simuleres inden bestilling af værktøjer til formning a ALU-pladerne. Der skal vælges lim, forbehandling overflade finish mm. Efterfølgende skal cykelstellene ældes og testes således, at eventuelle svagheder overfor normalt forekommende mekaniske og kemiske belastninger bliver afsløret og rettet inden frigivelse til salg. Endelig ønskes projektet finansieret så cyklerne kan markedsføres indenfor ca. 1 år. Figur 12 Biomega MN01. Cykelstellet udgøres af 2 stk. superplastisk formgivne ALUplader, der er limet sammen. For yderligere detaljer se I samarbejde med Teknologisk Institut er der det lykkedes for Biomega at nå den meget ambitiøse målsætning. Firmaet har i dag stor succes med produktet. CEK 13

14 Den tekniske del af projektet er løst på følgende måde: Designet er udarbejdet af Mark Newson, der er verdenskendt for avancerede designs i aluminium. Cyklen er limet med en varmhærdende 1-komponent epoxy og den er forbehandlet med en chromsyreanodisering. Cykelstellets mekaniske egenskaber er analyseret vha. FEM metoden på Teknologisk Institut. Der er skræddersyet en ældningsprocedure, hvor der indgår en kombination af Termorudeprøvning og prohesiontest. Efter ældningsproceduren gennemføres en dynamisk udmattelsesprøvning. Der konstateres ingen nævneværdige ændringer af egenskaberne i de ældede stel i forhold til ikke ældede reference stel. Financieringsproblematikken blev løst gennem tildeling af midler fra Teknologisk Innovation. Resultat: Da MN01 blev sat i produktion var der opnået kendskab til korttids- og langstidsegenskaberne og dermed skabt sikkerhed for cyklens funktion 4 CLEA Center for Lette og Elegante konstruktioner af Aluminium med klæbeteknologi - CLEA ( CLEA er en centerkontrakt med 12 partnere, som er støttet af Erhvervsfremme Styrelsen. Arbejdet blev indledt i 1999 og afsluttes med udgangen af 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 Opbygning af partnerskabet i CLEA er skabt med baggrund i det problemkompleks, der næsten altid opstår i forbindelse med konstruktion og produktion med klæbeteknologi. Partnerne har vidt forskellig baggrund og bidrager med hver deres kompetence. Partnerne er sammensat således, at der ikke er intern markedsmæssig konkurrence og det er derfor muligt åbent at diskutere alle klæberelaterede problemer og deres mulige løsninger. Der findes os bekendt ikke tilsvarende projekter i Europa, hvor alle led fra uddannelsesinstitutioner over producenter af lim og aluminium, virksomheder der bruger klæbeteknologi til forsknings- og teknologiske videnscentre er repræsenteret. CEK 14

15 Partnerne i projektet arbejder med hel eller delvis egenfinansiering og de arbejder alle hen imod, at den know how de måtte opbygge også skal kunne udnyttes til at løse opgaver uden for Centerkontrakten. ALU-B7 Firma XXX Bent Falk Design Figur 13 Partnersammensætning i CLEA projektet. Info om partnerne kan findes på Der arbejdes i projektet med følgende delprojekter. Opbygning af et demonstrationseksempel, hvori der indgår aluprofiler, kraftoverførende limsamlinger, dynamiske belastninger og aggressivt kemisk miljø (Demonstrationseksemplet produktudvikles hos Firma XXX og hemmeligholdes indtil videre) Udvikling af nyt værktøj til valg af lim, der tager udgangspunkt i kravspecifikationen til en limsamlingen Opstilling af design- og konstruktionsregler for samling af ekstruderede alu-profiler Udvikling og afprøvning af mulige prøvningsmetoder til verificering af dynamisk belastede limsamlingers egenskaber, herunder karakterisering af nedbrydningsgrad som følge af ændringer i stivhed og hysterese (se Figur 14) Opbygning og indkøring af produktionsfaciliteter til industriel limning Afprøvning af NDT metoder til karakterisering af limsamlinger i industriel produktion Videnspredning til undervisningssektoren. Der er gennemført 4 afgangsprojekter og der er p.t. 5 studenterprojekter i gang CEK 15

16 E 0 = 98 N/my E n = 70 N/my E 0 = 52 N/my E n = 42 N/my Figur 14 Eksempel på måling af dynamisk belastede limsamlingers egenskaber ved karakterisering af nedbrydningsgrad som følge af ændringer i stivhed og hysterese. 5 Gode råd og erfaringer med klæbeteknologi Udnyt limsamlingernes fordele, hvor det er muligt og glem limteknologi 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 I tilfælde, hvor der ikke er mulighed for at foretage en nøjere dimensionering af samlingen er der 3 tommelfingerregler, man kan drage nytte af: Limsamlinger bør konstrueres, så de belastes i tryk eller forskydning Limsamlinger må kun undtagelsesvis konstrueres så de belastes i træk eller skrælning (peel). Ligeledes er belastning ved kløvning uhensigtsmæssig. I de fleste limsamlinger belastes limen i forskydning, hvorfor relevante materialedata mindst bør omfatte forskydningsmodul og styrke En korrekt dimensioneret limfuge (belastet i forskydning) vil have største spændinger i fugens ender, hvor mulighed for kvalitetskontrol med visuelle metoder er optimale. I midten af limfugen er spændingerne i reglen små. CEK 16

17 6 Litteraturliste 1. Abel, Jesper Myrberg, Jostein, "Limhåndbog Fællesnordisk Projekt: Plastkompositter. Delprojekt: Limforbindelser", Teknologisk Institut, plastteknologi, ISBN Adams, R.D. Comyn, J. Wake, W.C., "Structural Adhesive Joints in Engineering", Chapman & Hall, 2. udgave ISBN Brinson, Hal F., "Engineered Materials Handbook volume 3: Adhesives and Sealants", ASM International, ISBN Burchardt, Bernd Diggelmann, Kurt Koch, Stephan Lanzendörfer, Bernhard, "Elastic Bonding", Verl. Moderne Industrie, ISBN Casco Nobel, Limhåndbogen, Casco Nobel A/S, ISBN Eurocode 9: Aluminiumkonstruktioner Del 1-1: Generelle regler, generelle regler samt regler for bygningskonstruktioner. DS/ENV Eurocode 9: Aluminiumkonstruktioner Del 2: Konstruktioner påvirkelige over for udmattelse. DS/ENV Habenicht, Gerd, "Kleben Grundlagen Technologie Anwendungen", Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 3. udgave ISBN Hennemann, Otto-Dietrich Brockmann, Walter Kollek, Hansgeorg, "Handbuch Fertigungstechnologie Kleben", Carl Hanser Verlag München Wien, ISBN "Loctite Worldwide Design Handbook" - engelsk, Henkel Company, 2. udgave Minford, Dean J, "Handbook of Aluminium Bonding Technology and Data", Marcel Dekker, Inc. 12. Møller, Per, Overflade teknologi, Teknisk Forlag A/S, 1. udgave, 1. oplag, 1998, ISBN CEK 17

18 Appendix A Sådan ko mmer du i gang med limning og klæbning (Den korte version) Mulighederne med klæbeteknologi er mange, men det kan være svært at omsætte ide til praktisk handling uden en køreplan for hvordan produktudvikling med klæbede samlinger kan gribes an. Derfor følger her nogle overordnede retningslinier for, hvordan du f.eks. kan komme i gang. Indledningsvis skal du vide at udnyttelse af limning og klæbning som sammenføjningsmetode kræver indsigt. For nye brugere er der derfor ingen vej uden om den mest grundlæggende limteknik. Der findes masser af god litteratur, hvor vi kan anbefale at lægge ud med den meget velskrevne og hurtigt læste Limhåndbog fra Casco Nobel [5]. Næste trin er at få et praktisk indtryk af klæbning som fremstillingsproces. Hvordan påføres lim, hvordan flyder det, hvilke egenskaber har limen? Rekvirer f.x nogle vareprøver af tape, elastisk lim og konstruktionsklæbestoffer og prøv at lege med dem. I selve produktudviklingen bør du som nummer et "tænke i belastninger". Således bør limsamlinger konstrueres så de belastes i tryk eller forskydning. Limsamlinger må kun undtagelsesvist konstrueres så de belastes i træk eller i skrælning (peel). Ligeledes er belastning ved kløvning uhensigtsmæssig. Som punkt nummer to bør du "tænke i produktion". Hvordan kan produktionen gennemføres på en enkel måde, således at produktionsomkostningerne pr. færdig samlede enhed minimeres? Når det overordnede design herefter er fastlagt under hensyn til belastninger og produktion vil rækkefølgen typisk være: 1. Udformning og optimering af fugerne 2. Valg af egnet forbehandling 3. Valg af egnet klæbestof 4. Prøvning og eftervisning af samlingens styrke og holdbarhed Det er dog næsten altid nødvendigt at gennemløbe ovenstående nogle gange og via en iterativ proces spore sig ind på den endelige udformning. CEK 18