Lichtgewicht construeren met gelijmde verbindingen

28 mei 2010

In de machinebouw zijn veel voordelen te behalen met lichtere constructies. Er is minder energie en kracht nodig en de snelheid van bewegende delen kan omhoog. Bovendien is het afremmen na een versnelling beter onder controle. Dit komt de precisie van bewegingen en de positienauwkeurigheid ten goede. Deze voordelen komen binnen handbereik door alternatieve materialen en verbindingstechnieken zoals lijmen.

Bij het ontwerp van een product moeten designers rekening houden met de eisen die hun opdrachtgever stelt aan de bouw en het functioneren. Eigenschappen die voor lichtgewicht precisietoepassingen vaak van belang zijn, zijn de stijfheid en de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal. Deze karakteristieken moeten dusdanig goed zijn dat het product zijn vorm behoudt en de precisie van bewegingen is gegarandeerd. Een plaat mag bijvoorbeeld maar binnen zekere toleranties doorbuigen.Daarnaast kunnen temperaturen oplopen door hoge versnellingen (wrijving) of omgevingsfactoren. Als de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal laag is, zal de vormvastheid van het product veel beter zijn. Oftewel: temperatuur heeft veel minder invloed op de vormvastheid van materialen met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Verder is natuurlijk het gewicht van groot belang. Als dat laag is, kan de bewegingssnelheid hoger zijn en is er minder energie en kracht nodig voor de gewenste beweging.

De keuze voor het ontwerpmateriaal is dus gebaseerd op stijfheid (E-modulus in GPa), thermische uitzettingscoëfficiënt (α in µm_rek/^oC, verplaatsing per graad temperatuurverandering) en soortelijk gewicht (p in kg/m³). In een zogenaamd Ashby-diagram (zie Figuur 1) kun je deze materiaalparameters tegen elkaar uitzetten om veelgebruikte metalen zoals rvs en aluminium te vergelijken met alternatieven zoals glasvezelversterkte epoxycomposiet (GFRP) en koolstofvezelversterkte epoxycomposiet (CFRP). In deze figuur is ervoor gekozen om de relatieve stijfheid (E/p) te gebruiken. Op deze manier vergelijk je de stijfheden die je kunt behalen per gewichtseenheid materiaal.

Figuur 1: In een Ashby-diagram is de stijfheid per dichtheid uitgezet tegen de thermische uitzettingscoëfficiënt voor diverse materiaalklassen. Bron: CES Edupack 2009-software

Het valt direct op dat koolstofvezelcomposiet veel hogere relatieve stijfheden heeft dan metalen en daarmee een groot gewichtsvoordeel met zich meebrengt. Ook is de thermische uitzettingscoëfficiënt minimaal een factor twee lager, waardoor het een zeer geschikt materiaal is voor het ontwerpen van mechanische toepassingen waar hoge precisie vereist is. Dit is de reden dat IC-producenten tegenwoordig bijvoorbeeld al stages van koolstofvezelcomposiet gebruiken.

Door de beperking van het aantal parameters in het Ashby-diagram blijven er overigens wel een aantal eigenschappen onderbelicht. Omgevingsfactoren zoals temperatuur en vacuüm, en (bewerkings)kosten zullen voor de keuze van het materiaal van het uiteindelijke ontwerp ook van belang zijn.

Spanningsconcentratie

Om lichtere producten te kunnen krijgen, kunnen ontwikkelaars behalve lichtere materialen gebruiken, ook hun ontwerp aanpassen. Soms maakt de toepassing van alternatieve materialen met superieure eigenschappen het zelfs noodzakelijk om een ontwerp volledig te herzien zodat de gewenste voordelen tot uiting komen.

In veel gevallen kan er al gewicht worden bespaard door het aantal onderdelen te reduceren. Een van de opties is bijvoorbeeld het integreren van verstijvers. De basis van een lichtgewicht ontwerp ligt behalve in het gekozen materiaal en de vorm van het product, in de verdeling van massa over het product. Als alle componenten hun functie vervullen, bijvoorbeeld om druk- of trekbelastingen op te vangen, flexibel genoeg zijn om ver door te buigen of juist niet, kan het product optimaal worden geconstrueerd. De beste oplossing is om gebruik te maken van het natuurlijke belastingspad van een element. Waar geen belastingen zijn, kan in veel gevallen gekozen worden voor een open deel. Open uiteinden en abrupte overgangen zijn niet wenselijk omdat die kunnen leiden tot spanningsconcentraties. Door deze algemene aspecten in een ontwerp toe te passen, blijft de hoeveelheid materiaal binnen de constructie-eisen tot een minimum beperkt.

Uit Figuur 1 is duidelijk gebleken dat koolstofvezelversterkte composieten theoretisch de gunstigste eigenschappen hebben voor mechanische toepassingen met hoge precisie. Composieten hebben echter nog meer voordelen omdat onder meer de dikte en de vorm (door plaatselijke verstijvingen) flexibel kunnen worden aangepast. Hierdoor kun je de zwaarder belaste gebieden ook zwaarder uitvoeren met continue overgangen. Daarnaast kun je onderdelen die niet losgemaakt hoeven te worden vaak integreren in het ontwerp. Dit zal over het algemeen leiden tot een besparing in assemblagetijd en kosten. Uit deze overwegingen blijkt dat het niet voordelig is het ontwerp van de al bestaande (metalen) versie klakkeloos over te nemen bij de overstap naar een ander materiaal.

Pellen

Om onderdelen in constructies aan elkaar te bevestigen, zijn er allerlei verbindingstechnieken beschikbaar. Van oudsher worden verbindingen met bouten en lassen veel gebruikt. Het zijn dan ook eenvoudig toepasbare en relatief goedkope oplossingen. De tabel geeft een kort overzicht met een vergelijking van de (on)mogelijkheden van verschillende verbindingstechnieken.

*afhankelijk van uitharden

Met name bij het verbinden van verschillende materialen en in lichtgewicht constructies biedt lijmen unieke voordelen die meer opties geven voor nieuwe ontwerpen. De laatste jaren is er dan ook veel aandacht voor de ontwikkeling van lijmen met speciale eigenschappen, waardoor de aanpak beschikbaar komt voor veel omstandigheden.

Ook om een gewichtsbesparing te realiseren, is het belangrijk de wijze van verbinden van verschillende onderdelen in de gaten te houden. Zo kunnen bijvoorbeeld bestaande verbindingen met bouten worden vervangen door een lijmsysteem. Dit is echter niet alleen een verandering in de wijze van verbinden, maar moet ook leiden tot een optimalisatie van het gehele constructieve ontwerp (zie voorbeeld in Figuur 2). Het is namelijk zeer waarschijnlijk dat verlijmen niet in alle gevallen de beste oplossing is voor het bestaande ontwerp. Als de keuze valt op een lijmverbinding, moet ervoor worden gezorgd dat de belasting drukkend of schuivend is en niet pellend. Als dat niet het geval is, is de verbinding aanzienlijk zwakker.

Figuur 2: Lijmen is vaak een goed alternatief voor lassen of boutverbindingen. Het vraagt over het algemeen wel een aanpassing van het ontwerp.

Gelijmde verbindingen kunnen in veel gevallen ook een goede vervanging zijn voor het koppelen van verschillende metalen die niet kunnen worden gelast zoals rvs en aluminium. Er zijn verschillende mogelijkheden om gelaste verbindingen of boutconstructies te vervangen, en zoals gezegd, vergt dat meestal een aanpassing van het ontwerp. Het elegantste alternatief blijft natuurlijk het vervangen van een verbinding door de integratie van het onderdeel.

Enkele andere voordelen van verlijmen ten opzichte van bouten of lassen zijn de weerstand tegen vermoeiing en corrosie, het vermijden van spanningsconcentraties door continue belastingen, maar ook het besparen van gewicht en kosten door snellere productie en hogere efficiëntie. Lijmen biedt dus een interessant alternatief als het onderdeel niet meer losgemaakt hoeft te worden.

Primer

Als er in het ontwerp wordt gekozen voor het verlijmen van onderdelen, is een weloverwogen keuze voor een passend lijmsysteem noodzakelijk. Een lijmsysteem bestaat over het algemeen uit een voorbehandeling in combinatie met een specifieke lijm. In de overweging moeten worden meegenomen: de te verbinden materialen (metalen, composieten), de eisen aan het product (levensduur, belastingen) en de omgevingskarakteristieken (temperatuur, vocht).

De voorbehandeling van het materiaal is afhankelijk van de te verlijmen materialen en de gekozen lijm en bestaat ten minste uit het ontvetten van het oppervlak. In het geval van moeilijker te verlijmen materialen kan echter ook een chemische (bijvoorbeeld etsen), mechanische (bijvoorbeeld schuren) of fysische (bijvoorbeeld plasma) voorbehandeling nodig zijn om een zo hoog mogelijke hechtsterkte te behalen. In specifieke gevallen kan ook een dunne primerlaag van enkele microns een aanzienlijk betere verbinding geven vooral wat betreft duurzaamheid. De selectie van de voorbehandeling is cruciaal omdat dit de levensduur aanzienlijk kan beïnvloeden, zowel positief als negatief.

Omdat er een zeer groot aantal lijmsystemen commercieel op de markt verkrijgbaar is, is het aan te raden vooraf informatie in te winnen. Het Hechtingsinstituut van de TU Delft adviseert al bijna twintig jaar grote en kleine bedrijven op het gebied van voorbehandeling en ontwerp van gelijmde systemen. Daarnaast kunnen bedrijven gebruikmaken van de kennis en apparatuur van de TU Delft, waardoor er multidisciplinaire expertise aanwezig is uit de voorhoede van de wetenschap op zeer uiteenlopende toepassingsgebieden.

Frederik de Wit, Ramona Steenbreker, Hans Poulis werken bij het Hechtingsinstituut van de TU Delft.

Hans Poulis, Ramona Steenbreker en Frederik de Wit

Terug naar overzicht