Można wyróżnić wiele procesów wytwórczych jak np. kucie czy odlewanie. Jednak jakie procesy są najczęściej wykorzystywane przez twórców do tworzenia dzieł? Najpopularniejszymi procesami, nie tylko produkcyjnymi, ale też regeneracyjnymi czy naprawczymi, są metody łączenia materiałów.
Wprowadzenie
Niezależnie od branży (od medycyny po wytwórstwo artystyczne) metody łączenia materiałów ze sobą stanowią jeden z najbardziej podstawowych procesów wytwórczych. To właśnie poprzez różnej maści łączenia krzemienia z trzonkiem, a także drewna ze skórami i kamieniem pozwoliło naszym praprzodkom tworzyć pierwsze narzędzia i budowle. Teoretycy wciąż spierają się, czy aby to właśnie metody łączenia materiałów nie są pierwszymi procesami tworzenia przyswojonymi przez ludzkość – podwalina techniki i artyzmu. Właśnie, czy mówiąc o łączeniu materiałów, należy brać pod uwagę tylko i wyłącznie wytwórstwo? Otóż nie. Łączenie materiałów ze sobą pozwala dokonywać napraw i tworzyć inne materiały konstrukcyjne (np. kompozyty).
Do metod łączenia materiałów zalicza się wiele technik. Choć pod względem różnych gałęzi przemysłu wykorzystuje się tylko część z nich (np. ze względu na stosowane materiały), to już w pracach artystycznych jest inaczej. Rozważając wytwórstwo artystyczne, jako odrębną dziedzinę, należy wskazać, iż to właśnie w niej stosuje się wszystkie metody łączenia materiałów. Nie odnosi się to tylko do obecnie stosowanych, ale także tych, których w przemyśle nie wykorzystuje już od setek lat.
Metody łącznia materiałów – definicja i podział
Montaż różnych części w jeden zespół nazywa się łączeniem. Do metod łączenia materiałów zalicza się wszelkiego typu operacje, które prowadzą do złączenia minimum dwóch elementów. Jednakże to nie wszystko, połączenie to musi być na tyle silne, by dzięki niemu możliwe było stworzenie zwartego produktu pełniącego konkretną funkcję. Zatem kiedy łączymy ze sobą elementy, kreujemy twór, który właśnie dzięki temu połączeniu może być przez nas użytkowany. Przykładem jest rower – jeśli kierownica, rama, siodełko i koła nie byłyby ze sobą dobrze połączone, nie moglibyśmy mieć środka transportu. Innym przykładem są ceglana budowla i stos cegieł. Ta pierwsza powstała z trwale połączonych ze sobą cegieł i dzięki temu stanowi wytrzymałe schronienia. W drugim przypadku mamy tylko stos elementów, które bez trwałego połączenia nie stanowią żadnego tworu przydatnego człowiekowi.
Do łączenia dochodzi przy użyciu różnych materiałów wiążących (np. zaprawy, kleje), konstrukcji łączących (np. śrubunku, sworzni) lub poprzez spajanie ze sobą elementów (np. zgrzewanie, spawanie). W technice metody łączenia materiałów rozdziela się na dwie kategorie: połączenia rozłączne i nierozłączne. Podstawowe rodzaje tych połączeń (pod względem mechanicznym) przedstawiono na poniższym rysunku.
Rys.1. Podstawowa klasyfikacja połączeń w mechanice
Połączenia nierozłączne zapewniają trwałe związanie materiałów, którego nie można rozdzielić bez zniszczenia połączenia (często wraz z uszkodzeniem materiałów połączonych).
Połączenia rozłączne pozwalają na wielokrotny montaż i demontaż połączenia za pomocą tych samych elementów łączących.
Czy wiesz , że...
Coraz częściej literatura naukowo-techniczna do połączeń rozłącznych zalicza np. połączenia magnetyczne i elektromagnetyczne. Pod względem komercyjnego zastosowania wciąż są to jednak tylko koncepcje. Mimo to, konstrukcje powstałe przy użyciu magnesów (połączeń magnetycznych) byłyby pomocne do szybkiego konstruowania elementów użytkowych krótkotrwałego użycia. Jak na razie połączenia magnetyczne opanowały tylko przemysł zabawkarski – produkty typu „Magnetic Building Toys”.
Wymieniony wcześniej podział jest podstawową i najczęściej wykorzystywaną kategoryzacją połączeń. Możesz jednak spotkać inne klasyfikacje. Jedną z nich jest podział stosowany w konstrukcjach maszynowych oraz budowlanych:
- Połączenie pośrednie opierające się na zastosowaniu dodatkowego elementu łączącego, np. nitów, śrub, kołków, zawleczek;
- Połączenia bezpośrednie, czyli takie, które powstały w wyniku ukształtowania elementów łączonych np. łączenia wielowypustowe, gwintowe.
Rys.2. Zestawienie dwóch podziałów połączeń stosowanych w mechanice i budowie maszyn
Inna klasyfikacja dzieli metody łączenia materiałów na:
- Połączenia sztywne, w którym złączone ze sobą elementy nie zmieniają położenia względem siebie podczas pracy;
- Połączenia ruchome, gdzie podczas pracy połączone części zmieniają względem siebie położenie (przesuwają się lub obracają).
Metody łączenia materiałów w wytwórstwie artystycznym
Jak wspominałem na początku, w wytwórstwie o charakterze artystycznych wykorzystuje się wszystkie metody łączenia. Twórcy tworząc swoje dzieła, nie tylko wykorzystują obecnie stosowane w przemyśle metody połączeń, ale także sięgają po rozwiązania z przeszłości i przyszłości. O ile mówiąc o przeszłości mam na myśli np. różne receptury klejów, to w przypadku przyszłości nawiązuje do stosowania nowych rozwiązań koncepcyjnych. Jednakże niezależnie od pochodzenia metod, ich klasyfikacja odzwierciedla wcześniej zaprezentowany podstawowy podział metod łączenia materiałów.
Połączenia rozłączne kształtowe
Do tej grupy zalicza się wszystkie metody łączenia materiałów wykorzystujące kołki, kliny, sworznie i wpusty. W ich przypadku należy zawsze uwzględniać je w fazie projektu danego dzieła. Wiąże się to z wymogiem przygotowania odpowiednich wycięć, powierzchni i otworów pod elementy łączące (np. kołki) oraz ustalenie charakteru połączenia. Co rozumiem przez ostatnie wyrażenie? Ustalenie możliwych sił działających na dane połączenie. Jeśli elementy łączące będą nieobciążone, nie trzeba wykonywać żadnych obliczeń wytrzymałościowych. Natomiast gdyby złącze miało pracować pod obciążeniem, kołki, kliny lub wpusty należy dobrać ze względu na kryterium:
- Maksymalnego nacisku powierzchniowego;
- Wytrzymałości na zginanie;
- Wytrzymałości na ścinanie.
Metody zaliczane do tej grupy połączeń to przede wszystkim:
- Kołkowe, które głównie służą do ustalenia położenia elementów względem siebie lub też przenoszenie sił z jednego elementu na drugi, natomiast same elementy łączące to zazwyczaj walce, ścięte stożki, kołki z karbami i nitokołki;
- Sworzniowe, które najczęściej stosowane są do łączenia różnego rodzaju przegubów;
- Klinowe i wpustowe będące połączeniami głównie wałka z piastą, gdzie rozróżnia się wpusty pryzmatyczne, ślizgowe lub czółenkowe, natomiast w przypadku klinów rozróżnia się typy wzdłużne, wpuszczane, płaskie, wklęsłe i noskowe;
- Wielowypustowe i wielokarbowe, które wykorzystywane są m.in. przy łączeniu wałów napędowych, przekładni kierowniczej z kolumną, kół przesuwanych mechanizmu przekładni albo stosowane są do wałów przegubowych;
- Bagnetowe zapewniające możliwość szybkiego rozłączenia elementów (znalazły zastosowanie m.in. przy mocowaniu żarówek samochodowych).
Dużą zaletą tej grupy połączeń jest to, że mogą stanowić złącza ruchowe i kształtowe, gdzie powierzchnie łączonych elementów mogą wnikać w siebie. Te metody łącznia materiałów w wytwórstwie artystycznym często wykorzystuje się np. w meblarstwie.
Rys.3. Przykład artystycznego połączenia wielowpustowego zastosowanego w meblarstwie
Połączenia wiązane
Jest to chyba najstarszy i najprostszy sposób połączenia ze sobą materiałów. Polega na związaniu ze sobą elementów podłużnymi elementami plastycznymi (np. drut miedziany) lub wiotkimi (np. lina konopna). Warto zauważyć, iż do tego typu metod zalicza się także stosowanie wszelkiego typu taśm przylepnych. O ile pojęcie samego wiązania jest już każdemu dobrze znane od wczesnych lat dzieciństwa i wydaje się „banalne”, to w perspektywie przemysłowej czy rzemiośle artystycznym jest to typ połączenia wymagający niekiedy specjalistycznej wiedzy i długoletniej praktyki. Odpowiedni dobór materiałów wiążących i sposoby wiązania mogą zapewnić połączenie rozłączne wytrzymujące obciążenie wynoszące nawet kilka ton. W rzemiośle artystycznym połączenia wiązane stosuje się m.in. w meblarstwie lub jubilerstwie.
Rys.4. Przykład wiązania zastosowany w jubilerstwie
Połączenia gwintowane
Jest to najczęściej wykorzystywany typ połączeń rozłącznych. Połączenia gwintowane (lub inaczej bezpośrednie rozłączne kształtowe) opierają się na wykorzystaniu tarcia powierzchni roboczych gwintu w celu uniemożliwienia rozłączenia się złączonych materiałów. Złącze gwintowane składa się minimalnie z dwóch elementów: elementu gwintowanego zewnętrznie oraz drugiego gwintowanego wewnątrz. Znormalizowane łączniki gwintowe przyjmują najczęściej postać śrub, wkrętów i nakrętek. Te pierwsze posiadają łby w kształcie umożliwiającym ich przykręcenie za pomocą klucza (np. sześciokątne, kwadratowe lub wewnętrzne pod klucz typu Torx). Natomiast wkręty posiadają nacięcie płaskie lub krzyżowe do wkrętaków, którymi są wkręcane. W połączeniach gwintowych spotykamy również śruby dwustronne (tzw. szpilki) i śruby rzymskie (posiadają prawy i lewy gwint). Aby zapobiec samoczynnemu odkręcaniu się nakrętek, wskutek drgań towarzyszących pracy stworzonych konstrukcji, stosuje się zabezpieczenia w postaci zawleczek, podkładek sprężystych, odginanych itp. wytwórstwie artystycznym są to podstawowe metody łączenia konstrukcji stalowych oraz drewnianych, które wymagają możliwości składania i rozkładania, co ułatwia transport i przechowywanie.
Rys.5. Zastosowanie wkrętów w dziele artystycznym
Połączenia nierozłączne poprzez spajanie
Spajanie to nierozłączne łączenie elementów, które najczęściej stosuje się w przypadku metali oraz polimerów. Spajanie w mechanice obejmuje następujące metody łączenia materiałów:
- Spawanie, które tworzy połączenie poprzez nadtopienie brzegów łączonych elementów, a także (nie zawsze) dodatkowego materiału – spoiwa, dzięki wygenerowaniu wysokich temperatur (poprzez np. łuk elektryczny lub wiązkę laserową);
- Zgrzewanie prowadzące do powstania na powierzchni styku łączonych materiałów tzw. zgrzeiny, której jakość połączenia kontroluje się przez docisk, temperaturę i czasu trwania procesu;
- Lutowanie polegające na łączeniu materiałów pozostających w stanie stałym (bez ich nadtapiania), za pomocą roztopionego metalu – spoiwa, zwanego lutem;
- Lutospawanie, czyli metoda przypominająca spawanie z tą różnicą, że wymaga niższej temperatury oraz lutu.
… i klejenie, jednakże pozwolę je sobie pominąć ze względu na to, iż w aspekcie wytwórstwa artystycznego należy je rozważać w trochę innej kategorii (o czym zaraz).
Rys.6. Artysta podczas łączenia elementów stalowych poprzez spawanie
Połączenia przy użyciu substancji wiążących
Są to metody łączenia materiałów, które wykorzystują substancje wiążące. Rozumiem przez nie substancje posiadające zdolność trwałego łączenia powierzchni dwóch materiałów. Możliwe jest to dzięki działaniu sił przyczepności do powierzchni złączanej (adhezja) oraz sił spoistości wewnętrznej substancji łączącej (kohezja). Co to za substancje? Są to wszelkiego typu kleje oraz zaprawy. Ich różnorodność jest naprawdę duża, a zastosowanie ma miejsce dosłownie wszędzie – od protetyki stomatologicznej po budownictwo w warunkach ekstremalnych.
Wykonywanie połączeń przy stosowaniu substancji wiążących jest jedną z najprostszych metod łączenia materiałów. Cały etap przebiega następująco: dwa elementy, które chcemy połączyć ze sobą, należy pokryć warstwą substancji, docisnąć do siebie i odczekać aż dojdzie do związania. Niektóre substancje wymagają dodatkowej obróbki termicznej. Inne z kolei wymagają swoistej obróbki chemicznej – stworzenie substancji wiążącej z minimum dwóch substratów. W rzemiosłach artystycznych wykorzystanie substancji wiążących ma miejsce dosłownie wszędzie. Nawet jeśli nie jest wykorzystywane w samym procesie wytwórczym, to stosuje się je przy produkcji elementów wspomagających lub naprawie. Przykładem może być garncarstwo, w którym w przypadku pęknięć lub uszkodzeń stosuje się spajające substancje wypełniające.
Rys.7. Decoupage przy użyciu kwiatowych szablonów i kleju
Połączenia nierozłączne plastyczne
Istotą połączeń nierozłącznych plastycznych jest trwałe odkształcenie elementów łączonych lub łączników. Wśród tych połączeń najbardziej rozpowszechnione są połączenia nitowe. Elementami łączącymi są nity umieszczane w otworach, wykonanych w łączonych elementach, a następnie ich zakuwanie ręczne lub maszynowe. Innym przykładem połączeń nierozłącznych plastycznych może być łączenie przez zawijanie krawędzi lub poprzez zawalcowywanie.
Rys.8. Przykład rzeźby wykonanej poprzez nitowanie
Czy wiesz , że...
Przed rozwojem spawalnictwa połączenia nitowane stanowiły w przemyśle podstawową metodę łączenia elementów konstrukcyjnych. Przykładem tego jest konstrukcja zewnętrzna Titanica, którą połączono m.in. nitami. Część naukowców twierdzi, że właśnie zła jakość nitów przyczyniła się do jego rozległych zniszczeń i zatonięcia po zderzeniu z górą lodową.
Połączenia przybijające
Poprzez ten typ rozumiem wszystkie połączenia (częściowo) nierozłączne, gdzie używa się dodatkowych elementów przytwierdzających jak gwoździe, zszywki lub pineski. W celu wykonania połączenia wymagane jest zastosowanie skupionej siły („przybicie”) na elemencie przytwierdzającym w celu jego wniknięcia w struktury łączonych materiałów. Połączenia te nie są do końca nierozłączne ze względu na możliwość demontażu złącza poprzez usunięcie (siłowe) np. gwoździa. Ten typ połączeń stosowany jest najczęściej w sytuacjach, gdy jednym z materiałów łączonych jest drewno.
Rys.9. Przykłady gwoździ wykonanych przez kowala
Rozłączne połączenia specjalne
Rozumiem przez to wszelkiego typu połączenia nowe, często koncepcyjne, czyli niemające szerokiego zastosowania w przemyśle. Jednakże często znajdują zastosowanie w wytwórstwie artystycznym, prototypowaniu lub wzornictwie. Na obecną chwilę metody łączenia materiałów, które można zaliczyć do tej grupy to:
- Magnetyczne i elektromagnetyczne;
- Elektrostatyczne;
- Krawieckie (np. suwaki, guziki, napy);
- Na rzep.
Kilka słów na zakończenie
Metody łączenia materiałów są podstawą wykonywania dzieł artystycznych, szczególnie tych przestrzennych. Nie można wyobrazić sobie obecnych dzieł upcycligu wykorzystujących złom stalowy bez stosowanie spawania, czy decoupage bez kleju. Znajomość przeznaczenia różnych typów połączeń, ich charakterystyka właściwości mechanicznych oraz znajomość procesu wykonania to wymagane rzeczy przy wytwórstwie. Wskazane metody stanowią także składowe znanych rzemieślniczych połączeń, np.: ciesielskich, kowalskich lub murarskich. Na łamach „Tech for arts” bardziej przybliżę każde z nich. Postaram się przedstawić Ci związane z nimi rady oraz receptury, które z pewnością pomogą w Twojej pracy twórczej.
Do stworzenia tego artykułu skorzystano z:
- J. Spałek, A. Skoć „Podstawy konstrukcji maszyn”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019
- Zasada M.: „Wykonywanie połączeń rozłącznych i nierozłącznych”, Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007