Kleben - ohne geht es nicht! Klebstofftechnologie: Einführung und Überblick

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1 Fachgruppe Kunststofftechnik ZHAW Fachveranstaltung vom Space for 3M Montage Kleben - ohne geht es nicht! Klebstofftechnologie: Einführung und Überblick

2 INHALT Überblick Einflussfaktoren Definition Warum Kleben Klebstoffe Adhäsion Benetzung Kohäsion Verbindungstechniken Vor- Nachteile Klebetechnik Mechanische Belastungsarten Statisch- dynamische Belastung Einteilung nach Festigkeit, Dehnung, Schichtstärke Konstruktionsbeispiele Andere Belastungsarten Ausdehnungskoeffizienten Oberflächeneigenschaften Klebeflächenvorbehandlung Fügeparamenter Bruchanalyse Übersicht Klebesysteme 2

3 Faktoren mit Einfluss auf Verklebung (not complete) Factors who have an influece on bonded parts (not complete) The perfect Bond Vorgängige Abklärungen Technische Machbarkeit Risikoanalyse Pflichtenheft Garantieansprüche Vorgängige Kohäsionstests Vorgängige Adhäsionstests Ansprüche an Spezifikationen Prozessabläufe Produktevaluation Design, Dicken, Breite, Länge, Belastungsberechnung Substratspezifizierung der angelieferten Substrate Materialeigenschaften Ausdehnung, Rauheit, Oberflächenspannung Belastungsgeometrie wie Zug- Scher - Spalt Schälbelastung Produktverfügbarkeit Preis Passgenauigkeit/ Toleranzen Farbe, Wiederlösbarkeit Alterungseigenschaften Medienbeständigkeit Richtige Lagerung und Transport der gefügten Teile Werkstattbedingungen wie Temperatur, Feuchte, Reinheit, Akklimatisierung der Bauteile, Klebstoffe und Hilfsmittel Richtige Lagerung der Bauteile, Klebstoffe sowie Hilfsmittel Arbeitsabläufe, Qualitätssicherheit, Prozesssicherheit Produktionshinweise und Produktionsabläfe erstellen Produktionshilfsmittel wie Reiniger, Papier Pressen Richtige Reinigung gemäss Vortests Richtiger Einbau der gefügten Teile Prototypen erstellen, ermitteln der nötigen Resourcen Richtiges Andrücken oder Fixieren der Bauteile Einhaltung der Zwischenprüfungen Richtige Applikation des Klebstoffes- Klebebandes Umsetzung der Arbeitsabläufe Eingangskontrolle Bauteile Mitarbeiterschulung Klebfachkraft Führen der Produktionsprotokollen Interne oder externe Audits durchführen Person Trainieren der Klebfachkraft Zuverlässigkeit der Klebfachkraft Tagesform der Klebfachkraft Personalfluktuation 3

4 DEFINITION Kleben nach DIN 8593: Kleben ist das Fügen unter Verwendung eines Klebstoffes. Klebstoff nach DIN 16920: Ein Klebstoff ist ein nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit miteinander verbindet. 4

5 WARUM KLEBEN KLEBSTOFFE Physikalische Wechselwirkung -Adhäsion Mechanische Verschlaufung -Verankerung des Klebstoffes in Oberfläche Chemische Bindungen -Dipole finden sich und bilden chemische Verbindungen 5

6 ADHÄSION Ich bin ein + Dipol Ich bin ein - Dipol Im Bereich eines Nanometers 6

7 PHYSIKALISCHE WECHSELWIRKUNG Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an Relativ schwache Bindung Chemische Bindungen sind ca mal stärker Das findet innerhalb eines Nanometer statt. 1/ mm Vergleich: Fussball auf Erdkugel 7

8 ADHÄSION Hier ist vor allem die physikalische Wechselwirkung bedeutend 8

9 BENETZUNG Die Benetzung des Klebstoffes zur Oberfläche ist eine Grundvoraussetzung. Es muss eine Kontaktfläche entstehen Die Oberflächenspannung des Substrates muss höher sein als die des Klebstoffes 9

10 KONTAKTFLÄCHE 10

11 GUTE BENETZUNG Die Oberflächenspannung des Fügeteiles ist höher als die der Flüssigkeit (Klebstoff) Der Randwinkel ist kleiner als 30 Randwinkel = alpha α 11

12 BEDINGUNG FÜR GUTE BENETZUNG Saubere Oberfläche Richtiges Verhältnis der Oberflächenspannung zum Klebstoff Richtiges Verhältnis der Oberflächenrauheit zur Viskosität Eher glatte Oberflächen für dickflüssige Klebstoffe ca. Ra 1 Eher rauere Oberflächen bei dünnflüssigen Klebstoffen ca. Ra 3 Benetzung muss stattfinden, bevor der Klebstoff ausgehärtet ist 12

13 KOHÄSION Ich bin ein A Atom Ich bin ein A Atom 13

14 KOHÄSION IM KLEBSTOFF Vor allem die chemische Bindung hat Bedeutung 14

15 ADHÄSION & KOHÄSION Substrat Klebstoff/ Klebeband Kohäsion Substrat 15

16 VERBINDUNGSTECHNIKEN Stoffschlüssig Schweissen, Hartlöten, Kleben Formschlüssig Clinchen, Klettverschluss, Bördeln Kraftschlüssig Pressverfahren, Magnetismus 16 Was sind Schrauben?

17 VORTEILE VON KLEBEN Alle Materialien sind fügbar Spannungsverteilung Kein Verzug wie beim Schweissen Keine Schädigung der Fügeteile Leichtbau möglich leichtere Materialien 17

18 ZUSATZFUNKTIONEN Gleichzeitiges Dichten Dehnungsaufnahme, Kompensieren, el. Isolation, Bimetall Vibrationen Dämmen, flexibles Verbinden Verbinden grosser Flächen und kleinster Teile Designfreiheit, Optik- Form- Geometrie 18

19 NACHTEILE VON KLEBEN 19 Nicht/ schlecht wiederlösbar (Recycling) Beschränkter Temperatureinsatz Alterung (z.b. Strahlen) Nicht reparierbar (meistens) Oberflächenvorbehandlung aufwändig Umgebung.(sauber, Temperatur) Oft Gefahrenstoffe- Toxikologie Geringe Haltbarkeit Nicht 100% zerstörungsfrei prüfbar QU System erforderlich

20 ZUGBELASTUNG F F Angaben in: N/mm2 oder MPa Kg/cm2 1N/mm2 = 1MPa/Megapascal 20

21 SCHERBELASTUNG Substrat F Klebstoff/ Klebeband F Angaben in: N/mm2 oder MPa Kg/cm2 21

22 SPALTBELASTUNG F F 22

23 SCHÄLBELASTUNG F Angaben in: N/10mm N/25.4mm 23 DP410 DP100 VHB PE 9540

24 DYNAMISCHE BELASTUNG F t 24

25 STATISCHE BELASTUNG F t 25

26 EINTEILUNG DER VERBINDUNGEN NACH FESTIGKEIT/ DEHNUNGSAUFNAHME/ SCHICHTDICKE Hochfestes Kleben Elastisch Kleben Dichten hohe Kraftübertragung MPa ZugScherFest. geringe Bruchdehnung 0-5% kleiner Spalt, 0.1 bis 1mm mittlere Kraftübertragung 1-6 MPa ZugScherFest. mittlere Bruchdehnung % mittlerer Spalt, 1 bis 6mm niedrige Kraftübertragung hohe Bruchdehnung % grosser Spalt, einige cm 26

27 KONSTRUKTIONSBEISPIELE Einfache Überlappung Versteckte Überlappung 27

28 GENECK VERBINDUN 3M Industrie-Klebebänder und -Klebstoffe 28

29 ANDERE BELASTUNGSARTEN Immer in Abhängigkeit der Dauer/ Kombination zu Betrachten UV Witterung Temperatur Weichmacher Chemie 29

30 AUSDEHNUNGSKOEFFIZIENTEN Material Wärmeausdehnungskoeffizient (x10-6/ C) Polymethylmetacrylate ( PMMA ) 85 Polytetrafluorethylene ( PTFE ) 100 Polypropylene ( PP ) 150 Polyethylene ( PE ) Glas 5 11 Aluminium (AL) Beispiel: Bei einem 2 m langen Aluminium Profil zu einem 2 m langen PMMA Profil entsteht bei einem Temperaturunterschied von 30 C ein knapp 4 mm grosser Dehnungsunterschied.

31 OBERFLÄCHENAUFBAU Bereich der äusseren Grenzschicht Verunreinigungen ~ 3 x 10-6 mm Adsorptionsschicht ~ 3 x 10-7 mm Reaktionsschicht ~ 1-10 x 10-6 mm verformte Schicht ungestörtes Gefüge des Werkstoffs Bereich der inneren Grenzschicht 31

32 OBERFLÄCHENSTRUKTUR glatt rau Besser für Klebebänder Besser für Klebstoffe 32

33 POROSITÄT Holz ist porös Metall ist nicht porös 33

34 REINIGUNG 1. Entfetten mit Papier und Sprühflasche 1. Wahl Isopropylalkohol 2. Wahl Waschbenzin 3. Wahl MEK oder Aceton 2. Anschleifen mit Scotch Brite 3. Nachreinigen 34

35 WIRKSAMKEIT VON LÖSEMITTELN Verunreinigung Kohlewasserstoffe Alkohole Alkoxypropanole Toluol, Xylol, Benzin Ethanol 1-Methoxy-2-propanol Hexan, Pentan Propanol Butanol Schneidoel Konservierungen Wachs Schmiermittel Polierpaste Pigmente 0-0 Harz Klebstoffe je nach 0 0 Fingerabdrücke = gut geeignet, 0 = bedingt geeignet, = nicht geeignet Ketone Auch MEK und Aceton eignen sich für viele Verunreinigungen 35

36 EIGENSCHAFTEN VON SCOTCH- BRITE In der Regel ergibt sich bei gleichem Rt-Wert eine nahezu doppelt so grosse Häufigkeit von Reaktionen, die wiederum Rückschlüsse auf das Adhäsionsverhalten einer Oberfläche zulassen. Bei Vergleichen wurde Kohlenstoffstahl nach verschiedenen Methoden gereinigt. Das Resultat ist in nachstehender Abbildung weitergegeben. Rauhigkeit = absolute Oberfläche lineare Oberfläche Ursprüngliche Haftfähigkeit Nach 2 Std. in kochendem Wasser Beize Schleifband Strahlsand Drahtbürste Scotch- Brite Schleifband Beize Walzoberfläche Strahlsand Drahtbürste Scotch- Brite Bei diesen Vergleichsversuchen wurde die grösste Oberfläche, die 3-mal so gross ist wie beim Reinigen nach anderen Methoden, mit einem Scotch-Brite Produkt erreicht. Für das Kleben und Beschichten von Metallen ist die Oberflächengrösse für die Adhäsion sehr von Bedeutung. Bei Metallen mit unterschiedlicher Oberflächengrösse hat das Teil mit der grösseren Fläche die besseren Hafteigenschaften. Zum Erzielen dieser Eigenschaften können Scotch-Brite Produkte manuell oder maschinell eingesetzt werden. 36

37 OBERFLÄCHENENERGIE Wichtiger Parameter für die Benetzung mn/ m (Millinewton/ meter) hoch niedrig Wassertropfen Wassertropfen Metalloberfläche > 72 mn/m für 2 K Epoxy & 2 K PU > 50 mn/m für 1K PU & 2K Acrylate Polyäthylenoberfläche >38 mn/m für Acrylatklebebänder < 38mN/m für Gummiharzbänder 37

38 OBERFLÄCHENENERGIE Werkstoff Oberflächen- Werkstoff Oberflächenenergie in energie in m N / m m N / m Paraffin 19 Wasser 72.8 Polytetrafluoräthylen 18.5 Blei Silikon 24 Zinn Polypropylen 29 Zink 1'020.0 Polyethylen 31 Aluminium 1'200.0 Polymethylmethacrylat Silber 1'250.0 Polystyrol Gold 1'550.0 Polycarbonat Kupfer 1'850.0 Polyvinylchlorid 40 Titan 2'

39 OBERFLÄCHENVORBEHANDLUNGEN chemisch physikalisch Beizen Phosphatieren Chlor-Jonen-Verfahren Abflammen Korona (Entladung) Niederdruck-Plasma 39

40 FUNKTIONSWEISE PRIMER Bindungsstelle Klebstoff Primer Bindungsstelle Fügeteil 40

41 FÜGEPARAMETER Zeit, Anfangs- Endfestigkeit Temperatur, während der Verarbeitung am besten bei RT ca. 20 C Kontrollierter Andruck, Andruck = N pro cm² Fixierdruck = 2-7 N pro cm² 41

42 BRUCHANALYSE Kohäsionsbruch max. Festigkeit des eingesetzten Systems! 42

43 BRUCHANALYSE Adhäsionsbruch 43

44 VHB Linie Nicht aushärtende PSA Systeme Traditionelle doppelseitige Systeme Klebeband und Klebstoffsysteme Physikalisch abbindende Klebstoffe Lösemittelhaltige Klebstoffe Dispersionsklebstoffe Schmelzklebstoffe Chemisch härtende Klebstoffe Bei RT härtende Systeme Acrylatschaum Acrylatschaum mit funktioneller Klebstoffschicht Warm härtende Systeme Einseitige Klebebänder mit den verschiedensten Trägermaterialien PE Schaumträger PU Schaumträger 1Komponenten Klebefilme Phenol, Epoxi 1 Komponenten Pasten Epoxi UV/ Licht härtend Anerob Sauerstoffausschluss & Metallionen Feuchte härtend Silikon Klebstoffe Gummiharz Klebstoffe R Acrylat Klebstoffe A Komponenten Epoxi, Acryl, PU 44 Structural Bondig Tape Nachhärtender Schmelzklebstoff PUR Cyanacrylate 1 K Silikone MS, Hybride und PU Pasten