VERBINDINGSTECHNIEKEN

Presentatie over: "VERBINDINGSTECHNIEKEN"— Transcript van de presentatie:

1 VERBINDINGSTECHNIEKEN
VOOR KUNSTSTOFFEN Eerst: gereedschap maken door steen van scherpe punt te voorzien Daarna al snel noodzaak om steen te verbinden aan stok: Eerst omwikkelen met touw (uit vlas) /pees/darm insmeren met houtteer = > stevige verbinding Behoefte aan verbindingstechnieken zo oud als de oermens 1

2 Meestal zijn er dus nog extra bewerkingen nodig nadat een product gespuitgiet , geblazen of gevormd is. Complexe eindproducten worden samengesteld uit verschillende onderdelen. Er zijn verschillende technieken hiervoor beschikbaar.

3 3 Fundamentele Mechanismen
Mechanische verbindingen: schroef,- bout-, klittenband, klinknagel-, fels- en klikverbindingen Chemische verbindingen: lijmen en andere hechtingsmiddelen Fysische verbindingen: lassen en solderen Hybride verbindingen waarbij meerdere technieken worden gecombineerd. vb dekseltje van batterijen bij kinderspeelgoed klik+schroef 3 3

4 3 Fundamentele Mechanismen (2)
Mechanische verbindingen: schroef,- bout-, fels-, klik-, pers- en klinknagelverbindingen Chemische verbindingen: lijmen en andere hechtingsmiddelen Fysische verbindingen: lassen en solderen Trend naar klikverbindingen ten koste van conventionele schroeven en klinken - loonkostenbesparing - constantere kwaliteit - milieuvriendelijker (geen metaal in kunststof) Combinaties zijn ook mogelijk: hybride verbindingen Design for environment met name voor thermohardende lijmen een probleem; als ze eenmaal uitgehard zijn niet meer terug te draaien Verder veel belangstelling voor hechtingsmiddelen die de te verlijmen oppervlakken zelf schoonmaken en voorbereiden, waana zij zichzelf activeren om tot hechting over te gaan. Dit hechtingsproces zou thermisch of chemisch geactiveerd kunnen worden. Meest toegepaste techniek Steeds belangrijker: design for environment Lastechnieken steeds geavanceerder 4 4

5 Overwegingen bij keuze methoden
Welke eisen worden aan het product gesteld ? - sterkte ea, temperatuur (brand), vochtbestendigheid (loslaten), esthetisch (lijmvlekken, lasnaad) Welke eisen worden specifiek aan de verbinding gesteld ? - flexibiliteit, geleiding, bestendigheid tegen UV-licht (bv op glas gelijmde spiegel in auto). Waarom steeds die zwarte achtergrond? Keuze is afhankelijk van materiaalkeuze - ongelijksoortige materialen moeilijk te lassen - sommige materialen moeilijk te verlijmen - aanbrengen van boorgaten kan ongewenst zijn voor sterkte Mogelijkheden bij productie zelf - doorlooptijd, bereikbaarheid van verbinding, bewerkelijkheid Economische afwegingen !! - besparing in constructietijd, verlaging onderhoudskosten, kosten personeel, kosten apparatuur, prijs Levenscyclusanalyse - milieubelasting, hergebruik, afvalverwijdering Estetisch: iedere techniek heeft haar eigen invloeden op het uiterlijk van het product. Levenscyclus analyse: Winnen en behandelen van de grondstoffen, transport en distributie, gebruik, hergebruik, onderhoud, recycling en afvalverwijdering worden allemaal meegenomen. 5 5

6 Verbindingstechnieken
Klikverbindingen Filmscharnieren Schroeven Persverbindingen Lijmen Lassen Alle verbindingprincipes of bevestigingprincipes zijn te herleiden tot drie basisprincipes. Krachtopsluiting, vormopsluiting en materiaalversmelting. Krachtopsluiting: Het kenmerk van een verbinding gebaseerd op een krachtopsluiting is dat als de kracht die de te verbinden delen op elkaar drukt, wegvalt, de verbinding niet meer geborgd is. Vormopsluiting: Het kenmerk van een vormopsluiting is dat de krachten veroorzaakt door een belasting, door de vorm, omgezet worden in een drukbelasting op een vlak. Een ander kenmerk is dat de verbinding geen krachten nodig heeft om verbonden te blijven. Versmelting:Het kenmerk van een versmeltingprincipe is dat de verbinding door atoom of moleculaire krachten tot stand komt.

7 Klikverbindingen Voordelen Vormgesloten verbinding
Veelvoudige vervormings- mogelijkheden Goedkope verbinding Eenvoudige en snelle montage Demonteerbaar én niet- demonteerbaar mogelijk Beperkingen Beperkt toepasbaar voor duurbelasting In het algemeen geen goede afdichting

8 Filmscharnieren Voordelen Integratie van delen en functies
Gemakkelijk te vervormen Geen slijtage Een- of meermalig gebruik Hoge buigwissel-belasting mogelijk Vooral deelkristallijne materialen: PP, PE, POM, PA, PBTP Nadeel Beperkte sterkte

9 Persverbindingen In het algemeen combinatie van metaal en kunststof
Voordelen Eenvoudige vormgeving Eenvoudige montage Beperkingen Relatief lage belastbaarheid Bepalende factoren Statische wrijving Gekozen perspassing spanningsrelaxatie

10 Lijmen van kunststoffen
Lijmverbindingen Lijmen van kunststoffen Het aan elkaar bevestigen van twee delen met behulp van een niet-metallische tussenstof die zich hecht (adhesie) aan het oppervlak van beide delen en die zelf ook voldoende sterkte (cohesie) bezit Tussenstof (= lijm) wordt meestal in een relatief dunne laag aangebracht Tussenstof gaat vanuit een vloeibare of plastische toestand over in een verharde toestand 10 10

11 Specifieke voordelen van lijmen
Ononderbroken verbindingen: geen materiaalbeschadiging (bv schroeven) => ‘Geen’ vervorming of verzwakking van substaat => Gelijkmatige spanningsverdeling; hoge (vermoeiïngs)sterkte => Structurele sterkte is mogelijk Ongelijksoortige (verschillende) materialen kunnen met elkaar verbonden worden Zeer dunne materialen en onderdelen kunnen worden verbonden Verbindingen zijn vloeistofdicht en vaak ook gasdicht Zowel thermisch geleidende als isolerende verbindingen mogelijk Maattolanties minder streng Lijmverbindingen kunnen trillingen zoals vibraties of geluid dempen Verbindingen zijn vaak onzichtbaar 11 11

12 Specifieke nadelen van lijmen
Nadelen t.o.v. andere verbindingstechnieken Vereist extra zorg en toezicht Intensieve, zorgvuldige voorbehandeling van het oppervlak en juiste procescondities Beperkte bestendigheid, o.a. tegen hoge temperatuur en chemische invloeden Sterkte van de verbinding als constructie-element moeilijk te berekenen en moeilijk non-destructief te bepalen Verbinding is niet direct belastbaar (droog- en hardingstijd) Verbinding kan moeilijk worden gedemonteerd Gezondheids-/milieuaspecten mogelijk Grondregel: lijmen alléén als het niet anders kan Behalve de nadelen als hierboven vernoemd, die gelden voor alle materialen die men wilt verlijmen, heeft kunststof een aantal specifieke eigenschappen waardoor bij het verlijmen extra moeilijkheden kunnen optreden. Vergelijken we kunststof nl. met hout of metaal, dan vallen de volgende kenmerken op: Kunststoffen hebben over het algemeen een weinig poreus oppervlak en is daardoor slecht toegankelijk voor mechanische verankering Veel kunststoffen zijn sterk waterafstotend (apolair) en hebben een lage oppervlakte energie, waardoor de spreiding van lijm ongunstig is en de hechtkrachten vaak ook laag. 12 12

13

14 Specifieke nadelen van lijmen
Nadelen kunststoffen t.o.v. andere materialen zoals hout of metaal Weinig poreus oppervlak => slecht toegankelijk voor mechanische verankering Veel kunststoffen waterafstotend (apolair) en lage oppervlakte energie => ongunstige spreiding en lage hechtkracht

15 GOEDE LIJMVERBINDING 15

16 Falende lijmverbinding
Goede lijmverbinding Materiaal 1 Materiaal 2 Lijmlaag Lijmvlak 1 Lijmvlak 2 adhesie cohesie 3 schakels van lijmverbinding: adhesie tussen lijmlaag en materiaal 1 cohesie van de lijm adhesie tussen lijmlaag en materiaal 2 De lijmverbinding heeft alleen voldoende sterkte als: de lijmlaag goed hecht aan de te verlijmen delen, het substraat -> adhesie de lijmlaag zelf voldoende sterkte heeft: cohesie Falende lijmverbinding Adhesieve en cohesie breuk Cohesief: binnen hetzelfde materiaal Adhesief: op grensvlak van twee materialen De lijmverbinding heeft alleen voldoende sterkte als: de lijmlaag goed hecht aan de te verlijmen delen, het substraat -> adhesie de lijmlaag zelf voldoende sterkte heeft: cohesie materiaalfout Cohesief Cohesief Adhesief Cohesief/Adhesief 16 16

17 Adhesie Een allereerste vereiste voor het verkrijgen van een goede hechtlaag is dat de lijm zich goed over het oppervlak verspreidt; dus goede bevochtiging! De hechting berust vervolgens op: Mechanische verankering; lijm verankert zich in oppervlakteruwheden => bij kunststoffen vaak voorbehandeling nodig Fysische interactie door middel van diffusie => ketens kunnen verstrengelen; hulpmiddel: oplosmiddel => juiste oplosmiddel kiezen Chemische interactie - polariteit - functionele groepen die reageren Cohesie Reactie in de lijm die voor ‘vernetting’ zorgt. T, P, t afhankelijk 17 17

18

19 Bevochtiging Voor goede adhesie moet de lijm het oppervlak goed
bevochtingen (of benatten); - goede spreiding van de druppel over het oppervlak er mag geen lucht of andere onzuiverheden tussen de lijmlaag en het substraat zitten 19 19

20 Bevochtiging γSA = γSL+ γLAcosα
Adhesieve krachten tussen de vaste stof en vloeistof zorgen ervoor dat druppel zich uit zal spreiden Cohesieve krachten in de vloeistof zorgen ervoor dat druppel zich tot een bolvorm trekt (groot volume met weinig opp) α γSL γSA air liquid solid γLA Oppervlakte energieën Young’s evenwichtsvergelijking γSA = γSL+ γLAcosα In punt A grijpen 3 grensvlakkrachten aan. Bij een evenwicht moet de algebraische som van de horizontale componenten gelijk aan nul zijn. Hoe groter het verschil van de oppervlakte energie van de solid t.o.v. de liquid hoe beter de bevochtiging! Dus voor solid: OE zo groot mogelijk  vormvast En voor lijm: OE zo laag mogelijk  hoek zo klein mogelijk 20 20

21 Hoe kleiner de contacthoek α hoe beter de bevochtiging
α < 90° bevochtiging (oppervlaktespanning lijm < os werkstuk) α > 90° gebrek aan bevochtiging (os lijm > os werkstuk) Hoe kleiner de contacthoek α hoe beter de bevochtiging 21 21

22 Welke combinatie van polymeer en vloeistof levert de beste
BEGREPEN ??? Welke combinatie van polymeer en vloeistof levert de beste bevochtiging? Oppervlakte energie (nN/m) Polypropeen 29 Ethanol 22.0 Polyvinylchloride 40 Acetonitril 28.7 Liefst zo hoog mogelijk Liefst zo laag mogelijk Polyvinylchloride met ethanol !!!! Als je enkel de keuze hebt uit PP dan is in dit voorbeeld ethanol ook het enige beschikbare bevochtigingsmiddel, er is niets beters. 22 22

23 Fysische interactie Om fysische interactie (verstrengelen van ketens) te verkrijgen moeten de lijmmoleculen in het substraat kunnen diffunderen. De truc hierbij is dat een oplosmiddel wordt gekozen waarin het te verlijmen polymeer goed kan zwellen. Twee “modellen”: Hildebrand oplosbaarheidsparameter geschikt voor apolaire of licht-polaire systemen zonder waterstofbruggen Hansen oplosbaarheidsparameters meer gecompliceerd dan hildebrand 3-dimensionale oplosbaarheidsparameters geschikt voor polaire polymeren Thermoharders zijn niet oplosbaar, kristallijne thermoplasten zijn moeilijker oplosbaar dan amorfe 23 23

24 Hildebrandparameter δ
Geeft een numerieke benadering van de interactie tussen materialen en is dus een goede maat voor de oplosbaarheid van polymeren in oplosmiddelen “like dissolves like” Materialen met gelijke δ zijn goed mengbaar Gebaseerd op cohesieve energie; moeite die het kost om twee (polymeer)moleculen volledig van elkaar te scheiden; dit is ook nodig bij het oplossen van een polymeer in een oplosmiddel Meest geschikt voor apolaire (of licht-polaire) polymeren 24 24

25 oplosbaarheidsparameter
Oppervlaktespanning en oplosbaarheidsparameter 25 25

26 Hildebrandparameter δ
(cal ½ cm-3/2) Hexaan 7.24 Ethylacetaat 9.1 Dichloormethaan 9.93 Ethanol 12.92 PE 7.9 PS Nylon 6,6 13.7 Goed oplosmiddel: Hexaan voor PE Ethylacetaat voor PS Ethanol voor Nylon 6,6 Let op: Nylon 6,6 polair dus Hildebrandparameter geen goede voorspelling: beter  Hansenparameter 26 26

27 Hansenparameter Cohesieve energie gebaseerd op:
- δd energie van dispersiebindingen tussen moleculen - δp energie van polaire bindingen tussen moleculen - δh energie van waterstofbindingen tussen moleculen 3 dimensionale ruimte: hoe dichter polymeer en oplosmiddel bij elkaar liggen, des te beter de oplosbaarheid Interactiestraal polymeer R0 bepaalt oplosbaarheid Londonkrachten, vernoemd naar de Duitse natuurkundige Fritz London, zijn zwakke intermoleculaire krachten (krachten tussen moleculen) die ontstaan uit de aantrekkende krachten tussen tijdelijke dipolen in anders apolaire moleculen. Londonkrachten worden ook London-dispersiekrachten en soms Van der Waalskrachten genoemd, hoewel ze feitelijk hier een deel van uit maken.polaire bindingen: waterstofbindingen Een dipool-dipoolbinding is een binding tussen meerdere moleculen. Het lijkt sterk op de Van der Waalsbinding, maar is bij de meeste stoffen minder sterk. Ook de waterstofbrug is verwant met de dipool-dipoolbinding. Een dipool-dipoolbinding ontstaat wanneer twee polaire moleculen bij elkaar komen. De lichte verschillen in lading in de moleculen zorgen voor een lichte magneetwerking, zodat de polen in de moleculen hun tegenpolen in omringende moleculen gaan aantrekken. Hierdoor trekken de moleculen naar elkaar toe en vormen ze een soort netwerk. 27 27

28 Hansenparameter Rekening houdend met 2 van de 3 parameters 28 28

29 Hildebrand- en Hansenparameters voor enkele polymeren
(eenheid: 10-3 [J/m3]½ ) polymeren  D P H Polybutadieen 18,8 18,0 5,1 2,5 Polyisobuteen 17,6 16,0 2,0 7,2 Polyisopreen 17,4 3,1 Polyamide 18 – 21 Polymethylmethacrylaat 23,1 10,2 8,6 Polyetheentereftalaat 19 – 21 Polystyreen 20,1 6,1 4,1 Polyvinylacetaat 19,0 Polyvinylchloride 22,5 19,2 9,2

30 Hildebrand en Hansenparameters voor een aantal oplosmiddelen (eenheid: 10-3[J/m3]½)
 D P H aceton 20,1 15,6 10,5 7,0 acetonitril 24,4 15,4 18,1 6,2 butanol 23,2 16,1 5,8 15,8 chloroform 18,9 17,7 3,1 cyclohexaan 16,8 cyclohexanol 22,4 17,4 4,1 13,5 cyclohexanon 20,3 8,4 5,2 diethylether 14,5 2,9 dioxaan 20,5 19,1 1,9 7,4 ethanol 26,4 15,9 8,8 19,5 ethylacetaat 18,6 15,3 5,4 9,2 methanol 29,3 15,2 12,3 22,3 methylethylketon 19,0 16,0 9,1 tetrahydrofuraan 19,6 8,0 tolueen 18,3 18,0 1,5 2,1 water 48,0 31,3 34,2 xyleen 1,0

31 Chemische ‘moleculaire’ interactie
Adhesie berust op moleculaire interactie tussen de lijm en het te verlijmen werkstuk Deze interactie berust op ladingsopeenhopingen aan het oppervlak resp. in de lijm, m.a.w. het polaire karakter 31 31

32 Materiaal Bevochtiging Polariteit Oplosbaarheid Verlijmbaarheid PVC goed polair oplosbaar PS slecht/matig apolair PE slecht onoplosbaar PA moeilijk oplosbaar matig PMMA matig/goed PF UP

33 Bevochtiging en oppervlaktespanning
Lijmbevochtiging afhankelijk van de oppervlaktespanning dus: Voorbehandeling nodig bijv. ontvetten ondergrond of opruwen of zelfs ‘verbranden’ Lagere viscositeit (gemakkelijkere vloeiende lijm) nodig Lijm heeft lagere oppervlaktespanning dan substraat Laag-polaire materialen problematisch (o.a. PE, PP, PTFE)  lage Hildebrand of Hansen parameter en dus weinig mogelijke lijm oplosmiddelen

34 HET LIJMPROCES 34

35 Lijmproces Juiste lijmtype kiezen
Voorbehandeling van de te lijmen oppervlakken Gebruiksklaar maken van de lijm Aanbrengen van de lijm, de lijmapplicatie Positioneren van de te lijmen vlakken Het verharden van de lijm Technieken om lijm aan te brengen kwast lijmkam, voor lijmen die in banen opgebracht moeten worden, bijvoorbeeld bij tegelzetten. Industriële lijmdoseerinstallaties (dispensers) en allerlei huiselijke varianten hierop, zoals het lijmpistool, lijmflessen met doseertuit en de Prittstift. Lijmfilm en (dubbelzijdig) plakband 35 35

36 Oppervlaktevoorbehandeling
Voor veel kunststoffen is voor het verkrijgen van een goede hechting een oppervlaktevoorbehandeling nodig. Reinigen van oppervlak Opruwen van oppervlak Veranderen van oppervlak 36 36

37 Oppervlaktevoorbehandeling
Reinigen van oppervlak Verwijderen van vreemde elementen zoals stof, vet, oplosmiddel en water Dit is bij kunststoffen vanwege de elektrostatische aantrekking heel belangrijk Door middel van organische oplosmiddelen, alkalische reinigingsmiddelen (zepen), antistatische rollen en ultrasone velden Opruwen van oppervlak Mechanische verankering: slijpen, metaalstralen, zandstralen (let op asbestose), schuren, hogedrukwaterstraal Mechanische reiniging; Stralen: straalgrid (metalen kogeltjes) wordt met grote snelheid op het substraat geschoten. Hierdoor wordt het vuil mechanisch verwijderd. Vroeger werd zand als straalmedium gebruikt. Vanwege het gevaar op asbestose (stoflongen) is zand als straalmiddel verboden. Water onder hoge druk: (warm) water waar soms zeep aan toegevoegd is, wordt met een hogedrukspuit op het substraat gespoten. Schuren: met behulp van schuurpapier kan mechanisch het vuil van het substraat worden verwijderd. Bij deze reinigingsmethode bestaat het gevaar dat het vuil in de poriën wordt (uit)gesmeerd. Daarom is het aan te bevelen om voor het schuren eerst het substraat (chemisch) te reinigen. Chemische reiniging (kan schadelijk voor de gezondheid zijn) Oplosmiddelen: met behulp van een oplosmiddel wordt het vuil in oplossing gebracht, waarna het mechanisch (met een doek) kan werden verwijderd. Oplosmiddelen kunnen bestaan uit koolwaterstoffen, alcoholen, esters of ketonen. (Verfafbijt is een oplosmiddel). Voorbeelden van oplosmiddelen zijn MEK, thinner, terpentine, xyleen, aceton, wasbenzine, chlorotheen. Tensiden: tensiden zijn oppervlakte-actieve stoffen met moleculen waaraan aan een zijde water en aan de ander zijde vet of olie zich kan hechten. Als een tenside op het substaat wordt aangebracht, hecht deze zich aan het vet of de olie. De vuildeeltjes weken zich dan los, waarna ze gemakkelijk met water kunnen worden weggespoeld. Alkaliën: alkaliën zijn basen of logen die een chemische reactie aangaan met (plantaardige) vetten. Uit de reactie ontstaat zeep (organisch zout). Doordat de zeep oplosbaar in water is, kan het vuil gemakkelijk met water worden weggespoeld. Zuren: een zuur reageert met een mineraal (oxide of kalk). Met het beitsproces wordt door het opbrengen van een verzwakt (verdund) zuur het mineraal dat op het substraat aanwezig chemisch omgezet in een gas. 37 37

38 Oppervlaktevoorbehandeling
Veranderen van oppervlak Bij moeilijk verlijmbare kunststoffen zoals PP en PE is reinigen en opruwen voor mechanische verankering niet voldoende. Extra oppervlaktebehandeling (bv aanbrengen van polaire groepen): Fysisch opruwen: - plasma - bevlammen - coronabehandeling Chemisch opruwen: - etsen met zuren Plasma: een gas wordt door een radio- of hoogfrequent veld geëxciteerd tot een plasma. Dit plasma zal het oppervlak beschadigen (verbreken van de buitenste C-H bindingen van de polymeren) en zo een betere hechting met de lijm mogelijk maken. Mechanisch verruwen: met het mechanisch verruwen wordt het hechtoppervlak vergroot waardoor de lijm zich beter mechanisch kan verankeren. Omdat de lijmkracht hoofdzakelijk door de Van der Waalskrachten tot stand komt, is deze methode weinig effectief. Zie Lijmfaalmechanisme Bevlammen: door met een vlam over het oppervlak te gaan, wordt de oppervlakte beschadigd. De polymeren worden op deze manier opengebroken om een betere hechting met de lijm mogelijk te maken. Coronabehandeling: Een corona ontstaat als bij voldoende hoge spanning tussen twee geleiders het omringende gas geïoniseerd raakt. Deze ionisatie zorgt ervoor dat het substraat gemakkelijker een verbinding met de lijm aangaat. Het oppervlak wordt als het ware geactiveerd. Deze techniek wordt veel toegepast bij folies. 38 38

39 Typen lijm Chemisch uithardend
In het algemeen hoge sterkte, o.a. Epoxy / Polyurethaan (twee- componenten lijm), Cyanoacrylaat (secondenlijm) Polymerisatie-, polyadditie- en polycondensatielijmen 1 of 2 componenten Fysisch uithardend Lagere sterkte oplosmiddelbasis (verdamping oplosmiddel) o.a. chloropreenrubber (bisonkit), nitrilrubber, natuurrubber waterbasis (dispersielijm  verdampen van water) o.a. polyvinylacetaat (houtlijm), ethyleenvinylacetaat hot melt (smeltlijm  smelten en afkoelen lijm) bijna alle thermoplasten mogelijk Drukgevoelige lijmen (contactlijm  stickers, post-it)

40

41 Indicatie verlijmbaarheid materialen

42 Dikte lijmlaag In het algemeen: Hoe dunner de laag, hoe beter bestand tegen afschuifkrachten

43 ONTWERP/CONSTRUCTIE 43

44 Lijmverbinding best bestand tegen afschuiving, minst tegen afpel
ONTWERP/CONSTRUCTIE Het ontwerp die erop gericht te zijn dat: de juiste delen aan elkaar gelijmd worden (spreekt voor zich) de verbinding lange tijd in stand blijft de verbinding alleen aan belastingen wordt onderworpen die ze goed kan uithouden Het spreekt voor zich dat het ontwerp erop gericht dient te zijn dat de juiste delen op elkaar worden gelijmd. Verder is het van belang dat de gelijmde componenten gedurende de levensduur van het product zo goed mogelijk op hun plaats blijven zitten, m.a.w. dat de verbinding langere tijd in stand blijft. Het uiteindelijke (verlijmde) product kan op 4 verschillende manieren worden belast. Lijmverbindingen zijn het sterkst als ze op zuivere trekspanning worden belast. In de praktijk is zuivere trekspanning moeilijk te realiseren. Vaak treedt er tegelijk afpelbelasting op. Afpelbelasting is de achilleshiel van lijmverbindingen en moet zo veel mogelijk worden voorkomen. Een vorm van belasting waar lijmverbindingen ook goed tegen bestand zijn, is afschuiven. Het verdient dus aanbeveling op afschuifbelasting te construeren. Lijmverbinding best bestand tegen afschuiving, minst tegen afpel 44 44

45 Constructie van de lijmverbinding
Afschuifbelasting voorkeur boven afpelbelasting

46 Ontwerp 46 46

47 Ontwerp 47 47

48 Ontwerp Hoekverbinding T-verbinding Vlakverbinding 48 48

49 Lassen van kunststoffen
Lasverbindingen Lassen van kunststoffen De te verbinden delen opwarmen tot ze plastisch worden, tegen elkaar drukken zodat moleculen in elkaar vloeien Door verstrengelingen en fysische bindingskrachten vormt zich één geheel na afkoeling Alleen thermoplastische kunststoffen zijn lasbaar Lastemperatuur begrensd door vloeitemperatuur en ontledingstemperatuur; in dit gebied optimale lastemperatuur Alleen thermoplasten met ongeveer dezelfde lastemperatuur; gelijksoortige materialen 49 49

50 Kenmerken van de meest gebruikte lasprocessen

51 Lasverbindingen Voordelen Belastbare verbinding
Vloeistof- en gasdicht mogelijk Economische techniek Geschikt voor massaproductie Beperkingen Niet demonteerbaar Krimpspanningen mogelijk Alleen toepasbaar voor thermoplasten

52 Lassen van kunststoffen
Lasverbindingen Lassen van kunststoffen Heetgas- of draadlassen Heetelement- of spiegellassen Wrijvingslassen Heatsealen Inductie lassen Laserlassen Ultrasoonlassen Hoogfrequentlassen

53 Heetgaslassen / Draadlassen
Hete lucht of inert gas (N2) Afkanting) Bij het heetgaslassen, ook wel draadlassen genoemd, worden de lasvlakken en het toevoegmateriaal verhit door een gas, waardoor de oppervlaktelagen vloeibaar worden. Het toevoegmateriaal wordt onder druk gebracht, waarbij het een vaste verbinding vormt met de te lassen delen. In de meeste gevallen wordt hele lucht toegepast. Soms zal ter voorkoming van oxidatie van de kunststof (bv bij PE en PP) een inert gas als stikstof gebruikt moeten worden. De te lassen onderdelen worden, net als bij metalen, vaak afgeschuind. Bij V- en X-naden zal de open hoek liggen tussen 60° en 70° en bij naden van hoeklassen rond 45°. Het toevoegmateriaal moet ongeveer dezelfde samenstelling en eigenschappen hebben als het werkstukmateriaal. Bij het heetgaslassen is het van belang dat plaatselijke oververhitting wordt voorkomen, omdat er anders een te grote krimp van het materiaal respectievelijk te hoge krimpspanningsconcentraties ontstaan met als gevolg haarscheurtjes en/of breuk. Oppassen voor oververhitting: vormverlies en schroeiplekken krimpspanning 53 53

54 Heetgaslassen kleine series, prototypes reparaties

55 Heetgaslassen

56 Heetelementlassen / Spiegellassen
Temperatuur laselement Opwarm- en doorwarmdruk Opwarmttijd en doorwarmtijd Omschakeltijd Lasdruk Drukopvoertijd en lastijd Afkoeltijd Wrijvingslassen Bij het heetelement- en spiegellassen wordt gebruik gemaakt van een metalen verwarmingselement - heet heetelement of de lasspiegel - dat de te lassen delen verwarmt, waardoor de kunststof in de directe omgeving van de lasspiegel plastisch wordt. Als voldoende materiaal plastisch is geworden, wordt de spiegel weggenomen en worden de lasvlakken onder druk met elkaar in contact gebracht en gehouden. Voor het verkrijgen van een goede lasverbinding dienen de volgende procesvariabelen voor de te lassen kunststof bekend te zijn: Temperatuur van het laselement; dit is die temperatuur waarbij een optimale plasticiteit van de kunststof ontstaat. Opwarmdruk en doorwarmdruk; de opwarmdruk zorgt voor het verkrijgen en het handhaven van een goed contact tussen spiegel en thermoplast. Nadat de gewenste rilbreedte is bereikt moet de opwarmdruk verlaagd worden tot de doorwarmdruk, teneinde het wegdrukken van gesmolten materiaal te voorkomen. Opwarmtijd en doorwarmtijd; tijd die nodig is voldoende materiaal de juiste plasticiteit te geven. Omschakeltijd; tijd tussen het wegnemen van de spiegel en het samenvoegen van de te lassen delen. Lasdruk; druk die op de lasvlakken wordt uitgeoefend tijdens de lastijd Drukopvoertijd en lastijd; de drukopvoertijd is de tijd waarin de druk op lasdruk wordt gebracht. Afkoeltijd; tijdsduur waarin de las afgekoeld wordt. Bij wrijvings- of frictielassen worden de lasvlakken verhit door de warmte die ontwikkeld wordt ten gevolge van wrijving tussen deze vlakken. De wrijving wordt veroorzaakt door een draaiende of heen en weer gaande beweging. Het wrijvingslassen met een draaiende beweging komt het meeste voor en heet rotatielassen (figuur x). De snelheid waarmee de lasvlakken op lastemperatuur gebracht worden, is mede afhankelijk van de wrijvingscoefficient en de warmtegeleidingscoefficient van de kunststof. Nadat op de lasvlakken een platische zone is ontstaan, wordt het snelheidsverschil tussen de lasvlakken opgeheven en de verbinding onder druk tot stand gebracht. Tijdens de afkoelfase blijft de druk gehandhaafd. Door middel van wrijvingslassen kunnen bepaalde, onderling verschillende thermoplasten gelast worden. De sterkte van een dergelijke las kan veel minder zijn dan bij het wrijvingslassen van dezelfde thermoplasten realiseerbaar is. Omwentelingsnelheid Wrijving 56 56

57 Spiegellassen (methode)
1 en 3 = opname 2 = heet element Langzaam, seconden Goede lassterkte Alleen vergelijkbare materiaalsoorten Geschikt voor niet-symetrische delen

58

59 Spiegellassen

60 Spiegellassen (proces)

61 Spiegellassen (ontwerp)
Te lassen oppervlak volledig vlak Gelijke wanddiktes en afrondingen nodig In het algemeen slechte toleranties Materiaalverdikkingen maskeren met spleet

62 Spiegellassen (voorbeelden)

63 Heatsealen Voornamelijk bij folies. Verbinden van folies Dichten van folies Foliesluiten van verpakkingen

64 Inductielassen Stroomspoelen

65 Laserlassen Met de warmte van een laserbundel wordt op
het contactvlak van twee materialen een lasver- binding gemaakt Eisen aan optische eigenschappen van polymeren Materiaal 1: lasertransparant Materiaal 2: laserabsorberend Smelttemperaturen van materialen moet hetzelfde (zelfde range) zijn Glad contactoppervlak vereist Het laserlassen is een van de nieuwste technieken binnen het terrein van lassen. Bij laserlassen wordt een infrarode laser gebruikt om materiaal aan het grensvlak van de te verbinden delen te verhitten. De meest voorkomende laserlasgeometrie is overlaplassen (transmissielassen). Eén deel is transparant voor de IR-laser, het andere deel absorbeert de straling. Bij de verbinding zoals aangegeven in figuur x, straalt de laser door het IR transparante deel heel op het absorbeerde deel. Het materiaal aan het oppervlak van het absorberende deel zal hierdoor verweken/smelten. Doordat de beide delen fysiek contact maken, wordt het transparante deel ook verwarmd. Een andere mogelijke laserlasgeometrie is het stomplassen. Laserlassen is makkelijk automatiseerbaar en kan met hoge snelheid en precisie gebruikt worden. Omdat bij het laserlassen een heel fijne laserstraal gebruikt wordt, krijgt men slechts een lokale warmte-inbreng in de kunststof waardoor thermische vervormingen tot een minimum worden herleid. Indien beide componenten transparant zijn voor de laserstraling kan men gebruik maken van een zogenaamde infrarood-absorber. Deze absorber brengt men in een heel dun laagje aan tussen te componenten. Bij bestraling met de laser zal de absorber warmte ontwikkelen die beide componenten smelt. overlaplassen (transmissielassen).

66 Laserlassen Voordelen Sterke verbinding Water- en gasdicht
Onzichtbare las Groot aantal kunststoffen mogelijk Geen toevoegmateriaal Lokale en gecontroleerde warmte-inbreng Dimensionele nauwkeurigheid Automatisering, flexibiliteit Hoge snelheid: 1-10 m/min Nadelen Materiaaleisen: transparant of speciale pigmenten Spleten zijn kritisch Investering

67 Laserlassen (methode)

68 Laserlassen (voorbeelden)

69 Laserlassen (voorbeelden)
venster mobiele telefoon reservoir

70 Laserlassen Snel, lokaal, precies
Bij omtrek/serielassen wordt de laserspot langs de lascontour bewogen. De geometrie van de lascontour wordt vastgelegd door besturingssoftware. Dit betekent dat productwisselingen snel kunnen worden uitgevoerd. Bij quasi-simultaanlassen wordt de laserspot met behulp van een scansysteem met bewegende spiegels snel over de gehele lascontour bewogen. Daardoor wordt al het materiaal in de gehele las gelijktijdig in vloeibare vorm gebracht. Bij masker lassen wordt de grootte en de vorm van het bestraalde gebied bepaald door een masker. dit is een plaat met perforaties, die plaatselijke schaduwen werpt op het werkstuk. Techniek hangt af van eisen aan toepassing: serielassen is flexibel, quasi simultaan lassen geeft gelijkmatigere opwarming en afkoeling van las maar is ook duurder. 70 70

71 Laserlassen Lassen van gekleurde kunststoffen kan moeilijk zijn omdat de kleur de interactie van het materiaal met de IR straling beïnvloedt. Meest eenvoudige is het lassen van transparante of zwarte kunststof. Bij transparant op transparant lassen wordt aan het polymeer een kleurstof toegevoegd die in zichtbare golflengten geen absorptie vertoont en dus kleurloos is, maar die in het IR wel absorbeert. Moeilijkst wit op wit. Wit is het resultaat van lichtverstrooiing, daardoor wordt het grensvlak niet bereikt. Liefst IR transparant op IR absorberend materiaal of IR absorber in tussenlaag (soort lijm). Kleuren, wit, lichtverstrooiing. Compatibiliteit kunststoffen is van belang evenals sterkte van laserstraal 71 71

72 Laserlassen Behalve kleur is compatibiliteit of mengbaarheid van polymeren belangrijk. Kwaliteit van lasverbinding hangt verder niet alleen af van het polymeer, maar van veel meer dingen zoals de energie die in de las gestraald wordt, de indringdiepte, de aanwezigheid van glasvezels en vulstoffen. 72 72

73 Ultrasoon lassen Snelle methode, ca. 0,5 – 5 s
Geschikt voor grote series Vloeistof- en gasdicht uitstekend mogelijk Verschillende materialen met elkaar te verbinden Geschikt voor aanbrengen metalen inserts Stijve materialen (amorfe) makkelijker dan flexibele Delen van PA moeten droog zijn Extra investering sonotrode

74 Ultrasoon lassen Materiaalcombinaties
Niet toepasbaar voor thermoharders Amorfe materialen beter lasbaar dan semi-kristallijne Semi-kristallijne materialen alleen met zichzelf lasbaar

75 Ultrasoon lassen (klinken en felsen)

76 Ultrasoon lassen (voorbeelden)
Trim tailgate Mitsubishi Carisma Grille Fiat Tipo

77 Hoogfrequent lassen Ultrasoonlassen
Overlappingsverbinding Kunststof moet trilling/spanning om kunnen zetten in warmte  polaire kunststoffen Ultrasoonlassen Bij het hoogfrequentlassen (HF-lassen) wordt de warmte opgewekt door een hoogfrequente electrische spanning. Deze lasmethode is alleen toepasbaar als het materiaal de eigenschap bezit om hoogfrequente spanningen om te zetten in warmte. Polaire kunststoffen als PVC, PMMA en PA hebben deze eigenschap. Apolaire kunststoffen zoals PE zijn een veel te goede isolator om door stroomdoorgang verwarmd te kunnen worden. Bij het ultrasoonlassen worden aan de op elkaar te lassen delen trillingen van ca. 20 kHz uitgevoerd. Deze trillingen planten zich voort in het materiaal naar de lasnaad toe. Ten gevolge van de wisselende druk en de wisselende schuifkrachten wordt op de lasnaad warmte geproduceerd, waardoor beide leden aan elkaar vloeien. Daar verhitting geconcentreerd is op de lasplaats, zijn zeer korte lastijden mogelijk. Een ander voordeel van het ultrasoonlassen is dat deze techniek voor de meeste kunststoffen toepasbaar is. Op de meeste kunststoffen toepasbaar 77 77

78 Lineair vibratielassen
Productdelen worden ingeklemd en over elkaar gewreven (100 – 240 Hz) Materiaal smelt door opgewekte wrijvings- warmte Kenmerken: Middelsnelle methode (10 – 20 seconden) Verschillende materialen met elkaar te verbinden Minder geschikt voor slappe materialen/producten Grote lasoppervlakken mogelijk Hoge investeringen

79 Vibratielassen methode

80 Vibratielassen (proces)

81 Vibratielassen (voorbeelden)
ontwerprichtlijnen bumper versterking

82 Kenmerken van de meest gebruikte lasprocessen

83 Ontwerp Breukvormen: Materiaalbreuk: in het substraat
Adhesieve breuk: grensvlak substaat <-> lijm Cohesieve breuk: in de lijmlaag De meeste falende lijmverbindingen zijn te wijten aan adhesieve breuken. En dan moet je weer wat gaan bedenken!!!! 83

84

85 Literatuur Van der Vegt en Govaert: Polymeren, van keten tot kunststof; Hoofdstuk 10  , Let op: Deeltjesversterking zelf leren Hoofdstuk 9  9.2, 9.3 en 9.4

86