Lijmen als verbindingstechniek in constructies
ing. J. Koetsier, Fokker B.V., Amsterdam*. Voor het toepassen van gelijmde verbindingen die een dragende functie in een constructie hebben, kunnen één of meer van de volgende motieven gelden: - gelijkmatige krachtenoverdracht, waardoor betere statische en dynamische eigenschappen of een lager gewicht, - meer vormvaste constructies, - meer ontwerpmogelijkheden, - beter buitenoppervlak, - minder kritische maattoleranties, - ruimere materiaalkeuze van de onderdelen, - goedkopere gereedschappen, - goedkopere produktie, - beter tegen corrosie bestand, - geen verandering van metaaleigenschappen, - verbinden van dunne en/of fragiele delen.
Voorwaarden Voorwaarden die aan een gelijmdeverbinding gesteld moeten of kunnen worden zijn dat. - De verbinding bestand is tegen de optredende belastingen, waaraan kanwordentoegevoegddatdeafzonderlijke verbindingen op de juiste manier belast moeten worden, waarbij belasting op afschuiving de voorkeur heeft; zie ook de voorlichtingspublicatie VM32 e.a. van de FME. - De verbinding bestand is tegen de optredende temperaturen. Het temperatuurgebied waarbinnen het produkt m o e t kunnen functioneren is belangrijk omdat de lijmmaterialen van kunststof beperkt bestand zijn tegen hogere temperaturen Door de lijmfabrikanten wordt meestal per lijmmateriaal het toepasbare temperatuurgebied opgegeven. - Deverbinding bestand istegenoverige omgevingsinvloeden zoals vocht en chemicalien. Deze kunnen niet alleen de lijm zelf aantasten, maar ook de gelijmde onderdelen en de Iijmhechting op deze onderdelen. Een goede bescherming ervan, aangebrachtvóórhet lijmen, kandanook noodzakelijk zijn. - Het produktieproces o p beheerste wijze wordt uitgevoerd. Deze voorwaarde heeft direct te maken met produktiekosten en kwaliteit en is daardoor van groot belang
Beheersing wil zeggen dat van stap tot stap bekend moet zijn hoe de situatie van het Produkt-in-wording is. Het samenvoegen van de te lijmen delen met lijm tussen de contactvlakken moet zodanig uitgevoerd worden dat de zekerheid van een complete vulling aanwezig is. Dit kan in de regel gerealiseerd worden als de vlakken tijdens het samenbouwen naar elkaar toe bewogen worden. Eenmaal in de juiste stand gebracht mag geen verplaatsing meer optreden. Procesbeheersing wil ookzeggen dat de te lijmen vlakken de juiste oppervlakteconditie hebben, dat de lijm de
=
* Ing
Koetsier issindsseptember 1985 hoofd ontwikkeling van Flexovit BV te Eibergen
.. .,.~ * .,
.
-
. ..
.
.
juiste kwaliteit heeft op de dag van lijmen, dat in geval van twee-componenten lijmen dezekerheid aanwezig isvan een goede mengverhoudingen menging en dat het polymerisatieproces op de juiste manier heeft plaatsgehad Eindcontrole dient dan slechts ter vaststelling van de goede kwaliteit.
Toe te passen lijmmaterialen, processen en constructievorm Bij hetopstapel zettenvan een gelijmde constructie zijn er enkele aspecten die goed onderzocht moeten worden. Onderzoek moet zekerheid, o f voldoende zekerheid, geven dat de uitgangspunten goed zijn
Keuze van het lijmmateriaal Wat een rol speelt zijn sterkte-eigenschappen binnen het beoogde temperatuurgebied, milieu-invloeden, rheologische eigenschappen met betrekking tot het beoogde doel (moet bijvoorbeeld de lijm spleetvuilend, dus voldoende tixotroop zijn), verwerkingstijd en Liithardingstijd Tabel 1 geeftvaneen aantal Iijmsoorten een overzicht van de eigenschappen.
i
Figuur 1 De Fokker F28 rn vlucht, met aan de staart de u/tgeklapte remkleppen Jrg 26
No. 1
]an/febr 1986
21
LIJMEN ALS VERBINDINGSTECHNIEK IN CONSTRUCTIES
'W
Lijrneigenschappen
"C
Sterkte enkele overlap (Nímrn')
-
EA 9309
55
EA LR EC Mag100-409 3525 BíAnabd 6352
BXR 10311
BR 95
EA 934NA
EC 3561 BíA
+ 23 + 60
24 37 22 10
38 41 25 14
28 37 26 10
32 30 25 18
16 23 21 17
26 28 26 19
34 37
+ 80
24 34 20 6
Pelstekte (N)
-t 23
275
230
210
100
50
10
15
Verwerkingstijd (h)
+ 23
314
3í4
1/2
112
3/4
112
112
EC Redux FM 2216 BiA775 L8P 123-5
5 3
19 21 12 4
25 34 18 10
43 40 32 28
400
200
200
350
7
2
nvt
nvt
Tabel I Mechanische en verwerkingseigenschappen van bij kamertemperatuur uithardende lijmen vergeleken met twee lijmen die bij hogere temperatuur uitharden íde tweegeheel rechts in de tabell De Jijmen(in de tabe1voJgorde)zijn verkrijgbaarbij de fabrikanten Hysol, Hysol, 3M, Magnolia Plastics, A m Cyanamid, Am Cyanamid, Hysol, 3M, 3M, Ciba Geigy, A m Cyanamid
Vaststelling van de oppervlaktebehandelingsmethode van de te lijmen delen De oppervlaktegesteldheid bepaalt de matevan hechting en de duurzaamheid van deze hechting Het is goed altijd argwanend te staan tegenover een hechtingsbreuk, d.w z een breukwaarbij de lijm geheel los komt van het gelijmde vlak.
Aantal k belastingwisselingen
-
i
Ii -
I
I I
I
I 1
1-4
Richting van het walsen van 2024T3 Alcladplaat, dikte 0,8 mrn
Figuur 2 Resultaat van de vergelijking tussen een uitsluitend geklonken en een gelijmde en geklonken overlapverbinding bij 20°C frequentie 20 Hz
De juistheid van de constructie Voor de berekening van Iijmsoorten kan men zich mede baseren o p de resultaten van beproevingen, waarvan defiguren 2,3 en 4 een voorbeeld zijn. Uit de figuren 2 en 3 blijkt de winst in schuifsterkte en levensduur doordecombinatie van klinken en lijmen in plaats van uitsluitend klinken Figuur 3 toont tevens de grote invloed op belastbaarheid en levensduur van een symmetrisch aangrijpende trekbelasting in plaats van een asymmetrische. Ook figuur 4 laat duidelijk de invloed o p de belastbaarheid zien van een symmetrische t.o.v. een asymmetrische overlapverbinding. De constructie moet zodanig ontworpenzijn datenerzijdsdeproduceerbaarheid goed is en dat anderzijds het gerede produkt doelmatig kan functioneren. Vooral bij een in serie te vervaardigen produkt is de eenvoud van de produktie in belangrijke mate bepalend voor de kosten, inclusief die met betrekking tot de kwalititsbewaking.
I
o
--- Uitsluitend geklonken
Aantal belastingwisselingen-,
4-
-
-Gelijmd
en geklonken
al
n Y
E Figuur3 Resultaat van de vergelijking tussen een o p trek belaste uitsluitendgeklonken en een gelijmde en geklonken verbinding in de linker figuur asymmetrisch en in de rechter figuur symmetrisch belast. De gebruikte lijm is EC 2216 W A 22
Jrg 26
No 1
janifebr 1986
De functionaliteit van het produkt, met name de sterkte van de verbindingen, moet op realistische wijze worden beproefd, omdat de spanningsverdeling in onder belasting staande Iijmverbindingen ongunstig kan zijn als gevolg van de elasticiteit van de onderdelen. Zie hiervoor ook VM 32 van de FME.
')r
LIJMEN ALS VER BINDINGSTECHNIEK IN CONSTRUCT1ES
Kwaliteitsbewaking
Figuur4 Het verschil in toelaatbare schuifsterkte tussen een enkele overlaaverbindina en een dubbele overlapverbinding De gebruikte-lijm Metalbond328 type 1 WC, niet taaigemaakt, uithardend bij 175°C
~
l
Figuur5 De in lengterichting lopende verbindingen van de romphuid van de F28 worden op vermoeiing belast Om deze verbindingen voldoende levensduur te geven - de 1,2 mm dikke huid wordt overlappendmet verzonken nagels geklonken - wordt eveneens lijm toegepast Deze foto toont een huidpaneel met verstijvingsribben en verdubbelingsplaat kort voor het warmlijmproces in de autoclaaf De delen zijn geanodiseerden van lijmprimer voorzien De rand rechts op de foto is van een todelijke strook aluminiumfolie voorzien ter bescherming van de primer, die geloktijdig met de lijm in de autoclaaf uithardt De folie wordt later bij de eindmontage, direct voor de applicatie van de tweecomponenten epoxylijm EC2216 WA, verwijderd
De bewaking van de kwaliteit moet doelgericht worden uitgevoerd. Dat wil zeggen, bewaking van de oppervlaktebe handeling hetgeen m ¡nimaal kan bestaan uit bewaking van de schoonmaakmiddelen zoals "doek" en reinigingsmiddel, bewaking van de IijmkwaIiteit, menging en uitharding en bewaking van het goed vullen van de Iijmnaad. Alleen een beheerst produktieproces kan leiden tot een goede kwaliteitsgarantie. Destructieve beproeving als kwaliteitsbewaking kan uitgevoerd worden via "meelopende" proefstukken of steekproefgewijs aan gerede Produkten Er moet echter altijd gericht worden gezocht naar afwijkingen Bewaking door middel van niet-destructieve beproeving met b.v C-scan apparatuur of de Fokker Bondtester heeft alleen betrekking op de vraag of qen massieve lijmnaad aanwezig, met andere woorden, of de Iijmlaag luchtinsluitingen of porositeit bevat. In veel gevallen kan dit belangrijkzijn. De kwaliteit van de hechting en van de lijm zelf moet echter door het proces gewaarborgd zijn.
Figuur 6 De applicaties van het koudhardende lijmmengsel nadat de beschermende aluminiumfolie is verwijderd
Jrg. 26
o
No 1
o janifebr 1986
23
LIJMEN ALS VERBIN DINGSTECHNIEK IN CONSTRUCTIES
'z1'
Figuur 7en figuur8 laten de hulpmiddelen zien waarmee de lomdruk wordtaangebracht Pennen (met het oog) worden door gaten gestoken in het drukstuk, dat geplaatst wordt aan de binnenzijde van de huidpanelen, vervolgens door voorgeboorde gaten in de huidpanelen en daarna door het drukstuk dat aan de buitenzijde wordt aangebracht. Lijmdrukproppen, zie figuur IO, worden vervolgens geplaatst en aangedraaid
Voorbeelden van de uitvoering van I ijmverbindingen De figuren 5 t/m 10 geven een goede indruk van de wijze waarop Iijmverbindingen bij Fokker worden uitgevoerd.
Figuur 9 Uit deze figuur wordt de werking duidelijk van de reeds eerder genoemde drukstukken, pennen en de van schotelveren voorziene Iijmdrukproppen De volgende dag worden de hulpstukken verwijderd waarnade nagelgaten geboorden verzonken en de nagels geplaatst worden. 24
Jrg 26
No
1
]an./febr 1986
De remkleppen aan de staartvan de F28 worden, zoals figuur 1 duidelijk zal maken, op geluidsvermoeiing belast. Een afdoend lange levensduur geeft hier de combinatie lijmen en klinken van alle verbindingen indeze kleppen. Figuur 11 toont hun constructie, zonder de binnenhuid die later wordt aangebracht Van deze remkleppen zijn er ook enkele uitgevoerd in koolstofvezelverstekte kunststof, in figuur 12 getoond, even-
eens afgebeeld zonder binnenhuid. Alle verbindingen hiervan zijn gemaakt met dezelfde tweecomponentenlijm (EC 2216), zonder toepassing van klinknagels. Eveneens van koolstofvezelversterkte kunststof gemaakt en ook uitsluitend gelijmd is een proefserie richtingsroeren voor de F28,ziefiguur 13, waarvoor de lijm EA 9309 is gebruikt
Figuur 10 Bij deze alternatieve methode voor het aanbrengen van de lomdruk wordt gebruik gemaakt van magneten en drukstukken die aan de binnenzode van de huidpanelen worden geplaatst
Yi.
Figuur 1 1 Een remklep zonder binnenhuid, gelomd en geklonken
LIJMEN ALS VERBIN DINGSTECHN IEK IN CONSTRUCTIES
Figuur 12 Een remklep zonder binnenhuid van koolstofvezelversterkte kunststof, waarvan alle verbindingen uitsluitendziln gelijmd
?guur 73 €en richtingsroer voor de F28 uit !en proefserie, geheel vervaardigd uit kool:tofvezelversterkte kunststof, waarvan alle Terbindingen uitsluitend zon gelijmd
Figuur 14 De Fokker Bondtester, die in de gehele westerse wereld wordt toegepast voor het niet-destructief beproeven van Iilmverbindingen
De Fokker Bondtester Het principe van dit apparaat voor de niet-destructieve controle van o a gelijmde verbindingen berust op de verschuiving van de resonantiefrequentie en de verandering van de impedantie van een trillende transducer- ondergebracht in een meetkop- ten gevolgevan versc h iI len in de fysieke eigenschappen van de verbinding waarop hij wordt geplaatst. De mate van verschuiving van de resonantiefrequentie en de verandering van de impedantie zijn direct een maat voor de kwaliteit van de verbindingen en kan numeriek worden afgelezen op respectievelijk de A-schaal en de E-schaal van het apparaat. De A-schaal wordt voornamelijk gebruikt voor de controlevan metaal-op-metaalverbindingen, de E-schaal voor sandwichstructuren en de A- en E-schaal tezamen voor bijzondere toepassingen.
De Fokker Bondtester, zie figuur 14, IS geschikt voor de controle van o.a. verbindingen tussen metalen platen, tussen metaalplaat en honingraatstructuren zowel van metaal ais van compositiematerialen, tussen composietmaterialen onderling, voor de controle van de homogeniteit van composietmaterialen, van hardgesoideerde honingraatstructuren, voor laagdiktemetingen en voor een aantal andere toepassingen.
)e Bondtester ISdoor zijn lage gewicht, Jechts 4,8 kg, gemakkelijk verplaats)aar, kan, als extra, met batterijen worten gevoed en is leverbaar met een .abellengte van de meetkop tot 10 m. (oor meer informatie: Fokker E.V. Amterdam, Postbus 12222, 1100 AE Arnterdam.
Het apparaat heefî o.a.. - instelbare grensindicatoren die snelie vergelijking met specifieke kwaliteitsniveaus mogelijk maken; - uitgangen voor oscilloscope en X-Yschrijver voor een verdere analyse van de meetgegevens; - een interface, ais extra leverbaar, voor computerbesturing van het apparaat en computeranalyse van de meetgegevens.
Literatuur Veelvan dehiervoorgenoemdeaspectenzijn in detail behandeld in diverse publikaties, roalsdievoorkomen in tijdschriften als AdhejiveAge(USA),Adhasion (BRD)enAdhesion snd adhesives ( U K ) deel nuttige informatie geven ook diverse voorlichtingspublikaties va se FME en het boek "Metaalgelijmde constructies" van Schl iekelmann
J r g 26
0
No 1
0
lan/febr 1986 25
