Fügen durch Kleben

Kleben ist ein stoffschlüssiges Fügeverfahren und gehört damit in die Hauptgruppe Fügen der DIN 8580. Die Verbindung der Werkstoffe der Fügeteile wird über einen zugegebenen Werkstoff – der Klebstoff – geschaffen. Die fügende Verbindung entsteht durch den Klebstoff und physikalische und chemische Wechselwirkungen, durch welche der Klebstoff aushärtet und die Fügeteile zusammenhält.

In einigen Anwendungsgebieten konkurriert das Fügen durch Kleben mit dem Fügen durch Schweißen. In den letzten Jahren konnte sich in manchen Fällen das Kleben jedoch gegenüber dem Schweißen durchsetzen.

Klebstoffe sind vor dem eigentlichen Fügen im flüssigen Aggregatzustand. Physikalische/chemische Prozesse, welche durch unterschiedliche Auslösemechanismen geschehen, sorgen für eine Umwandlung in feste Zustände (Aushärtung).

Konkret einzuleitende Auslösemechanismen kennen die Reaktionsklebstoffe (Epoxidharze, Acrylat, Cyanacrylat und Polyurethan Klebstoffe), welche als Monomere appliziert werden und bei Vermischung chemisch reagieren. Bekanntestes Beispiel sind die Epoxidharze (Zweikomponentenkleber).

Monomer A + Monomer B -> Polymer AB

Andere Klebstoffe binden sich physikalisch bereits beim Hersteller und müssen nur noch aushärten und gegebenenfalls hierfür (z. B. durch Temperatur) unterstützt werden.

Die meisten Klebstoffsysteme haben eine Topfzeit (Zeit der kritischen Aushärtung), nach welcher der Klebstoff nicht mehr verarbeitet werden darf.

Klebstoffe in Natur und Technik

Klebstoff ist eines der ältesten Werkstoffe. Die Menschheit entdeckte die Nutzbarkeit von natürlichen Klebstoffen sehr schnell, um Unterkünfte, Werkzeuge und Waffen zu bauen. Vor etwa 5000 Jahren nutzten Ägypter bereits Leime aus tierischen und pflanzlichen Stoffen. Natürliche Klebstoffe kommen in der Natur in vielfältiger Form vor.

Natürliche Klebstoffformen:

  • Pflanzensäfte
  • Wachse
  • Harze (insbesondere von Nadelbäumen)
  • Eiweiße
  • Kohlenhydrate

Natürliche Klebstoffe sind nur begrenzt einsatzfähig hinsichtlich Haftung, Lebensdauer, Zerfall und Qualitätsstandard. Die Menschheit hat daher künstliche Klebstoffe entdeckt und für die technische Anwendung nutzbar gemacht. Verbreitete künstliche Klebstoffe sind Silikone, Epoxidharze, Polyarcylate und Polyurethane. Im Bereich der Klebstoffe ist jedoch noch lange kein Ende der Innovation zu erwarten, jährlich werden bestehende Klebstoffe verbessert und neue Klebstoffe entdeckt oder erschaffen.

Heutzutage wird Klebstoff vermehrt benutzt, auch in Anwendungsbereichen mit hohen mechanischen Belastungen, zum Beispiel in der Luftfahrt (der Rumpf vom Airbus A 380 ist zum Teil geklebt) oder im Automobilbau.

Vorteile des Klebens:

Durch Kleben können großflächige und dünnwandige Fügeteile lückenlos zusammengefügt werden, was eine relativ gleichmäßige Spannungsverteilung bei Druck- und Zugbelastung sowie der Kraftübertragung der Fügeteile ermöglicht.
Die Geometrie der Fügeteile wird nicht durch Bohrungen oder Kanten, wie sie für formschlüssige Fügeverfahren notwendig sind, verändert. Zudem ist dadurch eine Gewichtsersparnis möglich. Die Gefügestruktur der Fügeteil-Werkstoffe muss für eine Verklebung in der Regel nicht erwärmt oder erhitzt werden, was keine Nebenwirkungen in der Gefügestruktur zur Folge hat.

Nachteile des Klebens:

Verklebungen sind empfindlich gegenüber schälende Krafteinwirkungen. Organische Klebstoffe (Großteil aller Klebstoffe) altern und werden mit Alterung empfindlicher gegenüber chemische Belastung (Umwelteinflüsse) und mechanische Belastung. Klebstoffe dürfen nur bei begrenzten Temperaturen verwendet werden. Die Umgebungstemperatur sowie die Temperatur der Fügeteile dürfen nicht unterhalb oder oberhalb der Gebrauchstemperatur der Klebstoffe während und nach der Aushärtung liegen.
Die Klebstoffproduktion ist tendenziell verhältnismäßig aufwändig, was Klebstoffe teuer macht. Schwierige Simulation und Prüfbarkeit der Klebequalität.

Klebstoffe lassen sich schwierig simulieren und bedürfen intensive Vortests. Die Qualitätsprüfung kann bei Klebstoffen nicht ohne Zerstörung erfolgen, somit müssen Klebeprozesse sehr sicher (nach intensiver Vorprüfung) eingesetzt und beherrscht werden müssen.

Zusammenhalt und Haftung von Klebstoffen

Die Haftung entsteht beim Aushärten an der Grenzflächenschicht zwischen Fügeteil und Klebschicht. Die Haftung bezeichnet dabei den Zusammenhalt bzw. den Widerstand gegenüber trennender Kraftbeanspruchung. Die Haftung eines Klebstoffes setzt sich zusammen aus der Oberflächenhaftung zwischen Klebstoff und Fügeteil (Anhangskraft: Adhäsion) und innerem Zusammenhalt des Klebstoffes selbst (Zusammenhangskraft: Kohäsion).

Die Haftung ist immer nur als abstraktes Modell darstellbar und realitätsnah schwierig zu simulieren, die tatsächliche Haftung von Klebstoffen ist nur über Zerstörung der Vernetzungsstruktur prüfbar sowie ausschließlich über die Verbundfestigkeit messbar.

Die genaue Oberfläche, auf welcher der Klebstoff an den Fügeteilen haftet, ist unbekannt oder nur durch Zerstörung mit Adhäsionsbruch zu erfahren. Zwar lässt sich die Fläche grob und theoretisch durch Betrachtung der geometrischen Fläche ausrechnen…

… die geometrische Fläche ist jedoch nicht die ganze Information über die haftungsrelevante Oberfläche des Fügeteils. Die wahre Oberfläche ist größer. Je rauer die Oberfläche, desto größer ist die theoretisch für die Haftung zur Verfügung stehende wahre Oberfläche.

Allerdings kann eine zu hohe Rauheit, abhängig von der Flüssigkeit des Klebsstoffes, die wirksame Oberfläche (tatsächliche Haftungsoberfläche) auch wieder reduzieren, da die Haftungsoberfläche Lücken haben kann und schlimmstenfalls nur an den “Spitzen” der Oberfläche eine Haftung geschieht.

In vielen Fällen ist vor dem Kleben eine Klebflächenvorbehandlung (z. B. Schleifen, Polieren und Reinigen) notwendig, um die, für den jeweiligen Klebstoff angemessene Rauheit und Sauberkeit herzustellen.

Klebflächenvorbehandlung

Die einfachste Form der Klebflächenvorbehandlung ist die Reinigung der Fügeteiloberflächen durch Abspülen mit Wasser. Bei notwendiger Schaffung von sehr glatten oder rauen Oberflächen ist eine mechanische Behandlung durch Schmirgeln, Bürsten oder Strahlen (Sand- oder Wasserstrahlen) möglich. Unter eine chemische Behandlung fallen Lösungsmittel und Beize (Beizen – Ätzen von Werkstoffoberflächen).

Für spezielle Bereiche kommen physikalische Vorbehandlungsverfahren in Betracht:

  • Thermische Verfahren (z. B. Plasma Gun, Kreindl-Verfahren)
  • Elektrische Verfahren (z. B. Niederdruckplasma, Corona Verfahren)
  • Energiereiche Strahlung (z. B. UV-Strahlen, Elektronenstrahlen, Laser)

 

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