Unione per incollaggio ed interazione con i lubrificanti

A cura di Stefano Grulli

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Dai metodi più tradizionali come la saldatura, la rivettatura o l’imbullonatura, fino ad arrivare alle più moderne tecniche di incollaggio strutturale, sono tante le soluzioni disponibili per l’unione della lamiera. In questo studio i ricercatori si propongono di approfondirne la conoscenza studiando l’influenza di un lubrificante a film secco sulla resistenza e il comportamento a corrosione di un giunto adesivo.

La lavorazione della lamiera rappresenta un settore cruciale nell’industria manifatturiera, caratterizzato da una continua evoluzione in termini di qualità, tempi di produzione e complessità geometrica dei prodotti.

Negli ultimi anni, i trend emergenti in questo ambito hanno portato a una rivoluzione, spingendo le aziende ad adottare approcci innovativi per rimanere competitivi. La qualità del prodotto è diventata una priorità assoluta, con un focus crescente sulla precisione e sulla conformità alle nuove e sempre più stringenti specifiche. Parallelamente, la riduzione dei tempi di lavorazione è diventato un obiettivo chiave per migliorare l’efficienza complessiva.

L’implementazione di metodologie Lean e l’automazione hanno contribuito significativamente a ottimizzare i flussi di lavoro, eliminando sprechi e riducendo i tempi di setup. Ciò ha consentito alle aziende di rispondere più rapidamente alle esigenze del mercato in continua evoluzione. Un ulteriore sviluppo significativo nel settore è dovuto all’aumento della complessità dei prodotti richiesti dai clienti. La crescente domanda di prodotti più efficienti, performanti e di design innovativo ha spinto i produttori a dover gestire forme più complesse e prestazionali.

Anche dal punto di vista dei materiali la tecnologia si è evoluta, così da portare alla ribalta materiali ad alta resistenza, più difficili da lavorare, ma in grado di comporre prodotti dalle maggiori performance ed interesse per il cliente finale. In questo complesso ambiente, le aziende devono riuscire ad aggiornarsi continuamente, implementando con successo queste nuove tendenze per poter mantenere un vantaggio competitivo significativo in un panorama industriale in continua evoluzione.

Unione e lubrificazione

I metodi per l’unione della lamiera tipicamente utilizzati in ambito automotive sono diversi: partendo dai più tradizionali come la saldatura, la rivettatura o l’imbullonatura, fino ad arrivare alle più moderne tecniche di incollaggio strutturale. L’unione tramite adesivo permette di migliorare la rigidità della struttura, ma anche di proteggere contro la corrosione a causa dell’effetto di sigillatura. Un altro vantaggio non trascurabile è quello di non indebolire il substrato. Tuttavia, uno dei punti cruciali da valutare per le giunture è la durata nel corso della vita prodotto.

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Figura 1 – Studio della resistenza e del comportamento a corrosione di giunti adesivi in presenza di lubrificanti

L’ambiente esterno a cui i componenti sono sottoposti durante il ciclo di vita influenza il degrado dei giunti adesivi, ad esempio, gli agenti atmosferici per la carrozzeria di un’automobile. In particolare, l’umidità e gli ambienti corrosivi possono ridurre la durata di questi giunti. Esistono però anche altri parametri influenti, tra questi bisogna considerare la contaminazione della lamiera con lubrificanti poiché potrebbe impattare sulla resistenza a corrosione dei giunti adesivi.

I lubrificanti sono ormai indispensabili per raggiungere gli elevati standard qualitativi richiesti, ad esempio, per applicazioni automotive. Specialmente nella lavorazione di lamiere in alluminio vengono impiegati lubrificanti che non sono poi rimossi durante la fase di unione per velocizzare il processo produttivo. Per questo i ricercatori si propongono di approfondire la conoscenza in questo campo specifico studiando l’influenza di un lubrificante a film secco (“dry-film lubrificant” in inglese abbreviato come DFL) sulla resistenza e il comportamento a corrosione di un giunto adesivo (Figura 1).

La sperimentazione con lubrificanti a secco

Per caratterizzare l’influenza di un lubrificante a secco sulla resistenza del legame di unione e sulla resistenza a corrosione gli autori della ricerca hanno creato una specifica campagna sperimentale. Il materiale rappresentativo utilizzato è una lega di alluminio 6016 frequentemente utilizzata nel settore automotive. L’unione adesiva è stata effettuata con adesivo strutturale epossidico Betamate 1630. Si tratta di una variante commerciale di una resina epossidica con il corrispondente indurente e diversi additivi.

Per la lubrificazione è stato impiegato un lubrificante a film secco Multidraw Drylube E1 basato su oli minerali senza acqua e senza solventi. È un lubrificante allo stato solido a temperatura ambiente resistente all’invecchiamento e conforme agli standard automotive. I provini sono stati preparati seguendo le normative (DIN ed EN) unendo due pannelli di alluminio da 100×25 mm con una sovrapposizione di 10 mm utilizzando l’adesivo strutturale processato a 180 °C per permettere l’indurimento.

Metà dei provini sono stati lubrificati a secco prima dell’incollaggio seguendo le indicazioni normative per poter valutare le differenze. Inoltre, i provini sono stati sottoposti a prove di corrosione accelerata in soluzione salina per 168 h a 70 °C così da studiare il meccanismo di corrosione su provini uniti tramite adesivo. La qualità dell’incollaggio, a valle della prova di corrosione, è stata valutata tramite prove meccaniche di resistenza a trazione.

Risultati

I risultati dei test meccanici sono mostrati in Figura 2. Il comportamento a valle della prova di corrosione accelerata è comparato per i provini in presenza ed in assenza di lubrificante. Per le prime 48 h i risultati sono comparabili nelle due situazioni, mentre la differenza aumenta in maniera sempre più importante con il progredire della prova di corrosione. I provini incollati in presenza di lubrificante presentano un netto calo delle performance a trazione dopo alcuni giorni di corrosione accelerata.

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Figura 2 – Overview dei risultati dei test meccanici in funzione dei giorni passati in immersione nel bagno per la prova di corrosione accelerata. I risultati sono comparati senza (in blu) e con (in giallo) lubrificante

Infatti, a fine del periodo di test, la resistenza residua è inferiore al 10%, mostrando quindi una perdita di unione praticamente totale. Le superfici e le sezioni analizzate a microscopio confermano quanto mostrato dalle prove a trazione. La presenza dei lubrificanti impatta sulla prova di corrosione mostrando un attacco già dopo 24 h. Le immagini mostrano che la corrosione avanza dagli angoli a semicerchio, fino a diffondersi su tutta l’area di incollaggio.

Gli autori, a seguito di diverse analisi, provano a fornire una descrizione completa del meccanismo di corrosione come combinazione di tre diversi effetti (Figura 3). La degradazione dell’adesivo durante la corrosione accelerata è un processo che accade normalmente anche sulle lamiere non lubrificate. Tuttavia, la lubrificazione a secco (DFL) promuove il degrado a causa di un incompleto assorbimento dei lubrificanti da parte dell’adesivo.

Il lubrificante rimane a diretto contatto con l’adesivo epossidico, modificandone la matrice polimerica con conseguenze sia sulle proprietà meccaniche che termiche (Figura 3-1). Un altro effetto è il rigonfiamento dell’adesivo (Figura 3-2) creando cavità che possono assorbire la soluzione salina così da accelerare la corrosione in zone specifiche di interfaccia. Il terzo effetto (Figura 3-3) è la conseguenza logica dell’assorbimento incompleto del lubrificante. Esso viene spostato alle estremità della giunzione creando così una zona con superficie libera per la diffusione della corrosione.

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Figura 3 – Rappresentazione dei meccanismi di corrosione. (1) cambio della matrice polimerica, (2) rigonfiamento dell’adesivo e (3) spostamento del lubrificante

In questo difficile contesto produttivo assumono crescente interesse alcune soluzioni produttive in grado di aumentare le performance dei componenti riducendo i tempi produttivi. Tuttavia è importante prestare la dovuta attenzione all’interazione tra le diverse tecnologie produttive per garantire un risultato di qualità e in grado di durare nel tempo. In questo caso specifico gli autori analizzano l’interazione tra lubrificazione, spesso fondamentale per formare lamiere ad alta resistenza e con geometrie complesse, e incollaggio strutturale.

Come mostrato gli adesivi epossidici possono diminuire le loro performance se vengono a mancare alcuni accorgimenti produttivi. Risulta quindi importante conoscere a fondo i processi produttivi e le loro interazioni per garantire prodotti di alto livello ai clienti.

Fonte: Gruber, R., Singewald, T. D., Bruckner, T. M., Hader-Kregl, L., Hafner, M., & Stifter, D. (2023). Influence of dry-film lubricants on bond strength and corrosion behaviour of 6xxx aluminium alloy adhesive joints for the automotive industry. Lubricants, 11(10), 437.

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