Caratteristiche e prestazioni degli adesivi per le giunzioni meccaniche

Quando un progettista sceglie di ricorrere alle giunzioni meccaniche incollate, dovrà tener conto di fattori quali la natura dei materiali da unire, i carichi agenti, lo stato superficiale delle superfici interessate alla giunzione e le prestazioni dell’adesivo, intese sia in termini di resistenza sia di tempo necessario all’indurimento. Un’attività complessa come la soluzione dei problemi progettuali relativi all’impiego di tali giunzioni può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W.

di Stefano Vinto

L’idea di unire materiali diversi tramite l’utilizzo di sostanze adesive o incollanti viene presa in considerazione da migliaia di anni. Attualmente, gli adesivi trovano impiego in molti settori industriali, compreso il segmento della componentistica. Le sostanze adesive o incollanti sono impiegate anche per tenere assieme giunti in materiale composito che, grazie alle loro caratteristiche di leggerezza e durabilità, si stanno conquistando un posto di primo piano nel settore della meccanica. Studi accurati sui materiali hanno permesso di realizzare componenti leggeri e particolarmente efficienti: ne sa qualcosa R+W , che, usando anche giunzioni incollate e materiali innovativi, produce soluzioni dalle prestazioni eccellenti.

Fra i materiali impiegati nella realizzazione di compositi ha una notevole importanza il poliuretano. Negli anni Sessanta i materiali compositi con poliuretano erano prevalentemente usati in ambito aerospaziale e aeronautico, ma la loro leggerezza e robustezza ha lentamente aperto la strada a questa tipologia di prodotti anche in altri ambiti compresa l’edilizia, l’industria automobilistica, la nautica e la meccanica. Non è anzi azzardato dire che questi quattro settori insieme a quello avionico rappresentino oltre la metà del mercato italiano attuale dei compositi. In tempi recenti i materiali compositi basati su poliuretano si sono fatti strada anche nella produzione motoristica. Il loro successo si deve in particolare alle intrinseche caratteristiche del polimero che incontrano e soddisfano l’esigenza – sentita presso le quattro ruote e non solo – di sposare l’aspetto dell’alleggerimento dei pesi, per ridurre consumi e costi, con quello della sicurezza. Senza naturalmente cedere di un passo sul fronte delle prestazioni.

L’ADESIONE NELLE GIUNZIONI INCOLLATE

Gran parte dei materiali con cui si realizzano le giunzioni incollate sono per lo più in forma solida, mentre gli adesivi possono essere sia in forma solida che liquida, come mostrato nella tabella 1 a piede di articolo.

Oggi vi è un’ampia varietà sia di materiali per le giunzioni incollate che di adesivi, oltre che di diverse tecniche di incollaggio, tanto da far sì che molti scienziati e ricercatori nel settore dell’adesione si specializzino in una determinata area, riferita a una particolare combinazione di materiali e adesivi (vedi tabella 2 a piede di articolo.

I vari processi di realizzazione di giunzioni meccaniche incollate differiscono sia in termini di materiali componenti la giunzione e di tecniche di incollaggio, che nei livelli di resistenza e tenuta, ottenuti dall’adesione nella giunzione meccanica risultante (vedi tabella 3 a piede di articolo).

SCALA DI LUNGHEZZA E INTERAZIONI MATERIALE-ADESIVO.

Le principali teorie dell’adesione possono essere raggruppate in due categorie, riferite alla tipologia delle interazioni tra materiale e adesivo: teorie basate sull’interblocco o sull’aggrovigliamento; teorie basate sull’interazione di cariche elettriche superficiali. Inoltre, è utile conoscere le scale di lunghezza sulle quali hanno luogo le interazioni che generano l’adesione. Si consideri la tabella 4 a piede di articolo.

LE PRINCIPALI TEORIE DELL’ADESIONE

Le teorie principali sull’adesione, unanimemente accettate, sono le seguenti: teoria dell’interlocking (interblocco) meccanico; teoria elettrostatica; teoria della bagnabilità, dell’energia libera superficiale e dell’adesione termodinamica; teoria della diffusione; teoria del legame chimico covalente; teoria acido-base; concetto di Strato Limite Debole (WBL-Weak Boundary Layers). Vediamole una a una brevemente.

TEORIA DELL’INTERBLOCCO MECCANICO 

Essenzialmente, l’interlocking meccanico può essere diviso in due gruppi: bloccaggio per attrito; bloccaggio per incastro a coda di rondine.

La figura 1 mostra un diagramma schematico dei meccanismi di interlocking meccanico. Nei componenti incollati tramite interlocking meccanico possono aversi irregolarità, porosità o fessure dove gli adesivi penetrano e vengono assorbiti, per cui le proprietà meccaniche dei materiali incollati sono coinvolte nelle prestazioni meccaniche della giunzione stessa.

Figura 1 - Diagramma schematico dei meccanismi di interlocking meccanico.

TEORIA ELETTROSTATICA 

Il meccanismo dell’adesione elettrostatica è stato proposto per la prima volta nel 1948. Il principio fondamentale del meccanismo elettrostatico consiste nel considerare le superfici unite nella giunzione come le piastre di un condensatore elettrico, attraverso le quali ha luogo il trasferimento di carica. La resistenza di adesione viene così attribuita alle forze elettrostatiche.

La figura 2 mostra una schematizzazione dell’adesione elettrostatica, attribuita al trasferimento di carica da un materiale elettropositivo a uno elettronegativo. La teoria elettrostatica viene impiegata di solito nella descrizione del comportamento di adesione delle polveri alle superfici solide.

Figura 2 - Schematizzazione dell’adesione elettrostatica, attribuita al trasferimento di carica da un materiale elettropositivo a uno elettronegativo.

TEORIA DELLA BAGNABILITÀ

L’adesione termodinamica (o bagnabilità) si riferisce alle interazioni atomiche e molecolari tra le superfici della giunzione e l’adesivo. La tensione superficiale (o energia libera superficiale) è dovuta a queste forze, considerate come proprietà fondamentali dei materiali ai fini della comprensione dei meccanismi dell’adesione. Tali forze risultano così fondamentali per la realizzazione della giunzione stessa. L’incollaggio verrà determinato dalle forze di interazione intermolecolari, altamente localizzate tra i materiali della giunzione. A tale scopo, una buona bagnabilità è indice di elevata resistenza.

La resistenza di una di una giunzione incollata, secondo questa teoria, viene principalmente influenzata da un fattore superficiale chimico ed energetico (tensione interfacciale tra l’adesivo e i componenti della giunzione). La resistenza della giunzione incollata aumenta al diminuire di tale tensione interfacciale. Le forze atomiche e molecolari, che insorgono grazie alla bagnabilità, sono le interazioni acido-base, i legami idrogeno debole e le forze di van der Waals.

TEORIA DELLA DIFFUSIONE 

La teoria della diffusione è basata sul concetto che due materiali sono solubili l’uno nell’altro qualora siano compatibili (ovvero quando i parametri di solubilità di entrambi siano abbastanza simili) e posti in stretto contatto. In tale condizione, i materiali si dissolvono l’uno nell’altro, dando origine a una interfase costituita da una soluzione di entrambi. La giunzione così ottenuta non presenterà discontinuità tra le proprietà fisiche dei materiali.

Nella figura 3 è mostrata una schematizzazione della teoria della diffusione: due materiali compatibili vengono posti a stretto contatto, portando alla formazione di una interfase che ne determina l’adesione.

Figura 3 - Schematizzazione della teoria della diffusione: due materiali compatibili vengono posti a stretto contatto, portando alla formazione di un’interfase che ne determina l’adesione.

TEORIA DEL LEGAME CHIMICO COVALENTE

Un legame covalente è quel legame dove due atomi condividono una coppia di elettroni; questo legame consente il miglioramento della durevolezza di una giunzione incollata. L’energia di legame nei legami covalenti è alla base dell’adesione e della resistenza delle giunzioni.

TEORIA ACIDO-BASE

Tale teoria è basata sulla correlazione delle interazioni acido-base, proposta da Drago e altri, Fowkes e Mostafa, ai fini dell’interpretazione delle interazioni durante l’adsorbimento (ovvero durante l’accumulo di più sostanze fluide liquide o gassose su un condensato solido o liquido) nei polimeri. L’interazione polare risultante viene appunto definita interazione acido-base. Tale teoria costituisce un approccio ampiamente usato nella chimica delle superfici e nell’adesione nel settore della realizzazione di circuiti elettronici stampati.

IL CONCETTO DI STRATO LIMITE DEBOLE

Il concetto di WBL, nella scienza dell’adesione, è stato introdotto per la prima volta da Bikerman. Vengono distinte tre classi principali di WBL: bolle d’aria; impurità all’interfaccia; reazioni chimiche indesiderate tra i materiali della giunzione e l’adesivo. Good ha inoltre indicato la presenza di un WBL sulle superfici della giunzione come determinante della bassa resistenza meccanica della giunzione stessa. L’interfaccia della giunzione costituisce, così, la zona di cedimento di una giunzione incollata, quando un WBL è presente.

Se le prescrizioni relative alla corretta preparazione delle superfici di una giunzione vengono rispettate, il WBL non costituisce un problema. Comunque, in diverse situazioni, avere a disposizione una superficie preparata e pulita durante la realizzazione di una giunzione può non essere possibile, per cui le tipologie di WBL possibili vengono classificate in meccaniche (bolle d’aria intrappolate, danneggiamento della superficie lavorata, sporcizia) e chimiche (contaminazione da lubrificanti, uso di plastificanti e altri additivi, superficie non attiva o invecchiata, erosione).

PRESTAZIONE DEGLI ADESIVI IN UNA GIUNZIONE INCOLLATA (inserire foto 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14)

Al fine di ottenere le migliori prestazioni meccaniche da una giunzione incollata, è opportuno approcciarsi alla sua progettazione tenendo conto delle caratteristiche proprie dell’incollaggio, piuttosto che adattando una progettazione preesistente relativa a una giunzione realizzata tramite bullonatura o chiodatura. Inoltre, i metodi di applicazione dell’adesivo e l’assemblaggio dei componenti della giunzione vanno entrambi considerati nella fase di progettazione. Queste osservazioni, insieme alle condizioni pratiche di indurimento, determinano la scelta ottimale dell’adesivo da impiegare.

Come primo aspetto da considerare, ad esempio, nella scelta di una giunzione incollata al posto di una rivettata, vi è la differenza in termini di effetto di irrigidimento.

La figura 4 mostra un confronto fra l’effetto di irrigidimento di una giunzione incollata e quello di una rivettata, dove x indica la dimensione caratteristica della superficie non irrigidita dalla giunzione. Viene inoltre mostrato come una giunzione incollata va progettata, in modo da avvantaggiarsi dell’effetto di irrigidimento dell’incollaggio.

Figura 4 - Confronto fra l’effetto di irrigidimento di una giunzione incollata e quello di una rivettata (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Per quanto riguarda la differenza in termini di distribuzione della tensione, si consideri la figura 5 che mostra un confronto fra la distribuzione di tensione di una giunzione incollata e quella di una rivettata.

Figura 5 - Confronto fra la distribuzione di tensione di una giunzione incollata e quella di una rivettata (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Generalmente le giunzioni incollate possono essere soggette a tensioni di trazione, di compressione, di taglio o di pelatura, o a una combinazione di esse, come mostrato nella figura 6.

Figura 6 - Tipologie di carico e relative componenti di tensione in una giunzione incollata (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Gli adesivi sono più resistenti alle tensioni di taglio, di compressione e di trazione. Le loro prestazioni sono inferiori quando soggetti a carichi di pelatura o di clivaggio (ovvero di fessurazione lungo la linea di interfaccia dell’adesivo). Una giunzione incollata va quindi progettata tenendo conto dell’anisotropia dell’adesivo, ovvero facendo in modo che le tensioni di carico siano dirette lungo le sue direzioni principali di resistenza.

Gli adesivi strutturali disponibili vengono corredati da schede tecniche che riportano i valori di resistenza a taglio e a pelatura, ricavati tramite test di resistenza standard. Ad esempio, lo standard ISO 4587:2003 impiega un semplice giunto a sovrapposizione realizzato con una lamiera in lega di alluminio, larga 25 mm che si sovrappone per 12,5 mm. La figura 7 mostra un tipico attrezzaggio di questa prova di resistenza.

Figura 7 - Attrezzaggio per un test di resistenza secondo ISO 4587:2003 (fonte: http://www.instron.co.uk).

La resistenza di una giunzione a sovrapposizione dipenderà dalla natura del metallo, dall’adesivo, dallo spessore del metallo e dalla superficie di sovrapposizione. La figura 8 mostra la resistenza a taglio di una giunzione incollata a sovrapposizione.

Figura 8 - Resistenza a taglio di una giunzione incollata a sovrapposizione (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Dati il carico richiesto, il metallo e l’adesivo da impiegare, è possibile stimare: la sovrapposizione ottimale dei metalli di un dato spessore; lo spessore ottimale del metallo per una data superficie di sovrapposizione. Sia la sovrapposizione che lo spessore possono essere rapidamente determinati da un diagramma di correlazione basato su una serie di prove di resistenza.

La figura 9 mostra un diagramma di correlazione per una giunzione a sovrapposizione, ottenuto da un programma di test condotto su giunzioni realizzate in lega di alluminio BS1470-HS30 incollate con resina epossidica indurita a caldo Araldite®. In questo diagramma, ciascun punto della curva (per giunti a sovrapposizione realizzati con il metallo e l’adesivo considerato nella prova di resistenza) rappresenta lo stato tensionale in una particolare giunzione e mostra le relazioni tra le dimensione della giunzione (asse delle ascisse), la tensione tangenziale media nell’adesivo (asse delle ordinate) e la tensione media di trazione nel metallo (pendenza di una linea retta passante per il punto considerato e l’origine degli assi).

Figura 9 - Diagramma di correlazione per una giunzione a sovrapposizione, ottenuto da un programma di test condotto su giunzioni realizzate in lega di alluminio BS1470-HS30 incollate con resina epossidica indurita a caldo Araldite® (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

La figura 10 mostra invece la simbologia per le componenti di tensione in una giunzione a sovrapposizione.

Figura 10 - Simbologia per le componenti di tensione in una giunzione a sovrapposizione (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Le deviazioni dalla sovrapposizione ottimale così determinata riducono l’efficienza della giunzione.

La resistenza di una giunzione meccanica è funzione delle concentrazioni di tensione originate dai carichi applicati. Nella semplice giunzione a sovrapposizione vista in precedenza, si è visto l’insorgere di due componenti di tensione: quella tangenziale e quella di spelatura. Entrambe le componenti di tensione variano sulla lunghezza della giunzione, con concentrazioni di tensione localizzate sulle estremità. Nelle configurazioni della giunzione incollata mostrate nella figura 11, sono rappresentate delle soluzioni alternative che consentono una distribuzione delle tensioni più favorevole, con il conseguente incremento della resistenza.

Figura 11 - Configurazioni base di giunzioni incollate (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Le caratteristiche e le prestazioni dei principali adesivi strutturali impiegati nell’industria sono riportate nella tabella 5 a piede di articolo.

Per quanto riguarda la durevolezza di una giunzione incollata, vanno considerati due aspetti fondamentali: la variazione della resistenza tangenziale al crescere dello spessore dello strato di adesivo e la resistenza a fatica.

La figura 12 mostra la variazione della tensione di rottura media al crescere dello spessore dello strato adesivo.

Figura 12 - Variazione della tensione di rottura media al crescere dello spessore dello strato adesivo (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Il diagramma di correlazione nella figura 13 è ricavato da un programma di test a fatica (secondo la norma DIN EN ISO 9664) di una semplice giunzione a sovrapposizione a taglio, realizzata usando adesivi epossidici induriti a freddo.

Figura 13 - Diagramma di correlazione per una giunzione a sovrapposizione, ottenuto da un programma di test a fatica secondo standard DIN EN ISO 9664 (fonte: http://aralditeadhesives.com/).

Tra le applicazioni notevoli degli adesivi strutturali in ambito industriale, quella più eclatante rimane senz’altro l’industria aeronautica. La figura 14 mostra un particolare dei pannelli incollati della fusoliera del Fokker Gulfstream G650.

Figura 14 - Giunzioni incollate strutturali nella fusoliera del Fokker Gulfstream G650 (fonte: https://www.gknaerospace.com/).

È evidente come l’evoluzione nell’ambito delle giunzioni incollate sia fondamentale nelle scelte progettuali relativi a contesti così articolati e dalle molteplici criticità.

COMPONENTI PER GIUNZIONI INCOLLATE

Un’attività complessa come la soluzione dei problemi progettuali relativi all’impiego delle giunzioni meccaniche incollate, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

In tutti i settori dove si ricorre a giunzioni meccaniche incollate da preservare da vibrazioni e sovraccarichi di coppia, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti a elastomero della serie EK, limitatori di coppia della serie SK e giunti con allunga della serie ZA e EZ.

Giunti R+W Serie EK.

I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità.

I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze Shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.

Giunti R+W Serie SK.

I limitatori di coppia SK, assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre, consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico.

I giunti con allunga della serie ZA-EZ sono ideali per collegamenti con grandi distanze assiali, eventualità spesso presente nelle macchine da imballaggio. Sono facili da montare e smontare senza che occorra muovere o allineare gli elementi da collegare. R+W ha in assortimento giunti con allunghe fino a 6 m, che non necessitano di supporto intermedio. Disponibili in versioni speciali per quanto riguarda materiali, tolleranze, dimensioni e prestazioni, i giunti con allunga R+W se ben dimensionati e montati correttamente non hanno alcuna necessità di manutenzione e una durata praticamente infinita.

R+W Italia si propone sul mercato come partner ideale per la fornitura di giunti, alberi di trasmissione e limitatori di coppia standard e “speciali”, sviluppati su specifica richiesta del cliente con l’obiettivo di offrire il giunto corretto per ogni singola applicazione: l’ampia gamma di prodotti comprende soluzioni per tutte le esigenze. Per una consulenza personalizzata, è possibile contattate R+W telefonicamente al numero +39 0226264163, via mail info@rw-italia.it, tramite webchat disponibile sul sito www.rw-giunti.it o tramite i canali social dell’azienda: potrete contare su #progettiSicuri con R+W! ©TECNeLaB

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TABELLA 5