Klejenie kompozytów - dlaczego warto wybrać tę technologię?

Klejenie kompozytów – dlaczego warto wybrać tę technologię?

Kompozyty są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie znaczenie mają masa, sztywność, odporność środowiskowa oraz swoboda projektowania. Spotykamy je między innymi w transporcie, budowie pojazdów, kolejnictwie, energetyce, przemyśle morskim, maszynach i konstrukcjach specjalnych.

Problem pojawia się podczas łączenia. Wiercenie otworów pod śruby lub nity przecina lokalnie ciągłość laminatu i tworzy koncentrację naprężeń. Klejenie pozwala rozłożyć obciążenie na znacznie większej powierzchni.

Najważniejsze zalety klejenia kompozytów

• brak konieczności wykonywania otworów w laminacie,
• bardziej równomierne rozłożenie naprężeń niż w typowym połączeniu punktowym,
• możliwość łączenia kompozytu z aluminium, stalą, tworzywem, szkłem lub innym kompozytem,
• możliwość jednoczesnego łączenia i uszczelniania, jeśli pozwala na to użyty system,
• brak widocznych śrub i nitów po zewnętrznej stronie konstrukcji,
• możliwość kompensowania niewielkich nierówności powierzchni,
• ograniczenie liczby dodatkowych elementów mechanicznych,
• możliwość ograniczenia bezpośredniego kontaktu dwóch różnych materiałów.

A jakie są ograniczenia?

Klejenie wymaga znacznie większej kontroli procesu niż proste skręcenie dwóch części. Trzeba kontrolować czystość, przygotowanie podłoża, proporcję mieszania kleju 2K, czas aplikacji, grubość spoiny, stabilizację oraz czas przed dalszym obciążeniem.

W wielu procesach konieczne jest również wykonanie prób na rzeczywistych detalach, ponieważ laminat pochodzący od dwóch różnych dostawców może mieć podobną nazwę handlową, ale inną żywicę, warstwę powierzchniową lub technologię produkcji.

Kompozyt nie jest jednym materiałem – co właściwie kleimy?

Kompozyt jest materiałem złożonym z co najmniej dwóch odmiennych składników, których połączenie ma pozwolić uzyskać wymagany zestaw właściwości konstrukcyjnych lub użytkowych.

W kompozytach włóknistych najważniejsze są dwa składniki:

• matryca – otacza i stabilizuje wzmocnienie, przenosi obciążenia pomiędzy włóknami i chroni strukturę,
• wzmocnienie – np. włókno szklane, węglowe lub aramidowe, które odpowiada za znaczną część właściwości mechanicznych laminatu.

Kompozyty z matrycą duromerową

W zastosowaniach przemysłowych spotykamy między innymi matryce:

• poliestrowe UP,
• winylowo-estrowe VE,
• epoksydowe,
• fenolowe,
• poliuretanowe.

Do tej grupy należą liczne konstrukcje GRP/GFRP i CFRP wykorzystywane w karoseriach, zabudowach, łodziach, elementach transportowych, obudowach maszyn i konstrukcjach lekkich.

Kompozyty termoplastyczne

Matrycę mogą stanowić również tworzywa termoplastyczne, np.:

• PP,
• PA,
• PEI,
• PPS,
• PEEK.

Ta informacja jest bardzo ważna przy klejeniu. Kompozyt na bazie PP nie powinien być traktowany tak samo jak laminat epoksydowo-szklany. W przypadku materiałów o niskiej energii powierzchniowej może być konieczne specjalne przygotowanie powierzchni lub dedykowana technologia klejowa.

Co naprawdę znajduje się na powierzchni kompozytu?

To, co znajduje się w całej objętości laminatu, nie musi być tym samym materiałem, do którego faktycznie przyklejamy klej.

Na powierzchni gotowego elementu może znajdować się między innymi:

• warstwa bogata w żywicę,
• żelkot,
• lakier lub powłoka ochronna,
• primer,
• pozostałość środka rozdzielającego formę,
• zanieczyszczenia procesowe,
• warstwa powstała po zastosowaniu peel ply,
• pył po cięciu i obróbce.

Właśnie dlatego przypadkowe przetarcie powierzchni rozpuszczalnikiem nie zawsze wystarcza. Jeżeli na laminacie pozostał środek antyadhezyjny używany podczas produkcji, może on znacząco obniżyć przyczepność.

Czy trzeba zawsze szlifować kompozyt?

Nie. Obróbka mechaniczna jest bardzo często skuteczną częścią procesu, ale musi być kontrolowana.

Celem nie jest zeszlifowanie jak największej ilości materiału, lecz:

• usunięcie słabo związanej lub zanieczyszczonej warstwy powierzchniowej,
• uzyskanie powtarzalnej powierzchni,
• zwiększenie powierzchni efektywnej bez niepotrzebnego uszkodzenia laminatu.

Jak zaprojektować złącze klejowe w kompozycie?

Nawet bardzo dobry klej nie naprawi źle zaprojektowanej geometrii.

Kleje konstrukcyjne najlepiej wykorzystuje się wtedy, gdy obciążenie jest rozłożone na możliwie dużej powierzchni, a spoina pracuje przede wszystkim na ścinanie.

W praktyce warto rozważyć połączenia zakładkowe, odpowiednią długość zakładki, kontrolę grubości spoiny oraz takie usztywnienie konstrukcji, aby ograniczyć odginanie elementów na końcu złącza.

Klej MMA, epoksydowy czy poliuretanowy do kompozytu?

Każda z tych technologii może być właściwa – ale do innego procesu.

Jak wybierać w praktyce?

Przy pierwszym doborze warto odpowiedzieć na kilka pytań:

1. Jaki dokładnie kompozyt kleimy?
2. Co jest drugim materiałem?
3. Jaka jest szczelina?
4. Jak długo operator potrzebuje na nałożenie kleju i ustawienie części?
5. Po jakim czasie detal musi przejść do następnej operacji?
6. Czy złącze będzie narażone na udar, drgania albo zmęczenie?
7. Jakie temperatury występują podczas pracy?
8. Czy występuje woda, olej, paliwo lub inne medium?
9. Czy elementy mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej?

Dobór technologii klejenia kompozytów – materiał wideo

W tym materiale pokazujemy praktyczne różnice pomiędzy technologiami i sposób podejścia do doboru kleju:

Aktualne kleje do kompozytów dostępne w Melkib

W aktualnej ofercie mamy kilka technologii, które pozwalają dobrać proces do różnych wymagań produkcyjnych.

Melkib MMA Power 10 – dłuższy czas na pozycjonowanie

Melkib MMA Power 10 50 ml jest dwuskładnikowym klejem metakrylanowym mieszanym w proporcji 1:1.

Aktualna karta produktu wskazuje zastosowanie między innymi do:

• GRP/FRP,
• kompozytów na bazie estru winylowego,
• elementów z włóknem węglowym,
• wybranych kompozytów poliestrowych,
• metali,
• wybranych termoplastów.

Power 10 zapewnia około 10–20 minut czasu obróbki, dlatego dobrze pasuje do większych elementów, w których operator potrzebuje czasu na ustawienie części, kontrolę szczeliny i zamknięcie oprzyrządowania.

Dla tego produktu podany zakres wypełniania szczeliny wynosi 1–5 mm, a pełna wytrzymałość jest deklarowana po 24 godzinach w warunkach określonych w dokumentacji.

WELDYX Professional 15 – elastyczne połączenia konstrukcyjne

WELDYX Professional 15 jest dwuskładnikowym klejem metakrylanowym 10:1 zaprojektowanym do strukturalnego łączenia metali, materiałów kompozytowych i tworzyw sztucznych.

Producent pozycjonuje go szczególnie tam, gdzie wymagane są:

• wysoka wytrzymałość,
• odporność na uderzenia i zmęczenie,
• pewna elastyczność spoiny,
• łączenie różnych materiałów,
• wypełnianie szczelin.

To interesujący kierunek między innymi przy konstrukcjach transportowych, obudowach i zespołach, w których laminat jest łączony z metalem.

LOCTITE EA 9466 – gdy potrzeba długiego czasu pracy

LOCTITE EA 9466 jest dwuskładnikowym, wzmocnionym klejem epoksydowym.

Henkel podaje dla niego około 60 minut czasu pracy mieszaniny. Dzięki temu jest dobrym kandydatem do złożonych zespołów, w których elementy trzeba spokojnie ustawić i unieruchomić przed rozpoczęciem utwardzania.

Producent wskazuje także wysoką odporność na ścinanie i oddzieranie oraz odporność na wiele chemikaliów i rozpuszczalników.

Kleje konstrukcyjne do materiałów kompozytowych

Jak przygotować kompozyt przed klejeniem?

Dokładna procedura musi wynikać z materiału i dokumentacji kleju, ale w przemysłowym procesie warto przejść przez następującą sekwencję.

1. Zidentyfikuj materiał

Ustal:

• rodzaj matrycy,
• rodzaj wzmocnienia,
• technologię wykonania elementu,
• stan i rodzaj warstwy powierzchniowej,
• czy podczas formowania stosowano środki rozdzielające.

2. Usuń zanieczyszczenia

Powierzchnia nie powinna być zanieczyszczona olejem, smarem, silikonem, pyłem, środkami konserwującymi ani pozostałościami procesu produkcyjnego.

Preparat czyszczący trzeba dobrać do matrycy. Rozpuszczalnik bezpieczny dla metalu może nie być obojętny dla każdego termoplastu lub powłoki.

3. Wykonaj kontrolowaną obróbkę mechaniczną, jeśli jest wymagana

Jeżeli producent kleju i technologia dopuszczają szlifowanie:

• stosuj zdefiniowaną gradację,
• nie dociskaj przypadkowo narzędzia,
• nie przegrzewaj powierzchni,
• nie uszkadzaj niepotrzebnie włókien,
• po obróbce dokładnie usuń pył.

4. Odtłuść ponownie po obróbce

Obróbka mechaniczna tworzy pył, dlatego zwykle potrzebny jest kolejny kontrolowany etap oczyszczania.

5. Nie dotykaj przygotowanej powierzchni

Odcisk palca to już ponowne wprowadzenie tłuszczu na przygotowane podłoże.

Więcej o tym etapie opisujemy w osobnym poradniku: Przygotowanie powierzchni do klejenia – na co zwrócić uwagę?.

Jak zbudować powtarzalny proces klejenia kompozytów?

W produkcji seryjnej właściwy klej jest tylko jednym z elementów procesu.

Przed wdrożeniem zdefiniuj:

1. materiał i dostawcę detalu,
2. standard przygotowania powierzchni,
3. numer kleju i jego wariant opakowania,
4. proporcję mieszania,
5. typ miksera statycznego,
6. dawkę kleju,
7. grubość spoiny,
8. czas pomiędzy aplikacją i połączeniem elementów,
9. sposób stabilizacji,
10. czas do manipulacji,
11. czas do pełnego obciążenia,
12. temperaturę materiałów i hali,
13. kryterium kontroli jakości.

Klej 2K – nie pomijaj początku aplikacji

Przy kartuszach dwuskładnikowych mieszanie zachodzi w mikserze statycznym. Po założeniu nowej dyszy trzeba stosować procedurę przewidzianą dla produktu, aby początkowa porcja trafiła do odpadu, a na detal podawana była prawidłowo wymieszana mieszanina.

Kontroluj grubość spoiny

Dociskanie elementów „do oporu” może wycisnąć zbyt dużo kleju. Z drugiej strony nadmierny luz może przekraczać zakres przewidziany dla produktu.

Jeżeli grubość spoiny jest parametrem konstrukcyjnym, należy kontrolować ją geometrią detalu, dystansem lub innym powtarzalnym rozwiązaniem procesowym.

Nie utożsamiaj czasu ustalania z pełnym utwardzeniem

Moment, w którym detal można ostrożnie wyjąć z przyrządu, nie musi oznaczać momentu, w którym można przeprowadzić pełną próbę obciążeniową.

Klejenie kompozytów w praktyce – aplikacja i proces

Poniższy materiał pokazuje praktyczną stronę pracy ze spoiną i prowadzenia procesu. Film można obejrzeć bez opuszczania artykułu:

Klejenie CFRP z aluminium lub stalą – na co szczególnie uważać?

Przy łączeniu kompozytu z włóknem węglowym z metalem pojawia się dodatkowy aspekt: włókno węglowe przewodzi prąd.

Jeżeli włókno węglowe pozostaje w elektrycznym kontakcie z mniej szlachetnym metalem, takim jak aluminium, a do złącza dociera wilgoć lub inny elektrolit, może powstać układ sprzyjający korozji galwanicznej metalu.

Prawidłowo wykonana, ciągła warstwa kleju może pełnić funkcję bariery pomiędzy materiałami, ale konstrukcja powinna być zaprojektowana tak, aby nie powstawał niekontrolowany kontakt włókno–metal na krawędziach, przez otwory montażowe lub uszkodzenia.

Trzeba również uwzględnić różnice rozszerzalności cieplnej. Aluminium, stal i CFRP mogą zmieniać swoje wymiary w różnym stopniu podczas nagrzewania i chłodzenia.

Kompozyt się rozkleja – jak znaleźć przyczynę?

Po awarii warto obejrzeć obie powierzchnie. Miejsce zniszczenia często wskazuje, w którym fragmencie procesu znajduje się problem.

Więcej o interpretacji sposobu zniszczenia złącza opisujemy w poradniku Adhezja i kohezja – czym się różnią i jak wpływają na klejenie?.

FAQ – klejenie materiałów kompozytowych

Jaki klej jest najlepszy do kompozytu?

Nie ma jednego najlepszego kleju do wszystkich kompozytów. Trzeba znać matrycę, rodzaj powierzchni, drugi materiał, szczelinę, obciążenia, temperaturę oraz wymagany czas procesu. W konstrukcjach często stosuje się kleje metakrylanowe, epoksydowe i odpowiednio dobrane poliuretany.

Czy MMA Power 10 nadaje się do włókna szklanego?

Aktualna dokumentacja Melkib MMA Power 10 obejmuje między innymi GRP/FRP oraz inne wybrane kompozyty. Przed wdrożeniem seryjnym nadal należy wykonać próbę na rzeczywistym laminacie.

Czy MMA Power 10 nadaje się do włókna węglowego?

Włókno węglowe znajduje się w zakresie zastosowań podanym dla produktu, ale o przyczepności w rzeczywistym elemencie decyduje przede wszystkim matryca i warstwa powierzchniowa laminatu, a nie samo włókno znajdujące się wewnątrz kompozytu.

Czy zawsze trzeba szlifować kompozyt przed klejeniem?

Nie. Procedura zależy od materiału, stanu powierzchni oraz używanego kleju. Jeżeli obróbka mechaniczna jest wymagana, powinna być kontrolowana i nie powinna prowadzić do niepotrzebnego uszkadzania włókien.

Jak usunąć środek rozdzielający z laminatu?

Nie ma jednej procedury dla wszystkich środków rozdzielających i matryc. Trzeba znać technologię wykonania elementu i zastosować metodę czyszczenia zgodną z materiałem oraz klejem. Przy nieznanym laminacie warto wykonać test przygotowania powierzchni.

Czy klej MMA jest lepszy od epoksydu?

Nie w każdej aplikacji. MMA może zapewniać szeroki zakres przyczepności, dobrą odporność na udary i szybszy proces. Epoksyd może być korzystniejszy przy wymaganej sztywności, odporności chemicznej lub długim czasie pracy. O wyborze powinien decydować proces i warunki złącza.

Kiedy wybrać LOCTITE EA 9466?

Warto go rozważyć wtedy, gdy potrzebny jest wzmocniony klej epoksydowy i długi czas na składanie konstrukcji. Producent podaje około 60 minut czasu pracy mieszaniny.

Co daje WELDYX Professional 15?

Jest to klej metakrylanowy przeznaczony do strukturalnego łączenia metali, kompozytów i tworzyw. Szczególnie interesująca jest jego zdolność do tworzenia wytrzymałej, a jednocześnie mniej kruchej spoiny w połączeniach różnych materiałów.

Czy można kleić CFRP bezpośrednio do aluminium?

Takie konstrukcje są wykonywane, ale trzeba uwzględnić ryzyko kontaktu elektrycznego włókna węglowego z aluminium w obecności elektrolitu oraz różnice rozszerzalności cieplnej. Warstwa kleju i geometria złącza powinny być częścią świadomie zaprojektowanego systemu izolacji i przenoszenia obciążeń.

Jaką grubość powinna mieć spoina?

Nie istnieje jedna wartość dla wszystkich klejów. Zakres należy sprawdzić w dokumentacji konkretnego produktu. Przykładowo MMA Power 10 jest obecnie opisany jako produkt mogący wypełniać szczeliny 1–5 mm.

Dlaczego połączenie odkleja się razem z warstwą laminatu?

Może to oznaczać, że adhezja kleju jest większa niż lokalna wytrzymałość warstwy powierzchniowej kompozytu. Trzeba wtedy sprawdzić zarówno przygotowanie powierzchni, jak i konstrukcję laminatu oraz sposób obciążania złącza.

Jak sprawdzić technologię przed produkcją seryjną?

Należy wykonać próbki z rzeczywistych materiałów produkcyjnych, przygotowane dokładnie tak samo jak późniejsze detale. Próby warto prowadzić nie tylko po początkowym utwardzeniu, ale również po ekspozycji na temperaturę, wilgoć, media lub cykle odpowiadające rzeczywistym warunkom eksploatacji.

Podsumowanie – jak podejść do klejenia kompozytów?

Klejenie jest bardzo dobrą metodą łączenia kompozytów, ponieważ pozwala uniknąć wykonywania punktowych otworów w laminacie i przenosić obciążenie na większej powierzchni. Nie jest jednak technologią typu „dobierz mocny klej i dociśnij elementy”.

Proces powinien zaczynać się od identyfikacji matrycy, wzmocnienia i rzeczywistej warstwy powierzchniowej. Następnie trzeba dobrać geometrię, sposób przygotowania, klej, grubość spoiny, czas montażu oraz sposób stabilizacji.

Dla wielu konstrukcji dobrym punktem wyjścia będą metakrylany takie jak Melkib MMA Power 10 lub WELDYX Professional 15. Jeśli potrzebujemy znacznie dłuższego czasu na montaż i sztywnego połączenia epoksydowego, warto rozważyć między innymi LOCTITE EA 9466.

Najważniejsza jest jednak walidacja na rzeczywistych materiałach. W kompozytach zmiana matrycy, żelkotu, środka rozdzielającego albo sposobu produkcji laminatu może zmienić zachowanie złącza mimo zachowania tego samego rysunku części.