Die komplexe Welt des Klebens: ein Plädoyer

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1 Fachtagung Verkleben von Glasrahmenkonstruktionen Gütegemeinschaft Kunststoff-Fensterprofilsysteme e.v. 26. Januar 2017, Mainz Die komplexe Welt des Klebens: ein Plädoyer Andreas Groß Fraunhofer IFAM Tel (Fax: -605) Klebtechnik und Oberflächen Wiener Straße Bremen

2 Kleben??? --- Wo wird denn eigentlich überall geklebt? Quelle: Fotolia Kleben??? --- WARUM wird denn eigentlich überall geklebt?

3 Ein Auto in früheren Zeiten (1898) Quelle: Daimler AG

4 Quelle: Fotolia und in unserer Zeit!

5 Steigende Anforderungen Technologie Ökonomie Erfüllung steigender Anforderungen Werkstoffe: Neu- bzw. Weiterentwicklung Ökologie

6 Folge Werkstoffneu- bzw. Weiterentwicklung Zunahme der Zahl der Werkstoffe Zunahme der Bedeutung von Werkstoffkombinationen (MultiMaterialDesign) Zunahme der Werkstoffsensitivität Herausforderung Fügetechnik

7 Kleben die Verbindungstechnik des 21. Jahrhunderts! Werkstoff: Kombinationen von verschiedenen Werkstoffen Fügen: Gezielte Integration von zusätzlichen Funktionen Zukunftstechnologie für Industrie und Handwerk: Kleben Verarbeitung: Erhalt der Werkstoffeigenschaften Konstruktion: Durch Verbundbauweise verbesserte Eigenschaften der Bauteile

8 Einsatz der Klebtechnik im Schienenfahrzeugbau: REGIOSHUTTLE/Stadlerrail

9 Einsatz der Klebtechnik im Schienenfahrzeugbau: REGIOSHUTTLE/Stadlerrail

10 Source: MBD DesIgn / Bombardier Tram Marseille / France

11 Quelle: Lürssen Werft, Lemwerder

12 Quelle: Lürssen Werft, Lemwerder

13 Quelle: Daimler AG 13

14 Brazuca, der Ball für 2014 Weiterentwicklung des Jabulani 2010 Der Name Brazuca steht dabei für das brasiliansche Lebensgefühl sowie den Lebensstil des Landes. Quelle: Adidas AG 14

15 Brazuca, der Ball für 2014 Der Ball besteht aus sechs Identischen Teilen und ist besonders griffig und aerodynamisch. Der Ball ist wieder 100%ig geklebt. Quelle: Adidas AG

16 Kleben von Glas - Medizintechnik Verbinden dünner, kleiner und teilweise kompliziert geformter Teile Geklebte Optik eines Endoskops für minimalinvasiven Einsatz in der Medizin. (Rohrdurchmesser ca. 1,5 mm, UV-härtender Klebstoff) Quelle: Fraunhofer IFAM

17 Kleben von Glas - Optik Linsenklebung: Lichtdurchlässigkeit erlaubt die Verwendung von Klebstoffen im Strahlengang von Optiken. Bild: Fraunhofer IFAM

18 Spannungsverteilung in Schweiß-, Niet- und Klebverbindungen

19 Limitierende Faktoren des Klebens im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren Für den Einsatz im Betrieb ist eine hohe Fertigungsqualität erforderlich. Die Qualität muss produziert werden. Sie kann nicht erprüft werden. Deshalb ist ein umfassendes Qualitätsmanagement erforderlich. Mit der Klebtechnik treten neue Anforderungen an die Mitarbeiter auf. Bei der Langzeitbeständigkeit sind Degradationsmechanismen zu beachten. Klebstoffe (und Klebungen) sind nur begrenzt thermisch belastbar.

20 Aufbau einer Klebung Bindungskräfte in Klebungen: Adhäsion Fügeteil 1 Grenzschicht 1 Klebschicht Grenzschicht 2 Fügeteil 2 20

21 Bindungskräfte in Klebungen: Adhäsion Ein Nanometer (nm) = 1 x 10-9 m 1 km 1 mm 1 km = mm 1 km 1 mm = 1 mm 1 nm 1 mm = nm 1 nm 21

22 Benetzung Was ist Benetzung? Mit Benetzung bezeichnet man die Ausbreitung einer Flüssigkeit auf einer Feststoffoberfläche. Verantwortlich für die Ausbreitung sind Wechselwirkungen zwischen den beiden Oberflächen. Entstehung einer Kontaktfläche (Abstand < 1nm), an der Adhäsionskräfte übertragen werden können.

23 Benetzung Bedingungen für eine optimale Benetzung Feststoffoberfläche sauber, fettfrei und trocken Oberflächenspannung des Fügeteils > Oberflächenspannung des Klebstoffs Viskosität der Flüssigkeit möglichst gering

24 Benetzung: Prüfung der Oberflächenspannung von Feststoffen Wassertropfentest: Vergleich der Benetzungsfähigkeit eines Wassertropfens auf unterschiedlichen Substraten Oberflächenspannung (Wasser) > Oberflächenspannung (Klebstoff) einfacher Schnelltest, aber ohne wissenschaftlichen Anspruch geeignet für Benetzungsvergleiche (vorher/nachher), z.b. Überprüfung der Wirksamkeit einer Oberflächenbehandlung Quelle: Fraunhofer IFAM

25 Kleben von Glas / Glassorten - Auswahl Lit. [1] Glassorte Zusammensetzung (ca.- Werte) Kalknatrongläser 72% SiO 2, 0,3% Al 2 O 3, (Floatglas, Flachglas, 9% CaO, 4% MgO, Spiegelglas, Hohlglas) 14% Na 2 O Bleikristallgläser 60% SiO 2, 1% B 2 O 3, 24% PbO, 1% BaO, 1% Na 2 O, 13% K 2 O Borsilikatgläser 81% SiO 2, 13% B 2 O 3, 2% Al 2 O 3, 4% Na 2 O E-Glas (Faserglas) 54% SiO 2, 10% B 2 O 3, 14% Al 2 O 3, 17,5% CaO, 4,5% MgO Eigenschaften / Verwendung Hohe Wärmedehnung, empfindlich gegen Temperaturwechsel, für KFZ- Verglasung, Fensterglas, Spiegelglas für Schliffe, Gebrauchsgegenstände, Bildröhren, Strahlenschutz (Röntgen) Hohe Chemikalien-und Temperaturwechselbeständigkeit, für Laborgeräte, Formteile und Röhren besonders geringe elektrische Leitfähigkeit, für Glasfasern und in der Elektrotechnik 25

26 Kleben von Glas / Einwirkung von Feuchtigkeit auf Alkali-haltige Gläser 26

27 Oberflächennachbehandlung: Primer und Haftvermittler Primer (Haftvermittler) - Funktionsweise Klebstoff Y Y Y Y Y Bindestellen Klebstoff Primer Fügeteil Bindestellen Fügeteil

28 Oberflächenvorbehandlung: Einsatz von Silan-Haftvermittlern O H O H H O H O H H O H O H H O H R 1 O R 1 O S i R 1 O R 1 O R 1 O S i R 1 O R 1 O R 1 O S i R 1 O ( C H 2 ) 3 O C H 2 C H C H 2 O ( C H 2 ) 3 O C H 2 C H C H 2 O ( C H 2 ) 3 O C H 2 C H C H 2 O H 2 N R 2 N R 2 H 2 H 2 N R 2 - x R 1 O H bzw. - y R 1 O H O S i ( C H 2 ) 3 O C H 2 C H C H 2 N R 2 O O H H O S i ( C H 2 ) 3 O C H 2 C H C H 2 N R 2 O O S i ( C H 2 ) 3 O C H 2 O H C H O H C H 2 H N H R 2 Quelle: Guggenberger, Koran, ESPE 28

29 Die komplexe Welt des Klebens Von der Idee zum Produkt Leitfaden Kleben - aber richtig Industrieverband Klebstoffe e.v.

30 Ausgangsbasis DIN EN ISO 9001: Kleben als Spezieller Prozess Spezielle Prozesse (DIN EN ISO 9001 : 1994): Prozesse, bei denen durch nachträgliche Überwachung und Messung oder zerstörungsfreie Prüfverfahren am Produkt das Ergebnis nicht in vollem Umfang verifiziert (überprüft) werden kann. anders formuliert: Spezieller Prozess: keine zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit 100%igem Ergebnis möglich Prozessfehler können evtl. erst bei Gebrauch erkannt werden.

31 Kerngedanke der ISO 9001: Beherrschte Prozesse Wenn Fehler zerstörungsfrei nicht 100%ig nachgewiesen werden können, müssen sie eben vermieden werden! Quelle: Fraunhofer IFAM

32 Konkretisierung der ISO 9001: Anforderungen an Anwendungsprozesse z.b. - Prüfnormen - Technische Spezifikationen wie z.b. RAL GZ 716-2, ift-rl VE-08/2 - Quelle: Fraunhofer IFAM z.b. - DIN DIN 6701 (Schienenfahrzeugbau) -

33 Qualitätsstandardisierung: Normen und Richtlinien Kleben Industrie allgemein: DIN 2304: Klebtechnik Qualitätsanforderungen an Klebprozesse Kleben Schienenfahrzeugbau: Kleben Fensterbau: DIN 6701: Kleben von Schienenfahrzeugen und -fahrzeugteilen (Teil 1 4) RAL GZ 716-2: Systembeschreibung und Eignungsnachweis für verklebte Verglasungen in PVC-Rahmenkonstruktionen ift-richtlinie VE-08/2: Beurteilungsgrundlage für verklebte Verglasungssysteme (Teil 1-3) Kleben von Glas im Baugewerbe über den Fensterbau hinaus DIN 2304

34 Qualitätsstandardisierung: Normen und Richtlinien DIN EN ISO 9001 DIN 2304 Quelle: Beuth Verlag

35 DIN 2304 Klebtechnik - Qualitätsanforderungen an Klebprozesse - Die DIN 2304 ist eine reine Anwender-Norm! - Im Produktsicherheitsrecht verbindlich bleibt allein der Stand der Technik. - Die DIN 2304 beschreibt den derzeitigen Stand der Technik für die Organisation der fachgerechten Umsetzung klebtechnischer Prozesse im Betrieb - von der Planung über die Fertigung bis hin zur Instandsetzung/Reparatur. - Die DIN 2304 ersetzt keine anerkannten und bereits bestehenden Regelwerke zur Klebstoffanwendung wie z.b. RAL GZ 716-2, ift RL VE-08/2. Quelle: Beuth Verlag

36 DIN 2304 / Glasklebungen - welche Klebungen über den Fensterbau hinaus sind betroffen? Die Basis aller Kleb- und Dichtverbindungen ist und bleibt die Adhäsion! Die Adhäsion ist elementarer Bestandteil der speziellen Prozesse Kleben und Dichten gem. ISO 9001! Die Adhäsion ist unabhängig - von den verwendeten Kleb- und Dichtstoffen und Fügeteilwerkstoffen - von der jeweiligen Art der Klebung bzw. Dichtung - von dem jeweiligen Anwendungsbereich. - Die Adhäsion einer Verbindung wirkt von A Z, vom Auto bis zum Zug! - Die Wirkungsweise der Adhäsion ist weltweit gleich! - Die Adhäsion in der Industrie unterscheidet sich nicht von der Adhäsion im Handwerk! Es gibt folglich vor diesem Hintergrund prinzipiell keinen Bereich klebtechnischer Anwendungen, auf den die DIN 2304 nicht grundsätzlich angewendet werden kann!

37 DIN 2304 Welche Klebungen sind betroffen? Klebverbindungen im Sinne dieser Norm sind unter Verwendung von Klebstoffen hergestellte Werkstoffverbunde mit der Hauptfunktion einer Übertragung mechanischer Lasten, unabhängig von den Festigkeits- und Verformungseigenschaften der verwendeten Klebstoffe sowie deren Verfestigungsmechanismen. Die lastübertragende Aufgabe gewährleistet hierbei - über den gesamten Lebenszyklus des Produkts - dessen Funktionstüchtigkeit und Sicherheit.

38 Kernelemente der DIN Klassifizierung der Klebungen nach Sicherheitsanforderungen* 2. Klebaufsichtspersonal (KAP) 3. Nachweisführung * Sicherheitsanforderungen: Folgeabschätzung im Versagensfall der jeweiligen Klebung

39 DIN Erstes Kernelement: Klebtechnische Anforderungen Klassifizierung der Klebungen nach Sicherheitsanforderungen durch den verantwortlichen Konstrukteur bzw. Bauteilverantwortlichen erfolgt hinsichtlich der potenziellen Auswirkungen des Versagens der Klebung (Folgeabschätzung im Versagensfall der jeweiligen Klebung). Anforderungen an eine Klebverbindung hinsichtlich Lebensmitteltauglichkeit, Brandschutzbestimmungen, Einhaltung von Emissionsvorschriften, Arbeits- und Umweltvorschriften u.a. werden für die Klassifizierung innerhalb dieser Norm nicht betrachtet, da für sie andere Normen, Vorschriften und Regelungen gelten.

40 DIN 2304 / Erstes Kernelement: Klassifizierung der Klebverbindungen Sicherheitsklasse S1 - Hohe Sicherheitsanforderung Definition der Sicherheitsanforderungen mittelbare oder unmittelbare Gefährdung für Leib und Leben S2 - Mittlere Sicherheitsanforderung mögliche Gefährdung von Leib und Leben, große Umweltschäden, weitreichende Vermögensschäden S3 - Geringe Sicherheitsanforderung wahrscheinlich keine Personenschäden oder größere Umwelt- bzw. Vermögensschäden, maximal Komfortoder Leistungseinbußen S4 - Keine Sicherheitsanforderung definitiv keine Personen- oder Umweltschäden bzw. größere Vermögensschaden, maximal Komfortoder Leistungseinbußen

41 Klassifizierung nach Sicherheitsanforderungen: Beispiele Schienenfahrzeugbau X M V nach Prof. Bullinger, ehem. Präsident Fraunhofer Quelle: Fotolia

42 DIN 2304 / Zweites Kernelement: Klebaufsichtspersonal - KAP Personal, das die Verantwortung für die Klebtechnik und für mit dem Kleben verbundenen Tätigkeiten hat und deren Eignung und Kenntnisse z.b. durch Ausbildung und/oder entsprechende Weiterbildung nachgewiesen worden sind (DIN 2304). Die Klebaufsichtsperson(en) ist / sind die zentralen Ansprechpartner/innen für alle qualitätsbeeinflussenden Faktoren des speziellen Prozesses Kleben von der Planung über die Fertigung bis zur Instandhaltung.

43 DIN 2304 / Drittes Kernelement: Nachweisführung Eine Klebverbindung ist so zu bemessen, dass die Beanspruchung kleiner ist als die Beanspruchbarkeit. Dies ist durch den Anwender unter Mitwirkung des Klebaufsichtspersonals (KAP) sicherzustellen. Konstruktions- und Gestaltungsprinzipien sowie Konstruktionsmethoden helfen bei der Umsetzung der Aufgabe der Nachweisführung. ( vgl. RAL GZ Eignungsprüfung / 3.5 Eignungsprüfung des verklebten Fenstersystems, ift-rl VE-08/2 / Teil 2)

44 DIN 2304 / Drittes Kernelement: Nachweisführung Konstruktions- und Gestaltungsprinzipien sowie Konstruktionsmethoden helfen bei der Umsetzung der Aufgabe der Nachweisführung. Nachweisführung: 1. Berechnung Beanspruchung, Tests (incl. Alterung) zur Beanspruchbarkeit, Vgl. Beanspruchung/Beanspruchbarkeit 2. Bauteilprüfung 3. dokumentierte Erfahrung 4. Kombination aus 1. 3.

45 DIN 2304 / Außerhalb der Norm: Betriebszertifizierung Möglichkeit für industrielle Anwenderbetriebe insbes. mit den Schwerpunkten S1- und S2-Klebungen - Zertifizierungen ( Third Party ) werden von akkreditierten Zertifizierungsstellen durchgeführt (Akkreditierungsbasis: DIN EN ISO 17065). - Zertifizierungen von Anwenderbetrieben würden freiwillig erfolgen. - Derzeit steht keine Behörde o.ä. im Hintergrund. - Derzeit existieren keine normkonkretisierenden Verwaltungsvorschriften. - Zertifizierungen erfolgen auf zivilrechtlicher Basis. - Es gibt keine Klebstoffzertifizierung nach DIN 2304! Quelle: Fotolia

46 Erfolgsmodell DIN 6701: Kleben von Schienenfahrzeugen und -fahrzeugteilen DIN 6701 geregelter Bereich normkonkretisierende Verwaltungsvorschrift des Eisenbahn-Bundesamtes - EBA Quelle: Fotolia

47 Aufbau der DIN 6701 Erstes Kernelement: Zweites Kernelement: Drittes Kernelement: Sicherheitsanforderungen A1, A2, A3, AZ (verantwortliches) Klebaufsichtspersonal (v)kap Nachweisführung 1. Berechnung Beanspruchung, Tests (incl. Alterung) zur Beanspruchbarkeit, Vgl. Beanspruchung/Beanspruchbarkeit 2. Bauteilprüfung 3. dokumentierte Erfahrung 4. Kombination aus Quelle: Fotolia

48 Anerkannte Stelle des Eisenbahn-Bundesamtes (EBA) nach DIN Zahl der zertifizierten Betriebe: 593 (563) (Stand ) Quelle: Fraunhofer IFAM

49 DIN 6701: Kleben von Schienenfahrzeugen und -fahrzeugteilen Die DIN 6701 seit 06/2015 in eine Europäische Norm (EN) überführt. Quelle: Beuth Verlag

50 Kurzfristig: DIN 2304: Was ändert sich beim Klebstoffanwender? Umsetzung der DIN 2304: - erhöhter Aufwand Mittelfristig: - Kosteneinsparung (Fehlerkosten) - Qualitätssteigerung Langfristig: - Qualitätssteigerung - Imageverbesserung Grundsätzlich: Der Anwender (Industrie und Handwerk) steht in der Verantwortung! Der Anwender muss über jede seiner Klebanwendungen nachdenken! Quelle: Fotolia

51 Das klebtechnische DVS /EWF-Personalqualifizierungssystem personalzertifizierend, branchenübergreifend, produktneutral, hierarchie-übergreifend DVS /EWF-European Adhesive Bonder - EAB (DVS /EWF-Klebpraktiker/in) Dauer: 40 h Zielgruppe: Facharbeiter/innen (ausführende Ebene) Qualifizierungsziele: Arbeitsanweisungen verstehen und fachgerecht umsetzen DVS /EWF-European Adhesive Specialist - EAS (DVS /EWF-Klebfachkraft) Dauer: 120 h Zielgruppe: Meister, Vorarbeiter (Verbindungsmanagement) Qualifizierungsziele: Arbeitsanweisungen entwerfen und erläutern, Personal anleiten und überwachen DVS /EWF-European Adhesive Engineer - EAE (Klebfachingenieur/in) Dauer: 320 h Zielgruppe: technische Entscheiderebene Qualifizierungsziele: interdisziplinär denken, entscheiden und handeln bzgl. des fachgerechten Einsatzes der Klebtechnik Quelle: Fraunhofer IFAM

52 Vergleich Lehrgangsangebote Zielgruppe Schweißtechnik Klebtechnik Faserverbundtechnologie Entscheiderebene Schweißfachingenieur (IWE) Richtlinie DVS -IIW/EWF 1170 (IAB 252r1-11) Klebfachingenieur (EAE) Richtlinie DVS / EWF 3309 und EWF 517 Faserverbund Fachingenieur CERT IT gemäß Dok.134 Ebene mit (An-) Leitungsfunktion Schweißfachmann (IWS) Richtlinie DVS -IIW/EWF 1170 (IAB 252r1-11) Klebfachkraft (EAS) Richtlinie DVS / EWF 3301 und EWF 516 Faserverbundkunststoff Fachkraft CERT IT gemäß Dok.134 ausführende Ebene Schweißpraktiker (IWP) Richtlinie DVS -IIW/EWF 1170 (IAB 252r1-11) Klebpraktiker (EAB) Richtlinie DVS / EWF 3305 und EWF 515 FVK Hersteller FVK Instandsetzer CERT IT gemäß Dok.134 Klebtechnik und Oberflächen Fraunhofer IFAM

53 Ziele der DIN Strukturierte Weiterentwicklung der Klebtechnik in der Anwendung durch qualifiziertere Klebstoffanwendung. Schluss mit dem ewigen Herumgewurschtel! - Nur möglich durch Beherrschung der klebtechnischen Anwendungsprozesse ( robuste Klebprozesse, Fehlerprophylaxe). Weg vom ewigen Der Klebstoff hat Schuld! - Anpassung der Qualität des Klebstoffanwendungsprozesses an die Qualität des Klebstoffherstellungsprozesses. Dann hält auch die Klebung! - Der Ball liegt in der Spielhälfte der Anwender! Die DIN 2304 ist eine Anwendernorm!

54 DIN 2304 und ihre Bedeutung für die Anwendung Qualitätssicherung ist in Industrie und Handwerk eine absolute Notwendigkeit in der klebtechnischen Anwendung!

55 Kleben die Verbindungstechnik des 21. Jahrhunderts! Werkstoff: Kombinationen von verschiedenen Werkstoffen Fügen: Gezielte Integration von zusätzlichen Funktionen Zukunftstechnologie für Industrie und Handwerk: Kleben Verarbeitung: Erhalt der Werkstoffeigenschaften Konstruktion: Durch Verbundbauweise verbesserte Eigenschaften der Bauteile