V konstrukci moderních automobilů najdeme v dnešní době široké spektrum dílů vyráběných z kovových, nekovových i tzv. hybridních materiálů. Požadavky na spojování často velmi odlišných typů materiálů nutí výrobce vyvíjet nové metody a technologické postupy pro vytváření takovýchto sestav. Vedle konvenčních možností spojování je tak z uvedených důvodů u výrobců automobilů patrná snaha využívat ve stále větší míře technologii lepení. „Podíl lepených spojů v automobilovém průmyslu ročně roste o 3 %, v celosvětovém měřítku pak lepené spoje představují již zhruba 10 % z celkového objemu. Jedná se o progresivní způsob spojování dílů karoserií a v budoucnu lze předpokládat, že tento podíl lepených spojů se bude ještě zvyšovat,“ konstatoval Ing. Pavel Doubek, Ph.D., z katedry strojírenské technologie Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci. Lepené spoje nabývají na důležitosti také s vývojem nových speciálních typů materiálů se specifickými užitnými vlastnostmi a s cíleně vytvářenými funkčními povlaky reagujícími na aktuální požadavky automobilového průmyslu. Vývoj nových typů lepidel pro automobilový průmysl otevírá cestu pro spojování zcela odlišných materiálů bez ohledu na jejich charakter či tloušťku. „Potenciál technologie lepení v automobilovém průmyslu je nesporný. V návaznosti na další používané výrobní technologie, jako je lisování, svařování a lakování, je nutné si vedle zřejmých výhod lepení uvědomit i některé nevýhody související s použitím této metody spojování. Naším cílem je seznámit odbornou veřejnost zabývající se lisováním s výhodami i nevýhodami této technologie spojování dílů karoserie automobilu,“ říká docent Pavel Solfronk ze stejné katedry.
Lepení spojů proniklo do automotive z letectví Plnění přísných ekologických limitů pro provoz nových automobilů a zároveň zvyšující se požadavky zákazníků na bezpečnost a komfort pasažérů vozidla při neustálém tlaku na snižování výrobní ceny je důvodem zavádění nových technologických postupů a změny koncepce karoserie vozidel. Ukazuje se, že technologie lepení je jedním z možných alternativních způsobů pro dosažení výše uvedených požadavků. Možnost vytvoření celoplošného pevného spoje při minimálních požadavcích na hmotnost vedly k tomu, že počátky průmyslového nasazení technologie lepení jsou úzce spjaté s rozvojem letectví. V konstrukci automobilu najdeme vyšší využití lepených spojů až v posledních dvaceti letech. „Relativně nízké procento vytvářených lepených spojů v automobilovém průmyslu souvisí se sériovosti výroby. Zatímco v leteckém průmyslu je možné provádět časově náročnou přípravu lepených ploch (např. odmaštění, mechanická úprava povrchu, aktivace popř. pasivace povrchu atd.), v automobilovém průmyslu to možné není. Výroba kompletní karoserie automobilu včetně lakování je realizována za několik hodin a je tedy nutné technologii lepení aplikovat přímo na neodmaštěné výlisky dílů karoserie při snaze o zachování veškerých výhod technologie lepení. Je jasné, že lepení v leteckém a automobilovém průmyslu se ze své podstaty zásadně liší jak v použitých lepidlech, tak v technologii jejich nanášení a vytvrzování,“ uvedl docent Solfronk.
Výhody lepených spojů Nejčastější způsob spojování výlisků plechů pomocí svařování, lemování, nýtování atd. je v současné době velmi často kombinován s technologií lepení. Tato kombinace obou spojení přináší řadu výhod, mezi které patří především snížení hluku a vibrací, zvýšení těsnosti spoje a tím zvýšení odolnosti vůči korozi. Typickým příkladem je spodní hrana dveří automobilu jako jedno z korozně exponovaných míst karoserie. „Dveře automobilu jsou tvořeny vnějším a vnitřním výliskem, které je nutné spojit. Pokud v místě spojení těchto výlisků aplikujeme vedle svařování i vhodné lepidlo, je spoj odolnější vůči korozi a výrazně se snižuje hladina akustického zatížení přenášeného do kabiny. Snížení hluku v interiéru automobilu samozřejmě zvyšuje komfort cestujících a je jednoduchým měřítkem pro subjektivní posouzení výhod používání lepených spojů oproti předchozím generacím automobilů,“ přibližuje výhodu lepených spojů docent Solfronk. A připomíná jejich další výhody, kdy kromě úspory hmotnosti při použití menšího množství plechu je možnost spojovat celoplošně velké plochy různých typů materiálů, a to bez ohledu na jejich tloušťku a mechanické vlastnosti, aniž by se ovlivnily vlastnosti spojovaných dílů. Lepené spoje jsou dostatečně těsné a není potřeba je dotěsňovat, výhodou je i možnost výroby spoje s dobrou elektrickou a tepelnou izolací nebo naopak spoje s dobrou elektrickou vodivostí. Povrch spojovaných míst je ve většině případů vysoce kvalitní a odpadají tak náklady na dokončovací operace začišťování. Technologie lepení dále umožňuje bezpečně spojovat i obtížně nebo zcela nesvařitelné materiály. „Významnou výhodou lepených spojů je i zvýšení bezpečnosti posádky. Vývoj lepidel s vyšší pevností uchovávajících si dané vlastnosti i při dynamickém zatížení vedl k využití technologie lepení při spojování strukturních bezpečnostních dílů. Nové typy lepidel vykazují vysokou odolnost proti porušení při tzv. crash-testu a jsou již nedílnou součástí celkové bezpečnosti vozidla,“ dodává Pavel Doubek.
Nevýhody lepených spojů a správná volba lepidla Nevýhodou lepených spojů a její technologie je především vysoká citlivost na technologické podmínky pro lepení. Adhezi lepeného spoje může významně snížit vyšší přítomnost mastnoty a jiných nečistot. Také nepřesnosti ve vzájemné poloze spojovaných ploch jsou negativním faktorem. Vlastnosti lepených spojů dále ovlivňují i teplota prostředí. Nevýhodou je i nízká odolnost proti namáhání v odlupování. Za nevýhodu lze považovat i nutnost dodržovat vytvrzovací dobu. Lepený spoj totiž nelze okamžitě zatížit, protože většina lepidel, které se používají v automobilovém průmyslu, jsou v okamžiku aplikace tlakovými tryskami ve viskózním stavu. Výslednou pevnost lepeného spoje ovlivňuje především přilnavost lepidla k povrchu (adheze), vlastní soudržnost lepidla (koheze), smáčivost a pevnost lepeného materiálu. Lepidla používána v automobilovém průmyslu přitom získávají svou pevnost až při lakování karoserie. „Proces vytvrzení lepidla v lakovně trvá zhruba dvacet minut a teplota při něm dosahuje až 180 °C. Při vytvrzení lepidla důsledkem lakování dochází k výrazným mechanickým změnám lepeného spoje a musí se počítat i s objemovou změnou. Oba tyto faktory můžou být příčinou tvarových změn karoserie projevujících se v makroměřítku i lokálně v podobě pohledových vad, například propadliny, prokreslení lepidla na povrch apod. V případě, že jsou vady karoserie po lakování neopravitelné, je celý dosavadní výrobní proces karoserie znehodnocen, a proto je těmto nežádoucím jevům nutné předcházet. Predikce vzniku možných vad důsledkem použití lepidel v konstrukci karoserie automobilu je jedním z výzkumných úkolů, na kterém spolupracují naše katedra a ŠKODA Auto,“ upřesňuje docent Solfronk.
Jak vybrat správné oleje a lepidla? V jednom osobním automobilu je několik metrů lepených spojů a použito pět až deset základních lepidel. Každé lepidlo zde má svou funkci a účel. Obecně rozlišujeme při stavbě dva typy lepidel, a to tzv. svařovenská (vytvrzují se při vypalování laku) a montážní (studená). Svařovenská ovlivňují pevnost a tuhost celého skeletu karoserie, tlumí a těsní a vytvrzují se teplem. Jedná se především o jednosložková lepidla na bázi epoxidových pryskyřic, kaučuků PUR nebo hybridy. Sem patří i tmely na bázi nátěrů a výplně pomocí nadouvacích hmot nebo některé lepicí fólie. Pro svařovenské lepení je nutné použít taková lepidla, která jsou schopna zajistit požadovanou pevnost a další vlastnosti spoje i po slepení materiálu s olejem na povrchu. Olej na povrchu slouží jako konzervant nebo prostředek pro tažení výlisku z plechu a před vlastním nanesením lepidla se z povrchu plechu neodstraňuje. Celkové množství oleje na povrchu lepených plechů, které zde zůstává po tvářecích operacích, přitom může být až 10 g/m2. Montážní lepidla jsou používána při lepení na montáži. Jedná se např. o lepení plastových doplňků, skel a zrcátek, čalounění apod. Mohou být jedno- i dvousložková podle aplikace.
Výzkum zaručí požadované vlastnosti i životnost V současné době lze na trhu nalézt několik stovek průmyslově využívaných lepidel. Ne všechny tyto produkty jsou však vhodné pro aplikaci při lepení dílů karoserií. Lepené spoje musí splňovat nejen požadované mechanické a užitné vlastnosti v okamžiku výroby, ale tyto vlastnosti musí být garantovány i po celou dobu životnosti lepeného spoje odpovídající životnosti celého automobilu. To klade vysoké nároky na správnou volbu lepidla a dalších komponentů podílejících se na vzniku lepeného spoje. Jedná se především o kombinaci všech druhů maziv použitých při výrobě výlisku, morfologie povrchu plechu s ochrannou protikorozní vrstvou a podmínkách vytvrzení spoje. V tomto ohledu představuje automobilový průmysl specifickou část trhu s lepidly, kdy je nutné vyvíjet jednotlivá lepidla i s ohledem na budoucí kompatibilitu s mazivy používanými při procesu lisování.
Spolupráce s automobilkami ŠKODA Auto dlouhodobě spolupracuje s libereckou katedrou strojírenské technologie v oblasti vývoje a testování nových typů maziv a lepidel používaných při výrobě vozů ŠKODA. Potřeba vývoje, výzkumu a testování nových produktů vedla společnost ŠKODA Auto k pomoci při vytváření technického zázemí fakulty změřeného na testování lepených spojů, tribologických vlastností plechů a maziv a v neposlední řadě k posilování vazeb při řešení odborných prací v bakalářském, magisterském i doktorském studijním programu. Formou spolufinancování technického vybavení Fakulty strojní TUL se ŠKODA Auto pravidelně podílí na rozvoji vybavení laboratoří katedry strojírenské technologie. Díky tomu má fakulta špičkové vybavení v oblasti mechanického testování, korozních testů, tribologických testů maziv a testování při dynamickém zatížení. „Z pohledu výrobní firmy je důležité mít k dispozici nezávislou laboratoř poskytující objektivní výsledky testovaných produktů. Snahou firem dodávajících různé produkty je vyzdvihovat výhody daného produktu a tím není zaručeno jejich nezávislé hodnocení. Výsledky poskytované Technickou univerzitou v Liberci jsou pro nás jedním z důležitých faktorů při hodnocení daného produktu a představují jakýsi etalon při vzájemném posuzování testovaných produktů. Výsledky dosažené ve spolupráci s libereckou univerzitou jsou ve většině případů akceptovány našimi průmyslovými partnery v tuzemsku i v zahraničí. Flexibilita univerzity při řešení výrobních problémů nám umožňuje zadávat i řešit zcela aktuální a krátkodobé výrobní problémy. V rámci dlouhodobých projektů spolupracujeme na tvorbě témat bakalářských, diplomových i doktorských prací,“ říká Ing. Lubomír Roleček z oddělení technického servisu lisování a sváření ŠKODA Auto.
Testy se zaměřují i na kompatibilitu materiálů Proces vytvoření kvalitního spoje vyžaduje v automobilovém průmyslu kompatibilitu používaných maziv, morfologie povrchu plechu s ochrannou vrstvou a vlastního lepidla s následným procesem vytvrzení v lakovně. Problematický je fakt, že vývoj produktů probíhá odděleně a výsledná kvalita lepeného spoje je ovlivněna mnoha faktory. Ukazuje se, že pro zajištění stabilního procesu lepení v automobilovém průmyslu je třeba vybrat vhodnou kombinaci všech produktů podílejících se na vzniku lepeného spoje. V rámci dlouhodobé spolupráce s předními výrobci plechů (Thyssen Krupp, Voest Alpine, TATA Steel, Salzgitter atd.), maziv (Fuchs, Oest, Zeller Gmelin, Quqker, Kluthe atd.) a lepidel (Henkel, DOW, Sika atd.) jsou v laboratořích fakulty strojní testovány nejvhodnější kombinace plechů, maziv a lepidel s cílem dosažení nejvyšších užitných vlastností lepeného spoje. Kvalita lepených spojů je posuzována na základě různých typů mechanických testů při statickém i dynamickém zatížení, kdy jsou zjišťovány pevnostní charakteristiky lepeného spoje a způsob porušení (adheze) spoje. Jedním z dalších kritérií pro hodnocení lepených spojů jsou dlouhodobé korozní a klimatické testy prováděné v solné a teplotní komoře. Při těchto testech se simulují provozní podmínky vozidla, kdy dochází ke změnám teplot, vlhkosti i agresivnímu koroznímu zatížení v zimních měsících. Testují se jak vzorky bez povrchové úpravy, tak i lakované vzorky, kdy testovaný vzorek projde reálným procesem lakování na lince v ŠKODA Auto. Kritériem pro kvalitu lepeného spoje je velikost poklesu všech testovaných vlastností po průchodu solnou nebo teplotní komorou. „Spolupracujeme s předními světovými firmami, které vyrábějí vysoce kvalitní oleje, lepidla i plechy pro lisování karoserií automobilů. Vývoj nových ochranných vrstev, zpřísnění ekologických limitů pro chemické složení olejů a lepidel přináší značné problémy při vytváření lepených spojů. Základním požadavkem je kompatibilita všech produktů podílejících se na procesu lepení s dalšími technologickými procesy výroby karoserie automobilu. V sériové výrobě nelze používat mazivo, které má špičkové parametry jen pro lisování, ale je nevhodné pro následné procesy lepení a lakování. Dalším příkladem jsou vyvíjené speciální povrchové vrstvy vhodné pro lisování či lakování, které je ale obtížné nebo nemožné slepit. V naší laboratoři na základě provedených testů vybíráme nejvhodnější varianty pro dodavatele plechů, olejů i lepidel a následně je doporučujeme pro další schvalovací proces při výrobě karoserií,“ popisuje práci laboratoře docent Solfronk.
Seminář České společnosti pro výzkum zpracování plechu Možnost spojování dílů karoserie pomocí technologie lepení není v podvědomí odborné veřejnosti zabývající se lisováním příliš rozšířena. Ve většině výrob stále převládají konvenční technologie spojování. Z tohoto důvodu Česká společnosti pro výzkum zpracování plechu (ČSVZP) zařadila toto téma na konferenci, kterou pořádala 10. září na půdě Technické univerzity v Liberci. [Podrobnou reportáž z akce najdete v některém z příštích vydání TT – pozn. red.] „Na klasické karoserii je několik tisíc svarů nebo lisovaných spojů. Zastoupení lepení je řádově v jednotkách procent. Jsme ale přesvědčeni, že i když lepení zcela konvenční technologie nikdy nenahradí, jeho podíl se bude neustále zvyšovat. Domnívám se, že je užitečné seznamovat odborníky z praxe s výhodami a nevýhodami lepených spojů a poukazovat na základě výsledků testů na aplikační potenciál této technologie v různých oblastech strojírenství, zvláště pak v automobilovém průmyslu. Jistě, že potom výrobci tyto informace zhodnotí ze svého hlediska. Ale je potřeba, aby se na celý postup dokázali dívat nejen z úzkého pohledu své profese, ale jako na celek. A to je jeden z cílů našich odborných konferencí,“ řekl profesor Jan Suchánek, člen představenstva a jednatel ČSVZP.
Virtuální továrna na spojování dílů karoserie Ke komplexnímu posuzování celého procesu výroby karoserií a i k dalšímu rozvoji lepených dílů karoserie by mohl podle docenta Solfronka pomoci projekt v rámci TA ČR TREND – VIRTUÁLNÍ TOVÁRNA, o který si univerzita letos zažádala. Cílem je simulovat proces výroby karoserie od lisování dílů až po lakovnu jako jeden celek. „Numerické simulace jsou dnes nedílnou součástí návrhu všech technologických operací. Výrobní proces je simulován na PC a reálné testy se provádějí až v okamžiku dosažení uspokojivých výsledků ve virtuálním prostředí. Specializované softwary pro simulace lisování, svařování, odlévání poskytují již poměrně přesné výsledky jednotlivých technologických procesů. Trendem poslední doby je však pohlížet na celý výrobní proces jako celek. Výroba kvalitního dílu v jednotlivých dílčích krocích neznamená automaticky správný výsledek celku. Můžeme si představit, že je vyroben výlisek dle požadovaných parametrů a v následné operaci svařování dojde k deformaci spojované sestavy. Položme si tedy otázku, zda je tedy žádoucí vyrábět lisovaný díl ve tvaru, který nevede na konci k požadovanému výsledku. Stejně tak je to se všemi technologickými operacemi. Naše vize je taková, že výhodnější je simulovat technologické procesy ne od začátku, ale od konce, kdy víme, jak musí vypadat ideální tvar karoserie na konci výrobního procesu po nalakování. Tímto přístupem lze korigovat všechny předchozí operace a kroky až na samý počátek výroby, kdy lisujeme první výlisky. Pro řešení této složité problematiky bude zapotřebí součinnost všech profesí,“ nastiňuje budoucí vývoj na fakultě strojní docent Solfronk. /Jaroslava Kočárková/