1. Het verbinden van kunststoffen
Themadag - Microcentrum
Jos Sinke, Aerospace Engineering TU Delft
23-4-2012
Delft
University of
Technology
Challenge the future
3. Inleiding
Verbinden van Kunststoffen centraal
Materiaalgroepen:
- metalen
- keramische materialen
- kunststoffen of polymeren
- vezelversterkte kunststoffen
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 3 | 31
4. Inleiding
Waarom verbindingen nodig?
Grootte van het produkt/constructie
Toegankelijkheid
Inspectie, reparatie, onderhoud
Gebruik – beweegbare onderdelen
Niet gelijksoortige materialen- metalen, kunststoffen,
composieten
Andere redenen: Economisch
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 4 | 31
5. Inleiding
Welke eisen stellen aan verbindingen
Doorleiden van krachten en momenten – belastingweg creeren
Samenhang, stijfheid verzorgen
Voldoende sterk zijn (> dan sterkte van afzonderlijke delen)
Duurzaam – 5? tot 40 jaar (Vliegtuigen)
Andere eisen: Glad oppervlak, luchtdicht, losneembaar (t.b.v.
hergebruik), ….
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 5 | 31
6. Inleiding
Voordelen
genoemd bij het “Waarom” van verbindingen
Nadelen
• Toename van gewicht
• Verandering in materiaalgedrag (soms)
• Assembleren is erg tijdrovend/arbeidsintenief
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 6 | 31
9. Verbindingsmethoden - lijmen
• Krachten doorleiden door afschuiving – niet door trek
• Twee delen verbinden door het maken van een overlap
• Gebruik van een polymeer – lage sterkte en stijfheid – grote
overlap maken
• Voorbehandelen van oppervlakken essentieel
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 9 | 31
10. Verbindingsmethoden
Een korte vergelijking
Kenmerk Pen-gat Lijmen Lassen Omvormen
Klinken Bouten
Gas en vloeistofdicht Nee Nee Ja Ja Nee
Losneembaar Beperkt Ja Nee Nee Nee
Spanningsconcen- Ja Ja Gering Nee Ja
traties
Verwerkbaarheid Goed Goed Moeilijk Voldoende Goed
Ongelijke materialen Ja Ja Ja Neeo Ja
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 10 | 31
11. Lijmen van Kunststoffen
Lijmverbindingen (algemeen)
- Schoonmaken van het oppervlak – weghalen vervuling
- Bewerken van het oppervlak – w.o.
- Opruwen (vergroten oppervlak)
- Hechting te verbeteren door betere bevochtiging
- Door chemisch activeren van grenslaag
- Aanbrengen van de lijm
- Uitharden van de lijm
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 11 | 31
12. Lijmen van kunststoffen
Oppervlaktebehandeling
Doelen:
- Schoonmaken van het oppervlak
- Zorgen voor een goede hechting (sterke verbinding) en -
optioneel - een duurzame verbinding (lange levensduur)
Methoden:
- Metalen: chemische processen
- Kunststoffen en Composieten: mechanische processen
(o.a. schuren)
- Thermoplasten: fysische methoden
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 12 | 31
13. Lijmen van kunststoffen
bevochtiging - visueel
Randhoekmeter
Beeld door microscoop:
vloeistof
oppervlak
geheel geen gedeeltelijke volledige bevochtiging
bevochtiging bevochtiging θ = 0º
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 13 | 31
14. Lijmen van kunststoffen
Kritische oppervlaktespanning van enkele substraten
Een hypothetische vloeistof met
een oppervlaktespanning gelijk
aan de critische oppervlakte
spanning zal net over dat
oppervlak uitspreiden.
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 14 | 31
15. Lijmen van kunststoffen
mechanische oppervlaktebehandeling
ontvetten met oplosmiddelen
oppervlaktelaag verwijderen
stralen schuren
zand grit schuurpapier scotch brite
reinigen met oplosmiddelen
Zo snel mogelijk na de voorbehandeling de lijm of primer aanbrengen
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 15 | 31
16. Lijmen van kunststoffen
fysische oppervlaktebehandeling
ontvetten
activeren
chemische modificatie oppervlak
corona-ontlading
oxiderende vlam
lage-druk
plasma
UV-ozon
laserbestraling
Binnen paar uur lijm of verf aanbrengen openlucht plasma
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 16 | 31
17. Lijmen van kunststoffen
1e Voorbeeld: Vlambehandeling
Werkstuk
Vlam
• Als gevolg van de warmtebehandeling vindt oxidatie van het
kunststof oppervlak plaats.
• Hierbij spelen ondermeer de werkstuk- snelheid en de
vlamtemperatuur een grote rol.
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 17 | 31
18. Lijmen van kunststoffen
oppervlaktebehandeling - vlambehandeling
De invloed van snelheid en afstand op de
uiteindelijke hechtsterkte
shear stress vs platform speed of flame treatment
for PE/MMA
1,8
1,6
shear stress (MPa)
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 10 20 30 40 50 60
speed (m/min)
height=75cm height=78cm height=80cm height=86cm
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 18 | 31
19. Lijmen van kunststoffen
Vlambehandeling
Voordelen
• erg goedkoop in aanschaf
• snel
Nadelen
• moeilijk reproduceerbaar te krijgen
• vormbeperkingen
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 19 | 31
20. Lijmen van kunststoffen
2e voorbeeld: Corona behandeling
Twee principes:
Directe corona Indirecte corona
Perslucht
Hoogspanning
Hoogspanning
Werkstuk
Tegen-
Werkstuk
electrode
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 20 | 31
21. Lijmen van kunststoffen
Corona behandeling
[Bron: Tigres GMbH]
Invloed van corona dosis op oppervlakte energie van kunststoffen
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 21 | 31
22. Lijmen van kunststoffen
Corona behandeling
Voordelen
• snel
• niet erg duur
Nadelen
• vooral goed toepasbaar op vlakke of licht gekromde
oppervlakken
• moeilijk om in productieproces goed reproduceerbaar te
krijgen
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 22 | 31
23. Lijmen van kunststoffen
Welke lijm? - Specificatie van eisen
De keuze van de lijm moet gebaseerd zijn op te stellen eisen aan product en verbinding:
• Te verbinden materialen (kunststof/metaal, stijfheid, oppervlakte conditie,
thermische uitzettingscoëfficient, temperatuur stabiliteit)
• Functie van de verbinding (structureel, fixering, afdichting, borging)
• Type verbinding (overlap, kopse verbinding, hoek verbinding, T-verbinding,
enz.)
• Belasting op de verbinding (trek, druk, schuif, pel, statisch, continue,
dynamisch)
• Omgevingscondities / gebruiksomstandigheden (temperatuur, vocht,
corrosie, chemisch, UV, enz.)
• Specifieke eisen of functionaliteit (elektrische of thermische geleidbaarheid,
geometrische stabiliteit, enz)
• Afmetingen en vorm (lijm oppervlak, vlakheid, toleranties, lijmlaagdikte)
• Productie aspecten
• Reparatie aspecten
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 23 | 31
24. Lijmen van kunststoffen
Mogelijkheden – lijmen met fysische uitharding
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 24 | 31
25. Lijmen van kunststoffen
Lijmen met chemische uitharding
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 25 | 31
26. Lijmen van kunststoffen
Het aanbrengen van de lijm - Productie aspecten
Ontwerp en lijmkeuze wordt gebaseerd op de keuze van het productie proces
• Seriegrootte (bepaald investeringsniveau voor
lijmgereedschap/machines)
• Productietempo (eis t.a.v. uithardingsnelheid)
• Mate van automatisering (gerelateerd aan aantal producten)
• Gewenst productie proces
• Oppervlakte behandeling van lijmvlak
• Aanbrengmethode van lijmmateriaal
• Uithardingscondities
• Productie ruimte condities (buiten of ruimte met controle van
vochtigheid en temperatuur)
• Beschikbare productiemiddelen (van simpele lijmtang tot autoclaaf)
• Kwaliteitsbeheersing, borging
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 26 | 31
27. Lijmen van kunststoffen
In de volgende lezingen zullen een reeks van
voorbeelden en toepassingen worden getoond.
Tot slot nog enkele afsluitende opmerkingen
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 27 | 31
28. Afsluitende opmerkingen
Lijmverbinding is competitief
Voorbeeld:
• Lijmen met maximale afschuifsterkte 40-60 MPa (N/mm2)
• Overlap lengte van 30 – 50 mm
• Stel: gemiddelde spanning op 50%; knock-down factor voor
duurzaamheid op 50%
• Resuleert in sterkte van 400 – 750 N/mm
Opm: effectiviteit van lijm wordt minder bij dikke plaat
Nieuwe concepten mogelijk
Zoals sandwich panelen, laminaten
Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen 28 | 31