23-4-2012

Challenge the future

DelftUniversity ofTechnology

Het verbinden van kunststoffenThemadag - Microcentrum

Jos Sinke, Aerospace Engineering TU Delft

2Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Overzicht

Inleiding

Verbindingsmethoden

Lijmen van kunststoffen

Afrondende opmerkingen

3Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Inleiding

Verbinden van Kunststoffen centraal

Materiaalgroepen:- metalen- keramische materialen- kunststoffen of polymeren- vezelversterkte kunststoffen

4Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

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

5Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

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), ….

6Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Inleiding

Voordelengenoemd bij het “Waarom” van verbindingen

Nadelen

• Toename van gewicht

• Verandering in materiaalgedrag (soms)

• Assembleren is erg tijdrovend/arbeidsintenief

7Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Verbindingsmethoden

4 hoofdgroepen

• Pen-gat verbindingen

• Lijmverbindingen

• Lasverbindingen

• Verbinden door vervorming

8Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Verbindingmethoden

Overdracht van krachten (bijv. Trekkracht):

Klinkverbinding:

Lasverbinding:

9Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

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

10Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

VerbindingsmethodenEen 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-traties

Ja Ja Gering Nee Ja

Verwerkbaarheid Goed Goed Moeilijk Voldoende Goed

Ongelijke materialen Ja Ja Ja Neeo Ja

11Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

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

12Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

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

Lijmen van kunststoffen

13Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenbevochtiging - visueel

geheel geenbevochtiging

gedeeltelijkebevochtiging

vloeistof

oppervlak

volledige bevochtigingθ = 0º

Beeld door microscoop:

Randhoekmeter

14Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenKritische oppervlaktespanning van enkele substraten

Een hypothetische vloeistof met

een oppervlaktespanning gelijk

aan de critische oppervlakte

spanning zal net over dat

oppervlak uitspreiden.

15Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenmechanische 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

16Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenfysische oppervlaktebehandeling

ontvetten

activeren

chemische modificatie oppervlak

corona-ontlading

oxiderende vlam

lage-drukplasma

UV-ozon

laserbestraling

openlucht plasmaBinnen paar uur lijm of verf aanbrengen

17Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffen1e Voorbeeld: Vlambehandeling

Vlam

Werkstuk

• Als gevolg van de warmtebehandeling vindt oxidatie van het

kunststof oppervlak plaats.

• Hierbij spelen ondermeer de werkstuk- snelheid en de

vlamtemperatuur een grote rol.

18Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

shear stress vs platform speed of flame treatment for PE/MMA

0

0,2

0,4

0,6

0,81

1,2

1,4

1,6

1,8

0 10 20 30 40 50 60

speed (m/min)

shea

r st

ress

(M

Pa)

height=75cm height=78cm height=80cm height=86cm

De invloed van snelheid en afstand op de

uiteindelijke hechtsterkte

Lijmen van kunststoffenoppervlaktebehandeling - vlambehandeling

19Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenVlambehandeling

Voordelen

• erg goedkoop in aanschaf

• snel

Nadelen

• moeilijk reproduceerbaar te krijgen

• vormbeperkingen

20Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Twee principes:

Indirecte coronaDirecte corona

Tegen-electrode

Hoogspanning

Werkstuk

Hoogspanning

Perslucht

Werkstuk

Lijmen van kunststoffen2e voorbeeld: Corona behandeling

21Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Invloed van corona dosis op oppervlakte energie van kunststoffen

[Bron: Tigres GMbH]

Lijmen van kunststoffen

Corona behandeling

22Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenCorona behandeling

Voordelen

• snel

• niet erg duur

Nadelen

• vooral goed toepasbaar op vlakke of licht gekromde

oppervlakken

• moeilijk om in productieproces goed reproduceerbaar te

krijgen

23Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenWelke 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

24Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenMogelijkheden – lijmen met fysische uitharding

25Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenLijmen met chemische uitharding

26Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffenHet 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

27Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Lijmen van kunststoffen

In de volgende lezingen zullen een reeks van

voorbeelden en toepassingen worden getoond.

Tot slot nog enkele afsluitende opmerkingen

28Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

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

29Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Afsluitende opmerkingen

Nieuwe concepten – hybride materialen: ARALL, GLARE,…

30Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Afsluitende opmerkingen

Lijmen meest passende verbinding voor nieuwe

materialen?

Composieten, Keramische materialen

Verbinden ongelijke materialen?

31Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31

Afsluitende opmerkingen

Kernpunten voor een goede lijkmverbinding:• Goed ontwerp

• Juiste voorbehandeling• Juiste keuze van lijm en mogelijke tussenlagen

• Goede proces controle (incl. kwaliteitscontrole)