Alumiinin ja hiilikuitukomposiitin välisen liimaliitoksen optimointi

Abstract

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on perehtyä kirjallisuuslähteiden avulla liimaliitosten optimointiin. Optimointimenetelmiä tarkastellaan erityisesti alumiinin ja hiilikuitukomposiitin liittämistä ajatellen. Kirjallisuustutkimuksen perusteella käsiteltäviksi optimointimenetelmiksi valikoituivat liimattavan kappaleen geometrian ja liimakerroksen päätygeometrian optimointi. Lisäksi työssä tarkastellaan pintakäsittelymenetelmien vaikutusta liiman ja kappaleen välisen adheesion voimakkuuteen. Mekaanisten pintakäsittelymenetelmien lisäksi käsitellään natriumhydroksidipeittausta ja hartsikäsittelyä vaihtoehtoisina menetelminä alumiinin pintakäsittelyyn. Mainittujen menetelmien lisäksi tarkastellaan myös sylinterimäisten liimaliitosten suunnitteluparametrien vaikutusta liitoksen kuormitettavuuteen.

Työn loppupuolella pohditaan esitettyjen optimointimenetelmien soveltuvuutta tarkasteltavaan käyttökohteeseen eli Formula Student Oulun M03 EVO -autoon suunniteltuihin kolmiotukivarsiin. Tukivarsien rakenne koostuu hiilikuitukomposiittisista putkista ja niihin liimattavista sylinterimäisistä alumiinisista päätyholkeista. Käsiteltyjen kirjallisuuslähteiden perusteella suunnitellulla liimaliitoksella on mahdollista saavuttaa 2,5-kertainen kuormituksenkesto suunnittelukriteerinä käytettyyn maksimikuormaan verrattuna käytettäessä työssä suositeltuja pintakäsittelymenetelmiä. Liimattavien alumiiniholkkien geometrian todetaan olevan jännitysten tasaisen liimanpinnan pituuden suuntaisen jakauman kannalta riittävän optimaalinen. Sisäkierteen ja raidetangonpään aiheuttama alumiiniholkin aksiaalisuuntaisen jäykkyyden epäjatkuvuuskohta todetaan kuitenkin mahdollisesti liitoksen kuormitettavuutta heikentäväksi piirteeksi.

The objective of this bachelor’s thesis is to investigate methods used for optimization of an adhesive joint. Special focus is placed on adhesive joints between carbon fiber composites and aluminium. The studied optimization methods were chosen via a literature review. Two of the chosen methods were adherend geometry optimization and optimization of adhesive layer free-end geometry. The effect of surface treatment on adhesive-adherend adhesion strength was also studied. Effects of sodium hydroxide etching and resin pre-coating were studied in addition to traditional mechanical surface treatments in the case of an aluminium adherend. Influence of joint geometrical parameters were studied in the case of tubular adhesive joints.

In the latter part of the thesis the application of studied methods is examined on a reference case. The case in question is a cylindrical joint between a carbon fiber composite tube and an aluminium insert in the suspension A-arms of Formula Student Oulu’s M03 EVO race car. It is determined that the failure load of the designed joint should be two and a half times greater than the determined design load when using surface treatments recommended in this paper. Geometry of the designed insert is determined to be adequate for smooth stress distribution along the bond line. The threaded section of the insert and the rod end thread can cause reduced failure loads by creating a stress concentration in the discontinuity section of insert axial stiffness.