Konstruktionselemente

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1 Konstruktionselemente Kapitel 4: Kleben Prof. Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer Dipl.-Ing. Otto Olbrich Fakultät 06 Feinwerk- und Mikrotechnik, Physikalische Technik Version 3.05 vom Hinweis: Verbesserungs- und Korrekturvorschläge seitens der Leserschaft sind erwünscht. Haftungsausschluss: Die bereitgestellten Informationen sind mit großer Sorgfalt erstellt worden, Fehler sind jedoch nicht auszuschließen. Für Schäden durch Nutzung oder Nichtnutzung fehlerhafter und/oder unvollständiger in dieser Unterlage vermittelten Informationen haften wir nicht, es sei denn, es liegt nachweislich Vorsatz oder grob fahrlässiges Verschulden vor.

2 Konstruktionselemente Inhalt Kapitel 04 - Kleben 4. 4 Kleben Definition DIN Grundlagen Physikalisch abbindende Klebstoffe Lösungsmittelkleber Dispersionsklebe (Leim) Kontaktklebstoffe Polyurethankleber Klebebänder dauerklebrig, ein- und zweiseitig klebend Klebstreifen; durch Anfeuchten reaktivierbar Plastisole Schmelzklebstoffe Chemisch abbindende Klebstoffe (Reaktionsklebstoffe) Epoxidharzkleber Methylmethacrylat-Kleber Cyanacrylatkleber (Sekundenkleber) Anaerobe Kleber Silikonkleber Spezialkleber Werkstoff Klebstofff Verträglichkeit Oberflächenvorbereitung: Gestaltung von Klebeverbindungen Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz Berechnung von Klebeverbindungen Kleben 4.1 Definition DIN Kleben ist das Fügen unter Verwendung eines Klebstoffes, d.h. eines nicht metallischen Werkstoffes, der Fügeteile durch Flächenhaftunf (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann. Weitere Normen: DIN ; DIN EN 923; DIN EN 13887; VDI/VDE Grundlagen Adhäsion = Aneinanderhaften der Moleküle im Grenzflächenbereich zweier verschiedener Werkstoffe Kohäsion = innerer Zusammenhalt der Moleküle eines Stoffes Adhäsion und Kohäsion an einem Flüssigkeitstropfen Abhängigkeit der Klebverbindung von Ettemeyer, Olbrich HOCHSCHULE MÜNCHEN Fk 06 Kräfte in einer Klebverbindung an einer bear- und Kohäsi- beiteten Oberfläche (Adhäsion on) V 3.05

3 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben Haftung an der Fläche durch molekulare Anziehungskräfte, sowie 1. Mikromechanische Verzahnung in der Oberflächenrauheit 2. Chemisorption (nicht immer) 3. Polare Bindung durch Dipole 4. Diffusion bei Kunststoffen Damit wirken, müssen die Moleküle sehr nah an die Oberfläche herankommen ( 1 nm) und sich ausrichten können. Dafür ist die flüssige Phase erforderlich. Die mechanische Verankerung des Klebstoffs an der Oberfläche hat nur geringe Bedeutung. Eine feine Aufrauung ist dennoch von Vorteil. Sehr saubere Oberflächen, gute Vorbereitung erforderlich Zwischenmolekulare Anziehungskräfte und Verklammerung der Polymermoleküle = innere Festigkeit Klebstoffdicke hat wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit, weil z.b. eine zu dünne Klebstoffdicke Wärmedehnungen nicht ausgleichen oder Spannungsspitzen nicht durch Fließen abbauen kann. Eine zu dicke Klebstoffschicht neigt zum Kriechen. Die Festigkeit des Klebstoffes ist viel geringer als die von Metallen. Beim Schweißen und Löten kommt die Festigkeit der des Grundwerkstoffes nahe. Vorteile: - Fügen verschiedenartiger Werkstoffe - Kein oder geringer Wärmeeintrag (wenig oder kein Verzug) - Keine ungünstige Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften außer teilweise an Klebefläche - Möglichkeit der Kombination mit andren Fügetechniken - Gas- und flüssigkeitsdicht, Isolierend - Keine Querschnittsschwächungen - Leicht - schwingungsdämpfend wegen E klein - Auch dünne Folien verbindbar - Großflächige Verbindung Kleberauswahl hoch Sekundenkleber für Langzeitklebung Vorsicht reaktive (aushärtende) Schmelzkleber Nachteile - Sehr sorgfältige Vorbereitung und Oberflächenbehandlung der Fügestellen nötig - Exakte Einhaltung der Prozessparameter - Stumpfstöße meistens nicht möglich - Geringe Schälfestigkeit - Geringe Warmfestigkeit - Teilweise lange Wartezeiten zum Abbinden - Kriechneigung der Verbindung - Nachträgliches Ausrichten der Teile nicht möglich, kaum Reparaturmöglichkeit - Schlecht prüfbar - Alterung und niedrige Dauerstandsfestigkeit Einkomponentig warmhärtend Zweikomponentig kalthärtend Festigkeit MPa = N/mm 2 strukturelle Klebungen = definierbare Festigkeit semistrukturelle Klebungen = nicht definierte Festigkeit Lösemittelkleber Dispersionskleber niedrig Schmelzkleber thermoplastisch Dichtmassen schnell Fügezeit langsam Wie gut sich Werkstoffe verkleben lassen, hängt von deren Oberflächenenergie ab. Werkstoffe mit niedriger Oberflächenenergie z.b. bei PE, PP, PTFE sind sehr schlecht zu verkleben. Unlegierter St oder Al haben hohe Oberflächenenergie und lassen sich gut verkleben, immer vorausgesetzt, es kommt der richtige Kleber zum Einsatz.

4 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben Testmöglichkeit: Wenn Wasser die Oberfläche gleichmäßig benetzt, ist eine gute Klebung möglich. Vorausgesetzt: Gute Reingung und Entfettung, eventuell leichte Aufrauung. 4.3 Physikalisch abbindende Klebstoffe Lösungsmittelkleber - Klebstoff ist in Lösungsmittel gelöst - flüchtige Lösungsmittel entweichen während des Klebens - Polymere aus synthetischem Kautschuk und Harzkombinationen sind bereits in ihrem molekularen Endzustand. - Lösungsmittel ist lediglich Verarbeitungshilfe und wird kein Bestandteil der Kleberschicht. - Lösungsmittel muss verdunsten können poröse Materialien (Papier, Holz, Keramik). - Hauptsächlich nichtindustrielle Anwendungen - Beispiele: UHU (Lösungsmittel auch Wasser) - Vorteil: einfach handhabbar kein Mischen - Nachteil: Geringere Festigkeit als chem. abbindende Klebstoffe Manche Lösungsmittel zersetzt manche Werkstoffe Dispersionskleber (Leim) (aus der Tradition her meist Leim genannt) - Basismonomere werden in Wasser emulgiert und dann polymerisiert. - Polymerisat ist im Kleber als feste Bestandteile mit bis zu 1µm Größe zu 50 60% vorhanden. - Bei Verdunsten des Wassers entsteht ein immer dichterer Kontakt der Partikel der dispersen Phase untereinander und mit der Fügeteiloberfläche. - Es kommt zur Vernetzung der Kettenmoleküle und zur Ausbildung der Haftkraft. - Ausgehärteter Kleber ist von Wasser nicht mehr lösbar. - Die Beständigkeit gegen Wasser und Lösungsmittel ist unterschiedlich gut je nach Kleberart. - Beispiel: Ponal Holzleim von Henkel Vorteile von Wasser als Dispersionsmittel: - nicht toxisch, nicht brennbar, billig Kontaktklebstoffe - Klebstoff, Polymer wie bei Lösungsmittelkleber ist in Lösungsmittel gelöst - Klebstoff auf beide Fügeflächen auftragen - Nach kurzem Ablüften (bis ca. 15 min bei Raumtemperatur) Teile kurz fest anpressen - flüchtige Lösungs- oder Dispersionsmittel entweichen vor dem Kleben - Abbindevorgang ist rein physikalisch, daher kein Aushärten der Klebefuge - Beispiele: Pattex (Henkel) Technicoll 8050 (Beiersdorf) Vorteil: Nachteil: - Einfach handhabbar - Kein Mischen - Gut für großflächige Verbindungen - Nach dem Fügen keine Justierung mehr möglich - Kriechneigung Polyurethankleber - Sehr gute Haftungseigenschaften, auch auf vielen Kunststoffen. - Eigenschaften in weiten Bereich variierbar, z.b. Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln, Weichmacher, Ölen, Wasser. - Festigkeit bei harten Typen vergleichbar mit Epoxidharzklebern.

5 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben - Reißdehnung von 3 bis 400% variierbar - Können auch bei Tieftemperatur flexibel sein. - Warmhärtbar bis 100 C. - Beispiel: Beiersdorf technicoll 8301/8302, 3M Scotch-Weld 3532B/A, Henkel Ponal Flächenkleber HF850 - Anwendung: Allzweckkleber, Holz, Sandwich aus PU-Schaumstoffkern + GFK oder Metall- oder Duroplast-Deckplatten z.b. Wohnwagenbau, Verkleben von Schaumstoffen, Parkett Klebebänder dauerklebrig, ein- und zweiseitig klebend - Auf Träger befindliche, lösungsmittelfreie Klebschicht. - Nicht vernetzte, hochviskose Pasten, die permanent klebrig bleiben und eine gute Adhäsion zum Klebepartner haben. - Durch Andrücken bewirken sie ein Benetzen der Fügeteile (engl. PSA = Pressure Sensitive Adhesive). - Vielfach wieder abziehbar ohne Zerstörung oder wesentliche Rückstände auf der Fügeteiloberfläche. - Neigung zum Kriechen (Angeklebte Teile rutschen runter). - Häufig doppelseitig beschichtete Klebebänder mit Schaumstoffträger zum Ausgleich von Unebenheiten bis ca. 1/4 Schaumstoffdicke und für elastische Lagerung -wichtig bei unterschiedlichen Wärmedehnungen oder für Schwingungsdämpfung. - Beispiele: Scotch Klebeband 8981 von 3M (Verpackungsklebeband) Tesa 4964 (doppelseitiges Klebeband) - Tesaflex 4163 (Elektroisolierband) - Anwendung: Kabelschellen, Reklame, Verpackung, Elektromotorenwicklung, Leiterplattenfertigung, endlos machen von Folienbahnen, z.b. Papier, Einkleben von Spiegeln in Möbel Klebstreifen; durch Anfeuchten reaktivierbar Plastisole - Ein Plastisol ist eine physikalische Mischung aus einem pulverförmigen thermoplastischen Polymer, meist PVC, und Weichmacher sowie gegebenenfalls Füllstoffen, Treibmitteln und Additiven. - Nach der Applikation erfolgt die Wärmezufuhr - Ungetempertes Plastisol wird gieß-, spritz- und streichfähig und geliert bei Temperaturen zwischen 150 und 180 C. Dabei bindet das Polymer mit dem Lösungsmittel einen dauerhaft zähelastischen Kunststoff, der sich beim Abkühlen verfestigt. - Anwendung im Automobil-Bau als Nahtabdichtung oder Unterbodenschutz - Geringe Festigkeit, hohe Elastizität - Eher Dichtstoff als Klebstoff - Aus Plastisolen werden auch z.b. Kunstleder, Textilbeschichtungen, Folien hergestellt Schmelzklebstoffe - thermoplastische polymere Verbindungen - werden im geschmolzenen Zustand meist aus Kartuschenpistolen aufgetragen (meist zwischen 120 und 200 C) - unmittelbar nach Abkühlen voll belastbar - Achtung: beide Fügeflächen müssen gleichzeitig vom heißen Kleber an der Oberfläche angewärmt werden, da sich sonst die Adhäsion an der Oberfläche nicht ausbilden kann. - Beispiel: Hot-Melt SW 3738 (3M Deutschland) - Anwendung: Holz, Kunststoff, Karton, Umleimer von Möbeln, Glaskolben in Sockel, Fixieren von Spulenenden am Wickelkörper, Trafo in Gehäuse, Gehäuseabdichtungen

6 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben 4.4 Chemisch abbindende Klebstoffe (Reaktionsklebstoffe) Reaktionsklebstoffe - Technisch wichtigste Klebstoffe - Hochmolekulare, härtbare Kunstharze (meist Phenol- und Epoxidharze) - Im Lieferzustand flüssige Komponenten - Durch Zugabe Katalysator erfolgt Umwandlung in unlösliche und unschmelzbare Sustanz - Hohe Haftfestigkeit und hohe innere Festigkeit - Bezeichnung als Zweikomponenten-Klebstoffe mit Binder oder Harz (Grundstoff) und Härter (Katalysator) Evtl. zusätzlich Beschleuniger - Eignung für Glas, Metalle, Keramik, Porzellan, Kunststoffe, etc. - Einteilung in Polymerisationsklebstoffe (Monomere+Katalysator bilden Polymere) Polyadditionsklebstoffe (Monomere+Protonenübertragung ergibt Polymere) Polykondensationsklebstoffe (Durch Abspaltung von meist Wasser entstehen Makromoleküle) Epoxidharzkleber - Sehr häufig in technischen Anwendungen, sog. Konstruktionsklebstoff - Sehr gut reproduzierbare Eigenschaften - Kalt aushärten oder warm (noch dünnflüssiger, noch bessere Benetzung der Oberfläche, höhere Festigkeit) - Einige dieser Kleber können thixotrop eingestellt werden. Sie fließen dann beim Auftragen und Aushärten nicht weg. - Statische Kurzzeitzugscherfestigkeit bei 20 C ca. 15 bis 30 N/mm 2. - Dauerstandsfestigkeit bei ruhender Belastung ca. 20 bis 30%, bei schwingender Belastung um 10% dieser Werte - Reißdehnung die meisten wenige %, auch Einstellungen mit größerer Dehnung. - Achtung: Unter Einfluss von Lösungsmitteln oder bei besonderem Einsatz, wie in heißem Wasser, kann bei manchen die Dauerstandsfestigkeit praktisch auf 0 absinken. Werte durch Versuch oder mit Hersteller klären. - Vorteil: Keine flüchtigen Bestandteile Auch dichte Materialien klebbar Zweikomponenten-Epoxidharzkleber - Harz und Härter werden getrennt geliefert und erst unmittelbar vor der Verwendung gemischt. - Beim Mischen vorgeschriebenes stöchiometrisches Verhältnis einhalten - Vollständig durchmischen! - Nach dem Mischen bei Raumtemperatur bis ca. 2h verarbeitbar (ca. 1 min mit beigegebenen Beschleunigern). - Meist kalt und warm aushärtbar. - Bei Warmaushärtung werden höhere Festigkeiten erzielt und die Aushärtezeit reduziert sich von Std. auf Min. - Beispiel: UHU plus endfest 300, (identisch mit im Handel Harz AW106 und Härter HV953U; auch Araldit 2011) Scotch-Weld 1838 B/A von 3M; technicoll 8268/8269 von Beiersdorf; Delo-Duopox DK839 Loctite Hysol 3421 A&B von Henkel Einkomponenten-Epoxidharzkleber - Bestehen chemisch aus 2 Komponenten, die im Anlieferzustand im Kleber als Monomere vorliegen. - Sind bei vorgeschriebener Lagertemperatur so reaktionsträge, dass sie nicht aushärten.

7 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben - Benötigen meist zum Aushärten 90 bis 250 C, nur manche tiefgekühlt zu liefernde und lagernde Klebstoffe härten bei Raumtemperatur aus - Vorteile sind: - Kein Mischen und damit auch keine Fehler beim Mischen. - Teilweise gegenüber 2-Komponenten-Klebern noch verbesserte Eigenschaften wie höhere Lösungsmittelbeständigkeit, höhere Temperaturbeständigkeit. - Beispiele: 3M Scotch-Weld 2214; Delo-Monopox AD066; Anwendung von Epoxidharzklebern: - Von Elektronik und Feinwerktechnik bis zum Flugzeugbau. - Metalle sind sehr gut klebbar. - Kunststoffe oft mit anderen Klebern besser. - Die Klebefugen sollen nicht zu dünn sein (meist nicht unter 0,01 bis 0,05mm), aber auch nicht zu dick (meist nicht über 0,2mm). Es werden aber auch breitere Fugen ausgefüllt. - Beispiele: Stiel von Golfschläger, Strukturteile bei Flugzeug Methylmethacrylat-Kleber (auch Methacrylat-Kleber oder Acryl-Kleber genannt) - Methylmethacrylat-Monomere sind sehr reaktionsfreudig. - Härtezeit bis zur Handhabungsfestigkeit ca. 2 bis 30 min. - Festigkeitswerte vergleichbar mit Epoxidharz-Klebern. - Die Klebefuge ist etwas flexibler. - Beispiel: Agomet F300 von Bodo Möller Chemie; ACRIFIX vonevonik (Chemie von Degussa) besonders für Plexiglas, - Anwendung: Verklebbar sind praktisch alle Metalle und die meisten Kunststoffe Cyanacrylatkleber (Sekundenkleber) - Lösungsmittelfreie, schnell polymerisierende Cyanacrylate - Polymerisation wird durch die Luftfeuchtigkeit und die Restfeuchte auf den Fügeteilen eingeleitet. - Die Klebefuge soll höchstens 0,2 mm weit sein. - Nach dem Kleberauftrag, meist genügt einseitig, müssen die Teile sofort gefügt werden. - Die Aushärtezeit beträgt sec bis min. Voll ausgehärtet ca. 30 min. - Cyanacrylate sind feuchtigkeits- und dampfempfindlich und sehr spröde. - Bis höchstens 80 C geeignet. - Scheiden meist bei der Härtung einen weißen Belag ab. - Vorsicht auf Haut und Augen bei der Anwendung. - Finger kleben sofort zusammen, Finger nicht gewaltsam trennen, sondern schälend oder garnicht. Die Rückfettung der Haut löst mit der Zeit den Kleber. - Wenn Kleber in die Augen sofort mit Wasser spülen zusätzlich zum Arzt. - Beispiele: Loctite 495 3M Scotch-Weld M 2000 Pattex KR210; Pattex Blitzkleber Gel technicoll Ruderer 9052 Panacol-Elosol Cyanolit Anwendung: Für die meisten Werkstoffe geeignet. - Festigkeit etwa 1/3 der Epoxidharzkleber. - Bei Anwendung für dauerhaltbare Klebungen ist Vorsicht geboten Anaerobe Kleber - Aushärtung erfolgt, wenn der Kleber unter Luftabschluss ist und ein Metall als Katalysator wirkt. - Aktive Materialien: St, MS, Bz, Cu. - Passive Materialien: Hochleg. St, Al, Ni, Sn, Zn, Ag, Au, Oxide, Chromatschichten, Eloxalschichten, Kunststoffe, Keramik.

8 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben - Passive Materialien sind mit Hilfe eines Aktivators (Cu-lonen) verklebbar. - Bei UV-härtenden Typen härtet der Rand durch starke UV-Bestrahlung in wenigen sec aus. Die weitere Durchhärtung erfolgt dann anaerob. Bei UV-durchlässigen Gläsern kann durch das Glas mit UV durchgehärtet werden. - Anwendung fast ausschließlich bei reiner Scherbeanspruchung der Klebefuge: Schraubensicherung (klassische Anwendung), Welle-Nabe Verbindung, Kugellagerbefestigung, Dichtung von Rohrgewinden (hierfür im ausgehärteten Zustand ungiftige Typen, wenn Rohre z.b. in Beziehung zu Lebensmitteln sind.). Sonst als Montagehilfe, z.b. Aufkleben von SMD-Bauteilen, zum Dichten. - Beispiele: Loctite 222 Sichern und Dichten von Gewindeverbindungen niedrigfest Loctite 243 Sichern und Dichten von Gewindeverbindungen mittelfest Loctite 270 Sichern und Dichten von Gewindeverbindungen hochfest Loctite 366 UV härtend Loctite 603 Wälzlagerbefestigung, etwas öltolerant Loctite 648 Fügen von Welle-Nabe-Verbindungen hochfest Panacol-Elosol 6104 VT Bauteilebefestigung auf Leiterplatten; Delo-Katiobond 4670 UV härtend Delo-ML 5149 Sichern und Dichten von Gewindeverbindungen niedrigfest Delo-ML 5228 Sichern und Dichten von Gewindeverbindungen mittelfest Delo-ML 5302 Sichern und Dichten von Gewindeverbindungen hochfest Silikonkleber - Silikone sehr weich einstellbar - Dort angewendet, wo hohe Elastzität notwendig ist, z.b. Verkleben von Werkstoffen mit sehr unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten z.b. Glas mit Metall, Einbetten von einpfindlichen Teilen, als Dichtung, etc.. Silikone haben: - gute Haftfestigkeit auf vielen Werkstoffen - hohe Temperaturbeständigkeit im Grenzfall -40 bis 300 C - hohe Reißdehnung bis 600% - Einkomponentige Silikonkleber benötigen zum Aushärten Feuchte aus der Umgebungsluft. Die Härtegeschwindigkeit ist mm/tag. Beim Aushärten schrumpfen sie ca. 3%; wenn sie mit Lösungsmittel verdünnt sind, um besser zu fließen, bis 50%. - Zweikomponentige härten ohne Feuchte, sie sind also auch für schmale Klebespalte geeignet. - Bei der Aushärtung spalten die meisten geringe Mengen Essigsäure ab, die korrosiv wirkt. Manche spalten Amin ab, das sich neutral verhält. - Beispiele: Delo-GUM 3599, einkomponentig, spaltet Amin ab Wacker Elastosil R komponentiger Siliconkautschuk-Kleber Spezialkleber - Z.B. Strom und/oder Wärme leitende Kleber durch Beimischen von Metall- oder Metalloxidpulvern Die Auflistung der Kleber ist unvollständig, weil die Vielfalt und die Spezialanwendungen zu umfangreich sind.

9 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben 4.5 Werkstoff Klebstoff Verträglichkeit Ettemeyer, Olbrich HOCHSCHULE MÜNCHEN Fk 06 V 3.05

10 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben 4.6 Oberflächenvorbereitung: Ausführliche Angaben: DIN EN Werkstoff Niedrige Festigkeit Mittlere Festigkeit Hohe Festigkeit Aluminiumlegierung 1) Beizen, entfetten Strahlen und Bürsten Gusseisen Keine Weiterbehandlung Schleifen und Bürsten wenn sauber Schmirgeln oder schlei- Kupfer, Messing Stahl, auch rostfreier fen Strahlen Stahl verzinkt Stahl phosphatiert keine Weiterbehandlung wenn fettfrei und sauber Stahl brüniert sehr gründlich entfetten Strahlen, Brünierung geht verloren Titan Bürsten Beizen Keine Weiterbehandlung wenn sauber Magnesium 1) Schmirgeln oder Strahlen oder Beizen Schleifen keine Weiterbehandlung oder schwaches Aufrauen wenn fettfrei und Zink sauber Kunststoffe leicht aufrauen Beizen oder Plasmareinigung Gummi leicht aufrauen 1) Bei schnell oxidierenden Metallen Klebstoffauftrag unmittelbar nach Entfernung der Oxidschicht. - Sehr sorgfältige Vorbereitung erforderlich - die Klebverbindung ist nur so gut wie ihre Vorbereitung - Säubern, Klebestelle muss frei von lose anhaftenden Verunreinigungen wie Späne, Staub, Rost, etc. sein. - Die Klebeoberflächen sollen so wenig wie möglich und nach der Reinigung überhaupt nicht mehr mit bloßen Händen berührt werden. - Nach der Reinigung soll so bald als möglich geklebt werden, Lagerung höchstens 4 Stunden. - Entfetten möglichst nur Waschmittel mit Wasser. Bei Kunststoffen darauf achten, dass die Entfettungsmittel nicht anlösend wirken. - Aufrauen durch Schleifen oder Bürsten ist von Vorteil, weil die benetzte Oberfläche vergrößert wird. Optimal Rz 30 bis 70 µm. - Strahlen Weniger aggressive Verfahren können sich auch für Kunststoffe eignen. Bei Al, Cu, rostfreiem St, Titan keine eisenhaltige Strahlmittel. - Bei höheren Ansprüchen Beizen (Ätzen) von Metall mit nichtoxidierenden Säuren wie Salz- oder verdünnte Schwefelsäure entfernt Oxide und trägt bei längerer Einwirkung auch Metall ab. Beizen ist auch bei Kunststoffen möglich. - Phosphatieren (ca. 3 20µm dicke Eisen- oder Zink- oder Manganphosphatschicht) - Abflammen (bei Kunststoffen): verbrennt einige Kohlenwasserstoffe und schmilzt Oberfläche kaum merklich an. Verbessert die Haftung von Kleber oder Farbe. - Plasmareinigung, entweder Niederdruckplasma 60 bis 150 Pa oder Plasma bei Atmosphärendruck. Es wird meist mit reaktivem Gas gearbeitet, wie O 2, Luft oder Tetrafluormethan CF 4. Im Plasma reagieren C und H der Makromoleküle bei Temperaturen um 100 C zu CO 2 bzw. H 2 O oder zu Fluoriden. Diese Reaktionen finden sonst erst bei mehreren 100 C statt. Das Aussehen der Kunststoffteile wird dabei nicht verändert.

11 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben 4.7 Gestaltung von Klebeverbindungen - Fügeflächen müssen gut zueinander passen. - Teile müssen während des Aushärteprozesses zueinander fixiert und oft gegeneinander angedrückt werden (Besonders bei Aushärten unter Wärme) - Am günstigsten sind flächig aufeinander liegende oder ineinander passende Klebestellen ungünstig besser Hinweise a) Zusätzliches Biegemoment bei Längskraft, billig b) c) b) geringes Biegemoment a) c) kein Biegemoment d) d) Kaum überhöhte Spannung an den Rändern, teuer a) b) a) Stumpf-Stoß meist viel zu kleine Klebefläche. b) Schäftung teuer a) Schälung vermeiden b) Schälung z.b. durch Nieten vermieden. c) Schälung in Zug gewandelt; a) b) c) besser, nicht optimal a) Bei Bodenbelastung bei A hohe Zugspannung. b) c) klebegerecht a) b) c) a) b) a) Zug bei Belastung über Innengewinde. b) Am Umfang günstige Scherbeanspruchung, zusätzlich Lagefixierung. - Zugbeanspruchung möglichst vermeiden, Schälbeanspruchung vermeiden! => Scherbeanspruchung bevorzugen! - Krafteinleitung günstig gestalten - auf fertigungsgerechte Klebeflächen achten - Verarbeitungshinweise beachten - Klebespaltdicke abhängig von Viskosität - Möglichst gleiche Wärmedehnung der Teile, wenn nicht möglich dickeren Klebespalt und/oder durch elastischen Kleber ausgleichen Bei Überlappung entsteht zusätzlich Zugspannung durch Biegemoment ergibt Spannungsspitzen an den Blechenden. Verbesserung: Abschrägen der Blechenden oder elastische Klebeschicht (Kleberart oder -dicke). Klebespaltdicke einige 1/10 mm. Bei langen und oder unebenen Klebespalten kann die Klebspaltdicke auch bis 2 mm reichen. Die Spaltdicke ist niedrig bei niederviskosen Klebern oder wenn der Kleber beim Aushärten bei höherer Temperatur dünnflüssig wird. Die Dicke kann dann, Ebenheit der Teile vorausgesetzt, auch nur im Bereich 1/100 mm sein.

12 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben Klebetechnische Mehrfachfunktion durch Form- - Selbständige Kleberverteilung beim Einschie- gebung: - Einfache Kleberdosierung ben des Bleches - Zusätzlicher Kraftschluss Gabel/Blech - Zusätzlicher Formschluss Gabel/Kleber - Spannungsfreier Toleranzausgleich, wenn Blech zu Gabel etwas schief steht Befestigung und Lagezuordnung gleichzeitig: - Teil 1 und 2 lagerichtigg in Vorrichtung zueinander figünstig dosierbar, Thixotroper xiert - Kleber über Bohrung Kleber hoher Viskosität, der auch bei Aushärtung nicht wegläuft - Aushärtung in Vorrichtung, ggf. warm Vermeiden von Schälbeanspru- Spannungsarmes Einbetten durch elastische Kle- chung durch konstruktive Gestaltunberschicht Ettemeyer, Olbrich HOCHSCHULE MÜNCHEN Fk 06 V 3.05

13 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben Ausgeführte Klebverbindungen: a) bis c) Rohrverbindungen, d) kaschierte Holzplatte, e) Leichtbauplatte, f) geklebter Vorflügel eines Sportflugzeuges, g) Tankdeckel mit aufgeklebten Hutprofilen, h) Bremsbacke mit aufgeklebtem Bremsbelag, i) Versteifung einer Flugzeug-Rumpfhaut mit Hutprofilen Beispiel: Kleber als Dichtung 4.8 Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz - Kleber sind im allgemeinen Chemikalien, damit sind zu beachten Gefahrstoffverordnung Arbeitsstättenverordnung ggf. Arbeitssicherheits- und Gerätesicherheitsgesetz. - Reaktionsklebstoffe sind im ungehärteten Zustand in der Regel Gefahrstoffe. - Schäden können durch Einatmen oder Berührung (z.b. Allergie) auftreten. - Nach vorschriftsmäßiger Härtung sind diese Gefahren nicht mehr vorhanden. - Klebstoffe meist entzündlich, brandfördernd und umweltgefährlich Ettemeyer, Olbrich HOCHSCHULE MÜNCHEN Fk 06 V 3.05

14 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben - Sicherheitsdatenblatt der Hersteller beachten. 4.9 Berechnung von Klebeverbindungen Zug (ungünstig) Scheren (günstig) Schälen (vermeiden!) Das Verhältnis von mittlerer zu max. Schubspannung kann nach VDI/VDE 221 berechnet wer- den zu τ m mittlere Spannung τ max max. Spannung an den Rändern wenn τ max die Bruchspannung τ B des Klebers ist, ist τ m = τ B m die als mittlere Spannung anzuset- zende Bruchspannung. Gleiches gilt für die zul. Spannung. E Elastizitätsmodul der Fügeteile G Schubmodul des Klebstoffes l Überlappungslänge s Dicke der überlappten Teile d Klebschichtdicke Zugscher-Prüfkörper zur Bestimmung der Bindefestigkeit von Klebeverbindungen ISO 4588 Ettemeyer, Olbrich HOCHSCHULE MÜNCHEN Fk 06 V 3.05

15 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben Scherspannung zugscherbeansruchter Klebungen (überlappte Klebung) F F F τ K,z = = für Überlappung; τ K,z = für Rohr bei Längskraft A Kl l b d π l 2M τ K,z = für Rohr bei Moment 2 d π l F = Zugkraft M = Drehmoment A Kl = Klebfugenfläche l = (10 20) t = Überlappungslänge, die übertragbare Kraft oder das Moment nehmen mit zunehmender Länge l nur unterproportional zu. l 5 t bei Kunststoffteilen wegen der höheren Elastizität. b = Breite der Klebfugenfläche. Wenn möglich, b vergrößern, l verkleinern. d = Durchmesser des Klebespaltes bei Rohr. τ K,z = Zugscherspannung in der Klebefuge τ K,B,z = Scherfestigkeit (Bruchfestigkeit) des Klebers zugscherbeanspruchter Klebeverbindungen, wird üblicherweise in den Datenblättern für den optimal zum Kleben geeigneten Werkstoff angegeben. τ K,z zul = zul Schubspannung zugscherbeanspruchter Klebeverbindungen Die zul. Schubspannung ist deutlich kleiner als die in den Datenblättern angegebene Scherfestigkeit des Klebers. Dies wird mit den folgenden Abminderungsfaktoren berücksichtigt. k = Klebschichtfaktor für die Herstellqualität. k = 1 bei optimalen Klebebedingungen, k < 1 bei Fertigungsunsicherheiten, z.b. Reinigung, Kleberauftag (z.b. vollständige Benetzung mit Kleber bei langen zylindrischen Spalten schwierig), Aushärtung usw. Faktor kann meist nur am konkreten Anwendungsfall ermittelt werden. f = Flächenfaktor. f = 0,5 1; 1 bei kleinen Werten für l/t und keine zusätzliche Biegebeanspruchung; 0,5 bei großen Werten für l/t und zusätzlicher Biegebeanspruchung w = Werkstofffaktor für Epoxidharzkleber Werkstoff Werkstofffaktor w Stahl 1 nichtrostender Stahl 0,8 Aluminiumlegierungen 0,7 Kupfer und galvanische Klebeflächen 0,5 Kunststoffe 0,2 0,3 d = Dynamikfaktor. 0,1 für Wechselbeanspruchung, 0,07 für Schwellbeanspruchung - Eine weitere Abminderung kann die Kleberalterung erfordern. Soweit Werte nicht für die Kleber in den Datenblättern vorhanden sind, mit Hersteller klären. - Eine weitere Abminderung kann eine erhöhte Temperatur der Klebestelle im Betrieb bedingen. τ k f w d τ K,zzul K,B,z Für die Auslegung sollte man einen Sicherheitsbeiwert S verwenden:

16 Konstruktionselemente Kapitel 04 - Kleben τ K,z zul τ K,z S 1,5...2, 5 S Achtung: Bindefestigkeit ist von vielen Parametern abhängig (Korrosionseinflüsse, Temperatur, Oberflächenrauheit, Werkstoff, Geschwindigkeit der Lastaufbringung, etc.) Daher Herstellerangaben beachten. Wenn die zul. Schubspannung bekannt ist, kann sofort die übertragbare Kraft oder das übertragbare Moment berechnet werden. F = τ A = τ l b für Überlappung F = τ d π l für Rohr bei Längskraft K,zzul Kl K,zzul K,zzul 2 τk,z zul d π l M = für Rohr bei Moment 2