Mechatronik II. Fachhochschule Karlsruhe. Vorlesung: Bauelemente SS 2001 Fachbereich: Mechatronik Thema: Kleben Dozent: Prof. Dr. Weber.

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1 Vorlesung: Bauelemente SS 2001 Fachbereich: Thema: Kleben Dozent: Prof. Dr. Weber Autoren: Tobias Weiss-Reuter Boris Steffen Christian Kissel Thomas Fritz Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 1/13

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...2 Quellenverzeichnis:...2 Allgemeine Einführung...3 Definition Klebstoffe...3 Die kleine Klebelehre (was ist Kleben?)...4 Vorbereitung der Klebeflächen...5 Anwendungen...6 Vor-, und Nachteile...7 Klebstoffarten...8 Klebstoffauswahl...9 Konstruktive Besonderheiten des "Klebens"...10 Verschiedene Beanspruchungen von Klebstoffen...11 Berechnungen...12 Zukunftsaussichten...13 Quellenverzeichnis Fa. UHU ( Fa. Henkel ( Roloff / Mattek, Maschinenelemente, Vieweg Verlag Ringhandt/Wirth, Feinwerkelemente, Hanser Verlag Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 2/13

3 Allgemeine Einführung Die arbeitsteilige Welt von heute ist nur möglich, weil die Verbindungstechnologie beherrscht wird. Neben Schweißen, Löten, Nieten, Schrauben gehört hierzu auch die Klebetechnologie. Gerade die allgem. Anwendungen, die den verschiedensten Klassifzierungen zugeordnet werden können, sind ohne Kleb- und Dichtstoffe meist schwer zu realisieren. Hier machen sich die Vorteile der Klebetechnologie bemerkbar: unterschiedliche Werkstoffe können wärmearm und dauerhaft verbunden werden. Je nach Anwendung reicht die Palette von den hochfesten Epoxiden oder Polyurethanen bis hin zu den mehr dichtenden und schützenden Kautschukklebstoffen. Definition Klebstoffe Gemäß DIN wird ein Klebstoff wie folgt definiert: "Nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit verbinden kann". Unter dem Oberbegriff Kleben versteht man "das kraftschlüssige Verbinden zweier Fügeteile mit Hilfe eines Klebstoffes". Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 3/13

4 Die kleine Klebelehre (was ist Kleben?) Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 4/13

5 Vorbereitung der Klebeflächen Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 5/13

6 Anwendungen Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 6/13

7 Vor-, und Nachteile Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 7/13

8 Klebstoffarten Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 8/13

9 Klebstoffauswahl Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 9/13

10 Konstruktive Besonderheiten des "Klebens" Jeder Konstrukteur lernt, niet- und schweißgerecht zu konstruieren. Ebenso wichtig ist die klebegerechte Konstruktion, da die Klebstoffe auf Belastungen anders reagieren als Schweiß- oder Nietverbindungen. Jede Verbindungsart verlangt deshalb ihre jeweils geeignete Formgebung. Bei der Konstruktion von Klebeverbindungen mit Hilfe von Klebstoffen sind folgende Hauptpunkte zu beachten: - Die Verbindungsflächen sollten so groß wie möglich gehalten werden, um eine sichere Kraftübertragung zu gewährleisten. Zwar kann man auch mit einem hochwertigen Klebstoff bei einer punktförmigen Verklebung eine gute Festigkeit erreichen, aber grundsätzlich ist die Klebeverbindung eine Flächenverbindung. Durch den Klebstoff-Film werden die einwirkenden Kräfte (so wie bei einer Schraub- oder Nietverbindung) übertragen. Da im Gegensatz zu den genannten Verbindungen die Flächen mit Hilfe des Klebstoff-Films zu einem festen geschlossenen Verbund zusammengefügt werden, erreicht man damit eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die ganze Fläche. - Angreifende Kräfte sollen eine maximale Fläche der vorhandenen Klebstoffschicht erfassen, d. h., die Verbindungsstelle soll in der für Klebstoffe günstigsten Weise belastet werden. Deshalb ist die Konstruktion möglichst so zu gestalten, daß nur Scher- oder Zugkräfte auftreten. Hierbei wird die Kraft auf die ganze Klebstoff-Fläche verteilt, was somit günstigste Festigkeitswerte ergibt. Falls der Kraftangriff die Klebstoffschicht aufzureißen beziehungsweise zu spalten droht, liegen die Verhältnisse wesentlich ungünstiger. Niedrigste Festigkeitswerte ergibt eine Belastung auf Abschälen, da hier lediglich eine Klebstoffkante zur Kraftübertragung herangezogen wird und somit die Kraftverteilung nur entlang einer Linie erfolgt. Bei der Verklebung unterschiedlicher Werkstoffe müssen auch die Unterschiede ihrer Elastizität beziehungsweise Härte und ihrer Ausdehnung berücksichtigt werden. Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten stellen hohe Anforderungen an einen Klebstoff. Bei der Berechnung der zu erwartenden Festigkeit von Klebeverbindungen nach allgemeinen Formeln sind stets die speziellen Eigenschaften des betreffenden Klebstoffes zu berücksichtigen. Wenn es sich konstruktiv nicht vermeiden läßt, daß Schälkräfte auftreten, müssen diese durch entsprechende Sicherungselemente abgefangen oder in der Dimension berücksichtigt werden. Die oben aufgeführten Verbindungsarten weisen nur die grundsätzlichen Möglichkeiten auf. Was für ein Verbindungstyp es auch immer sein mag, die Überlappungslänge hat einen entscheidenden Einfluß, da die mögliche Kraftübertragung einer Klebefläche weitgehend von ihrer Größe bestimmt wird. Ein besonderer Vorteil beim Kleben besteht darin, daß Fugen unterschiedlicher Dicke durch einen entsprechenden Klebstoff-Film überbrückt werden können. Sind die Toleranzen noch größer, kann man den Klebefilm auch durch Einlegen eines Glasfasergewebes verstärken. Hierbei muß das einzulegende Gewebe vom Klebstoff gut durchtränkt sein und darf keine Lufteinschlüsse aufweisen. Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 10/13

11 Verschiedene Beanspruchungen von Klebstoffen Beanspruchung auf Zug Kräfte wirken senkrecht zur Klebstoffschicht: Gleichmäßige Beanspruchung der gesamten Klebefläche. Beanspruchung auf Scherung Kräfte wirken in gleicher Ebene wie die Klebstoffschicht, parallel zu dieser: Gleichmäßige Beanspruchung der gesamten Klebefläche. Meist spricht man von der Zugscherfestigkeit, da sie im allgemeinen durch Zug bestimmt wird. Beanspruchung auf Spaltung Kräfte wirken so, daß ein Teil der Verbindung stark belastet wird, während der andere Teil unbelastet bleibt: Ungleichmäßige Beanspruchung der gesamten Klebefläche. Beanspruchung auf Schälung Kräfte wirken nur auf eine dünne Linie am Ende der Verbindung, so daß nur ein Bruchteil der ganzen Klebefläche ausgenützt wird: Ungleichmäßige Beanspruchung der gesamten Klebefläche. Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 11/13

12 Berechnungen Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 12/13

13 Zukunftsaussichten Bald gibt es den Klebfachingenieur Noch klingt der Titel wie Zukunftsmusik, aber bald schon soll es ihn geben: den Klebfachingenieur. Wer sich in bezug auf die Verarbeitung von Klebstoffen weiterbilden möchte, findet in Deutschland mehr und mehr Möglichkeiten dazu. So bietet das Institut für angewandte Materialkunde am Fraunhofer Institut in Bremen seit 1994 Lehrgänge zur Klebstofftechnik an. In ein- oder dreiwöchigen Intensivkursen erhalten Teilnehmer aus Handwerk und Industrie eine Einführung in die grundlegenden Zusammenhänge der Klebstofftechnolgie und lernen, strukturelle Klebungen sicher und fachgerecht auszuführen. Am Ende steht eine Prüfung, die durch externe Sachverständige abgenommen wird. Einer dieser Sachverständigen ist der Chemiker Dr. Werner Gruber, Leiter des Produktmanagements Industrieklebstoffe bei Henkel. "Wenn etwas nicht richtig klebt, liegt das fast immer an der falschen Anwendung," begründet Gruber sein (ehrenamtliches) Engagement in dieser Sache, "anspruchsvollere Verbindungen sollten eben nur von fachkundigem Personal ausgeführt werden." Superkleber sorgen dafür, daß die 370 Tonnen schwere Ariane keine Schraube locker hat "Three. Two. One. Lift off." Die Triebwerke zünden. Mit ohrenbetäubendem Lärm startet Ariane in den hellblauen Himmel über Französisch-Guayana. Eine Schubkraft von Kilonewton (kn) drückt die 370 Tonnen schwere und 54 Meter hohe Rakete nach oben. Für Autofahrer: Arianes Kraft entspricht ungefähr Pferdestärken. Nach knapp zweieinhalb Minuten fallen die seitlichen Zusatztanks ab, 50 Sekunden später verabschiedet sich die erste Triebwerkstufe vom Raketenrumpf. Schließlich sprengen bei einer Fluggeschwindigkeit von km/h auch die zweite und die dritte Stufe weg und verglühen in der Erdatmosphäre. Klack: In 400 Kilometern Höhe setzt das Kopfteil der Rakete seinen Passagier, einen Fernmelde-Satelliten, aus. 22 Minuten nach dem Start, jetzt irgendwo über dem afrikanischen Kontinent, hat Ariane ihre Aufgabe erfüllt. Daß sie das erfolgreichste zivile Trägerraketensystem aller Zeiten werden würde, hätten die beteiligten Firmen aus den 14 ESA-Staaten wohl nicht zu träumen gewagt, als sie am Heiligabend 1979 die erste Ariane ins All schickten. Seither sind 107 Raketen erfolgreich von Kourou aus gestartet, die Auftragsbücher sind prall gefüllt. Durchschnittlich einmal pro Monat hebt eine Ariane - Stückpreis 210 Millionen DM - von der Erde ab. Intensive Forschung und technischer Erfindungsreichtum haben den Himmelsstürmer seit dem Jungfernflug vor gut 19 Jahren kontinuierlich verbessert. Nicht zuletzt gehört dazu auch der Einsatz von Konstruktionsklebstoffen beim Raketenbau. Isoliermaterialien werden damit geklebt, und alle Schrauben, welche die Raketenstufen miteinander verbinden, sind mit Spezialklebstoffen der Henkel-Tochter Loctite gesichert. Die adhäsiven Tropfen verhindern, daß sich die Schrauben durch die Vibrationen bei Start und Überschallflug lockern und lösen. Wegen der enormen Klebkraft der verwendeten Komponenten 243 AR und 747 AR reichen ganze 250 Milliliter für die tonnenschwere Rakete aus - und garantieren Ariane einen sicheren Flug. Team: Tobias Weiss-Reuter, Boris Steffen, Christian Kissel, Thomas Fritz 13/13