Lijmen: onbekend maakt (onterecht) onbemind in de metaal
Lijmen over alle industrieën heen vaker toegepast dan lassen
Als je de industrie in de volle breedte bekijkt, wordt lijmen vaker als verbindingstechniek toegepast dan lassen. Alleen de metaalindustrie is hier de uitzondering op. Terecht? Of laten de productontwerpers kansen liggen om lichter te construeren, minder materiaal te gebruiken, spanningen te vermijden en maattoleranties anders op te vangen dan in de dunne plaat?
Puntlassen, MIG/MAG en mechanisch verbinden behoren tot de vaste verbindingstechnieken in de gereedschapskist van de plaatwerker. Lijmen wordt vaak nog gezien als een exotische oplossing: iets voor toepassingen waar lassen niet lukt of niet mag. Die perceptie is volgens Arnold Knottnerus, directeur van de Lijmacademie in het Nederlandse Gilze-Rijen, hopeloos achterhaald. Het aantal toepassingen waarin lijmverbindingen wereldwijd worden ingezet, overtreft dat van lassen inmiddels ruimschoots.
Begonnen vanuit automobielbouw
De automobielindustrie heeft het verlijmen decennia geleden omarmd. In elke personenauto zijn vele meters lijmnaad verborgen, maar wel zeer functioneel. Een lijmnaad kan naast hechten nog meer functies vervullen. De lijm waarmee de voorruit aan de carrosserie wordt verbonden, vangt de thermische uitzetting van de ruit op, net als de trillingen en bewegingen vanuit de carrosserie.
Ook in de carrosseriebouw is lijmen geaccepteerd: in lichtgewicht sandwichpanelen voor wanden van trailers is metaalplaat verlijmd met lichtgewicht honingraatstructuren. Veel ontwikkelingen in zowel de lijmen als de verlijmingstechnologie en de normeringen komen dan ook uit de (Duitse) automotive-industrie. Aanvankelijk kwam de kennis vooral van de lijmfabrikanten. Autofabrikanten pasten lijmen al langer toe, vaak zonder daar volledig grip op te hebben; de behoefte aan kennis en optimalisatie zette de ontwikkeling van testprocedures en kwaliteitssystemen in gang.
Van hieruit heeft de verbindingstechniek zich verspreid naar sectoren als de spoorwegindustrie (treinenbouw) en vliegtuigbouw. Inmiddels kan ook de halfgeleiderindustrie niet meer zonder lijm. Eigenlijk is het vreemd dat de metaalindustrie lijmen nog steeds als iets bijzonders ziet. De voordelen ten opzichte van lassen zijn namelijk legio.
Belangrijke voordelen van lijmen
Een belangrijk verschil tussen lassen en lijmen zit in hoe krachten door de verbinding lopen. Bij puntlassen concentreert de spanning zich op een klein oppervlak; bij lijmen wordt diezelfde spanning verdeeld over het volledige verlijmde vlak.
Dit heeft als voordeel dat men in een constructie vaak dunnere plaat kan toepassen om een vergelijkbare sterkte te krijgen. Dunnere plaat betekent een lager gewicht en minder materiaalgebruik. Ook kan men materiaalcombinaties kiezen die met lassen ondenkbaar zijn, zoals metaal met composiet of keramiek. Een ander wezenlijk voordeel van lijmen is dat er geen warmte in het materiaal komt; geometrische vervorming wordt vermeden en er ontstaat geen inwendige spanning in het plaatmateriaal.
Ook de omgang met toleranties verschilt fundamenteel. Waar puntlassen vereist dat delen strak tegen elkaar worden gedrukt, kan een lijmnaad variaties in maatvoering opvangen zonder dat er inwendige spanning in het materiaal ontstaat. De lijmnaad vangt de tolerantie op. Met lijmen kan men ook andere functionaliteiten toevoegen: warmte-isolatie, elektrische geleiding of juist isolatie, en afdichting.
Corrosiewerende laag
Voor de toepassing van dunne plaat in de automobielindustrie heeft de lijmindustrie een speciale lijm ontwikkeld die de beschermingslaag tegen vliegroest opneemt in de lijmverbinding.
De vettige beschermlaag op de metaalplaat hoeft dus niet eerst verwijderd te worden, wat een complete processtap uitspaart; precies wat de autofabrikanten voor hun productieproces zochten. Het aanbrengen van coatings en andere corrosiebeschermende lagen is wel een punt van aandacht. Hier wreekt zich de starheid waarmee productontwerpers in de metaalindustrie vaak vasthouden aan werkwijzen die bij het lassen horen. Een coatinglaag kan de lijmverbinding negatief beïnvloeden. Als men daar vooraf rekening mee houdt, gaat men pas poedercoaten na het verlijmen, terwijl de volgorde omgekeerd moet zijn. Inmiddels past de scheepsbouw lijmen toe die op de coating worden aangebracht; een voorwaarde is wel dat er een voldoende groot lijmvlak beschikbaar is.
Het belang van juist ontwerpen
De grootste barrière voor bredere toepassing van lijmen in de metaalbewerking zit dan ook niet in de techniek, maar in het ontwerpproces. Veel lijmtoepassingen worden achteraf op een voor lassen ontworpen product geplakt, met alle compromissen van dien. Om de voordelen van lijmen echt te benutten, moet een ontwerper vanaf de eerste schetsen rekening houden met de gekozen verbindingstechniek.
Een eenvoudig voorbeeld om dit te illustreren is het verlijmen van twee aluminium strips. Aluminium heeft een treksterkte van circa 240 newton per vierkante millimeter; een lijmverbinding 20 newton per vierkante millimeter (schuifsterkte). Als je de twee strips met de kopse kant aan elkaar verlijmt, is de verbinding zwak, om niet te zeggen ongeschikt. Dat geldt eveneens als de overlap waar de lijmlaag wordt aangebracht te klein is. Maar zodra het oppervlak voldoende groot is, is de lijmverbinding sterker dan het aluminium en zal de verbinding bij een trektest in het materiaal scheuren en niet in de lijmverbinding. Als vuistregel hanteert de Lijmacademie een overlaplengte van ongeveer tien keer de materiaaldikte. Daar moet men dus in het ontwerp rekening mee houden.
Veroudering: vooraf onderzoeken
Een tweede beperking van lijmen is dat de verbinding veroudert. Ze verliest in de loop van de tijd sterkte onder invloed van uv-licht, vocht en temperatuur. Er bestaat geen wetenschappelijke basis om de levensduur van een lijmverbinding vooraf te voorspellen. Wel kan men met verouderingstesten een verwachte levensduur bepalen. In de laboratoria van de Lijmacademie worden lijmverbindingen versneld blootgesteld aan uv-licht en andere factoren die de kwaliteit van de verbinding kunnen aantasten.
Aan de hand van deze versnelde verouderingstesten kan men met grote mate van zekerheid een uitspraak doen over de uiteindelijke levensduur. In de praktijk blijkt namelijk dat het verlies van sterkte vooral in de eerste weken optreedt; daarna stabiliseert de verbinding. Deze stabilisatiefase geeft voldoende vertrouwen voor industriële toepassing op de lange termijn.
Industriële toepassing van lijmtechniek
Een vaak gehoord vooroordeel over lijmen is dat de verbindingstechniek traag is. De lijm moet namelijk uitharden om de volledige sterkte te bereiken, iets dat al gauw 24 tot 48 uur duurt. Toch, zo blijkt uit berekeningen van de Lijmacademie, wijkt de totale procesduur nauwelijks af van lassen of mechanisch verbinden. Alleen de tijd die voor de afzonderlijke stappen staat, verschilt.
Een voorbeeld is het lassen van stalen pijpen versus het verlijmen ervan. Bij lassen moet het materiaal eerst voorbewerkt worden, dan op temperatuur komen en daarna wordt het gelast. Hierna volgen nog meten en nabewerken, zoals eventueel het aanbrengen van een coating. Netto vergt dit dezelfde tijd als het aanbrengen van een lijmverbinding. Lijmen vergt echter minder mechanische nabewerking dan lassen: er hoeft geen lasnaad geslepen of hersteld te worden. De tijden van bepaalde bewerkingen verschuiven, maar per saldo is er amper verschil. Aluminium en titanium zijn de ideale metalen om te verlijmen, omdat bij deze metalen de oxidehuid aan het basismateriaal vastzit. Men kan dus direct op het aluminium of titanium de lijmlaag aanbrengen.
Bij staal zit de oxidehuid los op het basismateriaal. Voordat men hier lijm op kan aanbrengen, moet deze verwijderd worden omdat er anders geen goede hechting tot stand komt. Bij staal is het raadzaam om eerst te verzinken of te coaten, zodat zich geen nieuwe oxide meer kan vormen, en daarna te lijmen.
Automatisering
De automobielindustrie automatiseert het verlijmen vaak. De lijmbrug is exact gedefinieerd qua hoogte, breedte, diepte, positie et cetera. Voor grotere series loont dat; bij kleinere series is het niet per se nodig. Handmatige lijmprocessen kunnen tot een kwalitatief net zo goede verbinding leiden.
Alleen zal men met de hand een overmaat aan lijm aanbrengen, terwijl men in een geautomatiseerd proces de hoeveelheid lijm heel precies kan doseren. Wel moet men de omstandigheden waaronder de lijm wordt aangebracht in acht nemen. Voor S1-verbindingen, de hoogste kwaliteitsstandaard in lijmen, is een ruimte nodig waarin temperatuur en vochtigheid binnen de bandbreedte vallen die de lijmproducent voorschrijft. Qua contaminatie stellen de verschillende normen geen specifieke eisen, maar het is wel aan te raden om geen lijm aan te brengen in een ruimte waarin bijvoorbeeld gelast wordt. Lasrook is contaminatie voor lijm. De aandacht voor contaminatie is belangrijk, omdat men deze niet direct ziet na het aanbrengen van de lijm. Waar men bijvoorbeeld bij lakken direct de vervuiling ziet, kan die bij lijmen lange tijd verborgen blijven totdat de verbinding faalt.
Daarom worden in de praktijk bij de productie van hoogwaardige producten vaak proefstukjes meegelijmd onder dezelfde omstandigheden. Daarmee kan men testen of er wellicht vervuiling in de lijm is gekomen. Afhankelijk van de lijmsoort kan men soms al binnen een dag testen doen. Daarom is het belangrijk om, als men gaat lijmen, een kwaliteitssysteem op te zetten en dat precies te volgen. De proefstukjes zijn onderdeel van dit kwaliteitssysteem.
(Internationale) normen
Grote bedrijven zoals vliegtuigbouwers Airbus en Boeing maken hun eigen kwaliteitsstandaarden als het om lijmen gaat. Ze neigen hiermee wel steeds meer naar de wereldwijd geaccepteerde standaarden. In feite zijn er vier normen. De eerste is TL A0023, die specifiek geldt voor defensietoepassingen.
Voor de spoorwegindustrie is er de EN 17460-norm, die ook voor België geldt. Deze norm geldt voor het assembleren, repareren en aanpassen van treinen met behulp van lijmverbindingen.
De derde standaard is de internationale ISO 21368-norm. Deze geldt voor sectoren waarvoor er geen specifieke normen zijn. Zo verwijst bijvoorbeeld ASML, dat veelvuldig lijmen als verbindingstechniek gebruikt, naar deze norm. Verder kunnen bepaalde industrieën, zoals de medische, nog specifieke eisen stellen. De ISO 21368 vindt zijn oorsprong in de automotive-industrie en wordt steeds meer geaccepteerd als wereldwijde standaard voor lijmverbindingen.
DIN 2304-2 is de specifieke lijmnorm voor de scheepsbouw.
Recycling
Hergebruik van materialen is een van de speerpunten in het EU-beleid. Mechanisch kan een lijmverbinding verwijderd worden. Debonding is dan ook niet voor niets een thema waar de R&D-afdelingen van lijmfabrikanten mee bezig zijn, mede onder druk van de EU-wetgeving rond circulair materiaalgebruik en health-and-safetyregelgeving.
De industrie heeft inmiddels lijmen ontwikkeld die weer vloeibaar worden als men de temperatuur verhoogt. Deze zogenaamde smeltlijmen worden bij een temperatuur van ongeveer 250 graden Celsius weer vloeibaar, waarna men de onderdelen uit elkaar kan halen. Een voorbeeld van een toepassing van zo’n smeltlijm is te vinden in de autoruiten. Deze zijn tegenwoordig gemaakt van gelamineerd glas. In principe zijn het twee lagen glas met daartussenin een dunne folie die door de hoge temperatuur (in dit geval ongeveer 200 graden Celsius) smelt en de beide glaslagen onzichtbaar met elkaar verbindt. Het glas is na het smelten van de folie volledig transparant, maar bestaat nog steeds uit twee helften.
Een tweede voorbeeld is een secondelijm die gebruikt wordt in de medische wereld. Deze secondelijmen hebben vocht nodig om uit te harden. Maar ze zijn ook gevoelig voor vocht. Uiteindelijk zal vocht de lijm oplossen. In de gezondheidszorg gebruikt men deze specifieke eigenschap om een wond te dichten met zo’n secondelijm in plaats van te hechten. Na verloop van tijd zal het vocht in het huidweefsel de hechting oplossen. Als demontage niet mogelijk is, kan de lijm met het product verbrand worden. Bij hoogsterktetoepassingen is de hoeveelheid lijm ten opzichte van de massa materiaal die gehecht is te verwaarlozen. De eventuele coating is qua hoeveelheid vaak een factor duizend groter.
In elk geval zijn de voordelen van een lijmverbinding, zoals gewichts- en materiaalbesparing, uit milieutechnisch oogpunt vele malen groter dan een eventueel nadeel dat een product niet demontabel is en dus verbrand moet worden. Biobased lijmen zijn industrieel niet toepasbaar. Deze lijmen, gebaseerd op eiwitten en zetmeel, bestaan wel, maar bieden geen constante kwaliteit. In de bouw worden ze wel toegepast, in de industrie niet.
LIJMACADEMIE IN NDEDERLAND
De Lijmacademie in Nederland bestaat inmiddels dertien jaar en ondersteunt zowel de lijmindustrie als de (industriële) gebruikers. Dat gebeurt onder andere door in het laboratorium lijmverbindingen te testen en met versnelde veroudering de levensduur in te schatten. Ook kwalificeert de Lijmacademie voor de industrie processen.
Arnold Knottnerus, directeur, besteedt echter ook nog steeds veel tijd aan het delen van kennis omtrent lijmen en het vergroten van het bewustzijn bij ontwerpers. "Want het begint bij de ontwerper", zegt hij. "Zij moeten leren anders te gaan denken."
De acceptatie is er in de meeste sectoren wel, maar men moet in het ontwerpproces denken vanuit de voordelen van een lijmverbinding om tot een optimaal resultaat te komen. De Lijmacademie verzorgt ook trainingen en cursussen. In het onderwijs is er namelijk nog niet generiek aandacht voor lijmen.