Kleben eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

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1 Kleben eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts Prof. Dr. Andreas Groß und Dr. Erik Meiß Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) Bereich Klebtechnik und Oberflächen / Klebtechnisches Zentrum Wiener Straße 12, Bremen Einleitung Die globalen Randbedingungen ändern sich stetig, in den nächsten dreißig Jahren wahrscheinlich sogar dramatisch. Diese Veränderungen erfordern in nahezu allen entscheidenden globalen Gestaltungsräumen der Zukunft wie z.b. Umwelt, Energie, Ernährung, Gesundheit und Transport ein neues Denken. Produkte aus Industrie und Handwerk müssen, um den kommenden Herausforderungen gewachsen zu sein und zukünftig am Markt bestehen zu können, immer komplexere Anforderungsprofile erfüllen. Die Realisierung dieser ständig steigenden Anforderungen an Produkte, Bauteile und Komponenten erfolgt zwangsläufig über die Neu- bzw. Weiterentwicklung von Werkstoffen mit immer anforderungsspezifischeren Eigenschaften und mit neuen Verfahren. In den vergangenen Jahrzehnten wurden für die verschiedensten Einsatzbereiche permanent neue Spezialwerkstoffe entwickelt; außer den klassischen Metallen kam eine Vielzahl spezifischer Legierungen, Kunststoffe, aber auch Keramiken und Gläser zum Einsatz. Die Zukunft wird zweifellos den aus verschiedenartigen Werkstoffen zusammengesetzten Verbundsystemen gehören. Gleichzeitig nimmt jedoch die Werkstoffsensitivität zu. Da im Produkt zunehmend unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbunden werden müssen, stellt sich immer mehr die Frage nach der artgerechten Verbindungstechnik. Bild 1: Technologie, Ökonomie, Ökologie -> steigende Anforderungen -> neue Werkstoffe Schlüsseltechnologie Kleben Die traditionellen Verbindungstechniken haben wohlbekannte Nachteile. Bei thermischen Verfahren wie dem Schweißen verändert der Werkstoff innerhalb einer Wärmeeinflusszone seine spezifischen Eigenschaften. Mechanische Verfahren wie Nieten oder Schrauben wiederum ermöglichen nur eine punktförmige Kraftübertragung; außerdem muss man in die zu verbindenden Werkstücke Löcher bohren, den Werkstoff also verletzen und damit schwächen. Die Klebtechnik dagegen nimmt in diesem Zusammenhang aus vier wesentlichen Gründen eine Schlüsselstellung ein: 1. Über das bei fachgerechtem Einsatz dieser Fügetechnik langzeitbeständige Verbinden gleicher Materialien hinaus ist es klebtechnisch möglich, nahezu alle Werkstoffkombinationen langzeitbeständig zu verbinden. 2. Durch den Fertigungsprozess "Kleben" werden die Werkstoffeigenschaften der Fügeteile nicht unzulässig verändert. Im Regelfall bleiben sie sogar unverändert erhalten: Der Klebprozess ist im Vergleich zum Schweißen oder Löten relativ wärmearm, eine Verletzung der Fügeteile wie beim Nieten oder Schrauben findet nicht statt.

2 3. Diese beiden Gründe führen in der Produktherstellung zu der Möglichkeit, spezifische Werkstoffeigenschaften für das Bauteil optimal zu nutzen. Dadurch sind die Möglichkeiten für neue Bauweisen (z.b. Leichtbauweisen) gegeben. 4. Im Weiteren ist es möglich, durch die Klebtechnik gezielt zusätzliche, über das eigentliche Verbinden hinausgehende Eigenschaften in das Bauteil zu integrieren. Bild 2: Schlüsseltechnologie Kleben Stand der Technik Der Trend zu einer zunehmenden Verwendung von Kleb- und Dichtstoffen hält in vielen Branchen aus Industrie, Handwerk und Dienstleistung (Zulassungsstellen) weiterhin an. Nicht nur die Automobilindustrie, der gesamte Transportmittelbau (Automobilbau, Sonder- und Nutzfahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Schiffbau, Luft- und Raumfahrt, Zulieferindustrie der genannten Branchen) bedient sich mehr denn je der Klebtechnik, beispielsweise um neben effizienten und signifikanten Gewichtsreduzierungen auch aerodynamische Effekte zu erzielen. In der Elektronik sind Klebstoffe inzwischen unentbehrlich und tragen in hohem Maße zur Funktionssicherheit bei. Auch im Maschinen- und Anlagenbau setzt sich die Klebtechnik immer mehr durch. Der Industrieverband Klebstoffe geht auch mittelfristig von einem mindestens vierprozentigen Wachstum des Klebstoffsektors aus. Die moderne Klebtechnik ist somit integraler Bestandteil innovativer Technikentwicklung und leistet damit wirtschaftliche Beiträge zur Stabilisierung bestehender und Schaffung neuer Arbeitsplätze. So wurden ,3 Mio. Jahrestonnen Kleb- und Dichtstoffe (ohne zementäre Bauklebstoffe) sowie 1 Mrd. m 2 Klebebänder hergestellt. Das entspricht einem Umsatz von rd. 3,5 Mrd., der für die Volkswirtschaft zu einer indirekt generierten Wertschöpfung von ca. 360 Mrd. führt (Industrieverband Klebstoffe, Düsseldorf). Man kann davon ausgehen, dass in Deutschland rd verschiedene Klebstoffe am Markt sind. Rohstoff Grundstoff Klebstoff Was ist denn nun ein Klebstoff? Nach DIN EN 923 ist ein Klebstoff ein nichtmetallischer Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann. Die Klebstoffe, die die o.g. Jahrestonnen ausmachen, sind Kunststoffe. Polymere also, die aus Mono- oder Oligomeren hervorgegangen sind. Bei physikalisch abbindenden Klebstoffen wie z.b. Schmelzklebstoffen, Kontakt- und Dispersionsklebstoffen sind die Polymere beim Klebstoffauftrag bereits gebildet. Der für die Benetzung notwendige flüssige Zustand wird durch Erwärmen, Lösen oder Dispergieren der polymeren Makromoleküle erreicht. Bei chemisch härtenden Klebstoffen dagegen entsteht das Polymer durch Verknüpfung der Mono- /Oligomeren chemisch erst in der Klebfuge.

3 Bild 3: Einteilung der Klebstoffe nach dem Verfestigungsmechanismus Moderne Klebstoffe in der Anwendung Gerade die chemisch härtenden Klebstoffe sind es, die einen wesentlichen Teil der o.g. Wertschöpfung ausmachen. Ein wichtiger Bereich ist der bereits erwähnte Transportmittelbau, egal ob zu Land, zu Wasser oder in der Luft. Hierbei hat der Schienentransport etwa hat der Luftfahrt spürbare Marktanteile abgenommen. Doch um diesen Trend zu verfestigen ist eine Steigerung von Geschwindigkeit und Transportkomfort notwendig. Dazu müssen die Schienenfahrzeuge leichter werden und gleichzeitig höhere Belastungen aushalten können. Der Berliner ADtranz GmbH ist es beispielsweise gelungen, den Regio Shuttle 25% leichter als vergleichbare herkömmliche Fahrzeuge zu bauen. Die Klebtechnik leistet hier entscheidende Beiträge. So wurden Faserverbundkunststoffe als Außenhaut auf den metallischen Fachwerk-Rohbau geklebt. Zusätzliche Vorteile: Die Fahrkultur des Shuttle ist besser, die Fertigungs- und Betriebskosten sind niedriger. Bild 4: Regio Shuttle (Bild StadlerRail Hennigsdorf) Auch der Schiffbau steht vor einer Innovationsschwelle und kommt künftig nicht mehr am Kleben vorbei. Beispielsweise ist der Bedarf an Luxus-Kreuzfahrtschiffen gestiegen: hochwertiges Reisen beinhaltet bestens ausgestattete Kabinen. Sie sollen möglichst hoch über dem Wasserspiegel liegen, um ungehinderten Ausblick zu gewährleisten. Zusätzliche höhergelegene Decks mit attraktiven Freizeiteinrichtungen wie Swimmingpools bedeuten auch zusätzliches Gewicht im oberen Schiffsbereich. Dadurch würde der Kreuzliner aber instabil. Er könnte bei schwerer See kentern. Um das Metazentrum des Schiffs tief zu halten, müssen leichtere Materialien verwendet werden. Die neuen Leichtbau-Decks sind stabil, da die Kräfte an den Klebverbindungen flächig übertragen werden. Viele Fähren sind heute noch als Verdränger mit hohem Gewicht auf See. Durch Gewichtsreduzierungen können sie zum Gleiter mit höherer Geschwindigkeit werden. Das eröffnet völlig neue Horizonte: Schiffstransfers wären dann schneller und preiswerter. Das bedeutet nicht nur für den Personentransport, sondern auch für den Warenverkehr immense Vorteile. Um dies zu erreichen, müssen jedoch an jeder Stelle die geeignetsten, leichtesten Werkstoffe eingesetzt werden. Gleichzeitig ergeben sich durch höhere Geschwindigkeiten wieder neue Herausforderungen.

4 Bild 5: Hochgeschwindigkeitsfähre (Bild: Lürssen Werft, Henkel KGaA) Ein Beispiel: Im Jahr 2000 konstruierte die Lürssen-Werft in Lemwerder Schnellfähren für einen indonesischen Kunden, die mit einer in diesem Bereich bislang nicht da gewesenen Geschwindigkeit von 40 Knoten (rund 70 km/h) unterwegs sind. Bei schwerer See sind diese Fähren heftigen Stößen ausgesetzt. Die Sitzreihen sind deshalb mit feuchtigkeitshärtenden, gummielastischen Klebstoffen auf die Decks geklebt. Statt punktueller wird durch die flächige Kraftübertragung das Herausreißen der Sitze verhindert. Zusätzlich wirkt der Klebstoff vibrationsdämpfend, was wiederum den Fahrkomfort erhöht. Rund eine Tonne Gewicht konnte darüber hinaus eingespart werden, indem die Passagierdeckfenster nicht mehr aus Glas, sondern aus Polycarbonat bestehen. Die Kunststoffscheiben wurden ebenfalls mit Polyurethan-Klebstoffen eingeklebt. Personalqualifizierung als Voraussetzung Nach DIN ISO 9000 ff. ist das Kleben ein sog. spezieller Prozess. Damit sind Prozesse gemeint, die zerstörungsfrei nicht zu einhundertprozentigen Aussagen über die Qualität - beispielsweise einer Verbindung - führen. Und wenn in diesem Zusammenhang schon das Schweißen und das Löten spezielle Prozesse sind, dann ist es das Kleben auf Grund der noch höheren Zahl an Qualitätseinflussfaktoren erst recht. Der Einsatz spezieller Prozesse in der Fertigung muss gem. DIN ISO 9000 ff. durch entsprechend qualifiziertes Personal erfolgen. Dies ist integraler Bestandteil einer Entwicklung, die besagt, dass generell beim täglichen Einsatz anspruchsvoller und hochkomplexer Technologien hohe Qualität und optimale Verwertung zu gewährleisten ist und daher die permanente Qualifizierung der Beteiligten immer wichtiger wird. Die hohe Entwicklungsdynamik in allen bedeutenden Technologiebereichen führt dazu, dass Fachwissen innerhalb von fünf Jahren veraltet Tendenz steigend. Wer heute das Wissen generiert, hat somit gleichzeitig auch die nachhaltige Verpflichtung, diese Wissen weiterzugeben. Für die Hochtechnologie Kleben heißt dies, das Know-how zur industriellen Anwendung und Verwertung möglichst direkt an das Fachpersonal durch hochqualifizierende, zertifizierende Schulungen zu vermitteln, um den Fachkräften auf allen Ebenen die richtige und bedarfsgerechte Nutzung der Klebtechnik zu ermöglichen. Bild 6: Kleben in der Praxis

5 Für die Klebtechnik werden dazu, basierend auf europaweit anerkannten und harmonisierten Richtlinien des DVS (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren) und der EWF (European Federation for Welding, Cutting and Joining), überbetriebliche Qualifizierungsmaßnahmen angeboten zum - EWF-European Adhesive Bonder EAB / DVS -EWF-Klebpraktiker/in Dauer: 40 h / Zielgruppe: ausführende Ebene - EWF-European Adhesive Specialist EAS / DVS -EWF-Klebfachkraft Dauer: 120 h / Zielgruppe: Verbindungsmanagement - EWF-European Adhesive Engineer EAE / (Klebfachingenieur/in) Dauer: 320 h / Zielgruppe: technische Entscheiderebene. Jede Qualifizierungsmaßnahme schließt mit praktischen, schriftlichen und mündlichen Prüfungen, deren erfolgreicher Abschluss zur Verleihung der international anerkannten DVS/EWF- und EWF-Zeugnissen führt. Inzwischen wurden seit 1994 im In- und Ausland in deutscher und englischer Sprache mehr als 760 Lehrgänge mit über Teilnehmer/innen durchgeführt. Das klebtechnische Personalqualifizierungssystem findet längst internationale Anerkennung. Seit dem Jahr 2008 bietet das Fraunhofer IFAM die EAB- und EAS-Lehrgänge in Shanghai ebenfalls in chinesischer Sprache an, ab diersem Jahr (2015) ebenfalls den EAE-Lehrgang. Bild 7: Die weltweit ersten Klebfachingenieure (2001) Das Ziel der Personalqualifizierung ist, klebtechnisches Wissen auf eine solide Basis zu stellen und den Betrieben zu ermöglichen, das Potenzial der Klebtechnik eigenständig zu nutzen. Darüber eröffnen sich die Betriebe Wettbewerbsvorteile und unterstützen die notwendige, zukunftsorientierte Qualifizierte Marktentwicklung QME für die Klebtechnik.