ANALÝZA A HODNOCENÍ KVALITY LEPENÝCH SENDVIČOVÝCH SPOJŮ ABSTRAKT SVOČ FST 2015 Jan Jícha Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika Úkolem této práce bylo zkonstruovat sendvičový spoj, který bude použit v sériové výrobě jako interiérový doplněk do automobilů. Mezi hlavní části této práce patří navrhnout vhodné lepidlo a adherend k danému spojovanému materiálu, který je kovoplastová mřížka. Takto vzniklý sendvičový spoj byl testován při vybraných zkouškách. Vyhovující sendvičový materiál byl poté ostříknut plastem pomocí vstřikovacího lisu, dále laminován a vyleštěn. Výsledný spoj, tak jak bude použit v automobilu, byl taktéž dodatečně zkoušen při vybraných zkušebních metodách. Vzhledem k tomu, že autor a katedra materiálů a strojírenské metalurgie podepsala smlouvu o mlčenlivosti s firmou Novem Car Interior Design GmbH, nemůže tato práce obsahovat podrobné grafy, popis materiálů nebo výroby. Tato veřejná práce proto neobsahuje detailní zpracování aplikačních metod. V prezentaci SVOČ 2015 se ovšem auto zaměří pouze na experimentální část. KLÍČOVÁ SLOVA ÚVOD SENDVIČOVÝ SPOJ, ADHEZE, LEPENÍ, KAŠÍROVÁNÍ, ZKOUŠENÍ LEPENÝCH SPOJŮ Firma Novem Car Interior Design GmbH je největším představitelem interiérových dřevěných doplňků do aut na světě. Zákazníci jsou koncerny, jako jsou Audi, BMW, Mercedes, Volvo, atp. Většina výroby tvoří interiérové doplňky z ušlechtilých dřev, jak je znázorněno na obr. 1 a 2. Obr. 1: Interiérový doplněk do aut z ušlechtilého dřeva. Obr. 2: Interiérový doplněk do aut z ušlechtilého dřeva. 1
Protože firma Novem Car se zabývá v malé míře také materiály, jako jsou hliník, karbon, plasty, kůže nebo kov, vznikl ve spolupráci s katedrou materiálů a strojírenské metalurgii tento projekt. Hlavním úkolem bylo zvolit vhodné lepidlo (3) a adherend (4) k dané kovoplastové mřížce (2). Výsledný spoj bude ostříknut pomocí vstřikovacího lisu firmy Engel, dále laminován a vyleštěn. Rozstřel takového sendvičového spoje je znázorněno na obr. 3. Obr. 3: Sendvičový spoj. 1 - laminovaná vrstva, 2 - kovoplastová mřížka, 3 - lepidlo, 4 - netkaná textilie, 5 - plast. ZKOUŠENÍ MATERIÁLŮ Stanovení pevnosti ve smyku při tahovém namáhání přeplátovaných lepených sestav ČSN EN 1465:2009 Tato norma nahrazuje dříve platnou normu ČSN 66 8510. Podstatou je zjistit pevnost spoje ve smyku. Mezi adherendy vzniká smykové napětí, které vyvolá tahová síla zkušebního stroje. Výsledkem měření je síla popřípadě napětí. Pokud není dáno jinak, rozměry musí vyhovovat dle obr. 4 [7]. Obr. 4: Zkouška podle normy ČSN EN 1465:2009. 2
Zkušební metody na únavu konstrukčních lepidel zatěžovaných ve smyku tahem ČSN EN ISO 9664 (66 8513) Těleso je cyklicky namáháno při pulzujícím napětí. Výsledný počet cyklů, při nichž dojde k únavovému lomu, se stanoví na základě amplitudy napětí a středního napětí kmitu [7]. Výsledkem testu je charakterizace lepidla na přesně daném kovovém adherendu s definovanou povrchovou úpravou. Únavové vlastnosti jsou funkcí geometrie zkušebního tělesa [7]. Zkušební vzorky mají stejnou geometrii jak ona obr. 15. Zkouška v odlupování zkušebního tělesa z ohebného a tuhého adherendu - Část 1: Odlupování pod úhlem 90 stupňů ČSN EN 28510-1 Do čelisti zkušebního stroje se upne ohebný adherend, na který je vyvíjena síla. Ta působí kolmo na rovinu spoje. Posuvová rychlost je konstantní. Adherendy musí mít takovou zkoušku, aby odolaly tahovému napětí. Pro kovy je doporučena tloušťka 1,5 mm. Lepený povrch musí mít minimální šířku 25 mm a jeho délka minimálně 150 mm [7]. Doporučuje se použití pneumatického nebo hydraulického lisu, který je schopen vyvinout tlak až 1 MPa. Doporučená rychlost posuvu je 50 mm/min [6, 8]. Zkouška je znázorněna na obr. 5. Obr. 5: Zkouška podle normy ČSN EN 28510-1. 3
POUŽITÉ MATERIÁLY A TECHNOLOGIE Lepidlo Jedná se o tavnou termoplastickou fólii. Lepidlo je latentně reaktivní složené ze semikrystalického polyuretanu. Má výbornou přilnavost zejména ke kovům jako např. hliník. Dále vyniká výbornou přilnavostí k povrchům jako PVC, ABS, PA, PC, lak nebo textilie. Lepidlo je znázorněno na obr. 6. Netkaná textilie - Vlies Obr. 6: Lepidlo VPT 5901 050 natural. Tato netkaná textilie sestává z dlouhých buněčných vláken na bázi celulózy. Vlákna jsou spojena polyesterovými pojivy. Textilie je skladována ve formě rolí viz obr. 7. Materiál dosahuje vysokých pevností za mokra i za sucha, aby byla dosažena vysoká rozměrová stabilita. Na obr. 9 a 10 je znázorněna textilie v pohledu pod stereolupou. Z těchto dvou obrázků lze vidět, že směr a stavba vláken je na obou stranách jiná. Na obr. 8 lze vidět detailní snímek z konfokálního mikroskopu. Materiál se zpevňuje pomocí speciální vodní trysky, která protkává vodním paprskem celou plochu. Takto upravená textilie má vysokou odolnost proti vnitřnímu roztržení. Obr. 7: Role netkané textilie. Obr. 8: Snímek z konfokálního mikroskopu. Obr. 9: Snímek ze stereolupy vrchní strany. Obr. 10: Snímek ze stereolupy spodní strany. 4
Kovová mřížka Označení kovová mřížka není zcela správné. Jedná se o směs korozivzdorné oceli, drátěného pletiva a plastu. Ocel nese označení 1.4404 neboli ČSN 17349. Podle obr. 11 a 12 lze vidět, že vrchní a spodní strana je rozdílná. Mřížka je určena primárně ke kašírování ke spojování s jinými materiály. Používá se jako interiérový doplněk do aut, nebo např. pro design světel. Na obr. 13 je znázorněn snímek z konfokálního mikroskopu. Obr. 11: Spodní plocha mřížky. Obr. 12: Vrchní plocha mřížky. Kašírování Obr. 13: Snímek z konfokálního mikroskopu Ke spojení jednotlivých vrstev sendvičového spoje byla v rámci této práce použita metoda kašírování. Jedná se o kontinuální proces lepení za sucha. Kašírování je spojení několika vrstev stejných nebo rozličných materiálů. Provádí se v kašírovacím stroji, který spojí materiály pomocí tavné termoplastické fólie. Spojení není trvalé, jelikož je použito termoplastické lepidlo, které po zahřátí ztrácí pevnost. Schéma kašírovacího stroje lze vidět na obr. 14. Materiál projíždí nejprve zónou I, kde dojde k zahřátí. V zóne II dojde k částečnému natavení materiálu. Zóna III s nejvyšší teplotou materiál úplně nataví a poté dochází k zalisování vrstev pomocí válců, jež vyvinou lineární tlak a materiál zalisují. Ihned poté dochází k prudkému chladnutí. Jako pojidlo se může použít i prášek nebo pavučinový nános. Obr. 14: Schéma kašírovacího stroje. 5
ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Cílem této práce bylo vhodně navrhnout adherend a lepidlo k danému spojovanému materiálu. Jako lepidlo byla použita tavná termoplastická fólie a jako adherend netkaná textilie. Vzniklý sendvičový spoj byl testován při statické zkoušce sloupnutí a pomocí kochtestu. Vyhovující spoj byl dále ostříknut plastem pomocí vstřikovacího lisu, laminován a vyleštěn přesně tak, jako bude aplikováno v sériové výrobě v automobilu. Všechny zkoušky a měření vyhověly. Práci lze prohlásit za úspěšnou a nyní zbývá pouze sériová výroba. Záleží ovšem na zákazníkovi, jestli se mu bude takový interiérový doplněk líbit a produkt se bude prodávat. V této písemné práci SVOČ 2015 byly záměrně vynechány mnohé údaje, které blíže popisují materiály, technologie nebo výrobu ve firmě Novem Car kvůli podepsání smlouvy o mlčenlivost. Rovněž byla úplně vynechána kapitola praktické zkoušení a výsledky z téhož důvodu. Autor se jimi ovšem bude zabývat v prezentaci. PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych chtěl poděkovat vedoucímu této práce, panu Ing. Petru Benešovi, PhD. Velké díky patří také vedoucímu vývojového centra ve firmě NOVEM Car Interior Design, k. s. panu Ing. arch. Zdeňku Černému, bez kterého by tato práce nikdy nevznikla. LITERATURA [1] ASM Hanbook; Volume 6: Welding, Brazing and soldering. ASM International, 1993, ISBN 0-87170-377-7 [2] ASM Handbook; Volume 21: Composites. ASM International, 2001 ISBN 0-87170-703-9 [3] Brockmann, W., Gei, P. L., Klingen, J., Schröder, B.: Adhesive bonding Materials, Applications and Technology. Wiley VCH Verlag GmnH & Co, KgaA, 2005, ISBN 978-0-521-32677-3 [4] Mays, G. C., Hutchinson, A. R.: Adhesives in civil engineering. Cambridge university press, 1992, ISBN: 978-0-521-32677-3 [5] PETERKA, J. Lepení konstrukčních materiálů ve strojírenství. Praha 1980, 788 str. [6] HRÁDEK, Z. Metodika modelování lepených spojů v automobilovém průmyslu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 96 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Pavel Ramík. [7] VESELÝ, J. Bakalářská práce: Vliv stavu povrchu na únavovou a statickou pevnost lepeného spoje. Plzeň ZČU, 2013, 66 str. 6