Unternehmensgruppe Weiss Wissenswertes zum Thema Kleben
Agenda Geschichtliches Was bedeutet Kleben Vorteile des Klebens Belastungen Klebeflächengeometrien Oberflächenbehandlung 2
Geschichtliches In der Verbindungstechnik ist das Kleben eine der ältesten Techniken, die schon lange eingesetzt wurde, bevor man Schweißen, Löten, Nieten, Schrauben oder Klipsen kannte. Die Mesopotamier verwendeten schon ca. 4000 v. Chr. Asphalt zu Bauzwecken. Ca. 1000 Jahre später stellten die Sumerer aus tierischen Häuten Leim her; tierische Leime wurden von den Ägyptern ca. 1500 v. Ch. für Furnierarbeiten verwendet. Altbekannte Klebstoffsysteme sind Teer, Baumharze, Wachse sowie Mehl-, Stärke- und Cellulose-Leime/Kleister. Das Kleben ist aber auch eines der modernsten Fügeverfahren in der Verbindungstechnik, betrachtet man die modernen Anwendungstechnologien bei z. B. dem Innenausbau, Fenster-, Türen-, Fassadenbau, der Automobil-Industrie, den Bus- und Schienenfahrzeugen sowie der Flugzeug-Industrie. Die DIN 8593 ordnet in Teil 8 das Kleben in das Fertigungsverfahren Fügen ein. Klebstoffe werden heute für die unterschiedlichsten Anwendungsmöglichkeiten mittels verschiedenster Verarbeitungsmethoden und Applikations- sowie Presstechniken auf vielfältigen Rohstoffbasen mit deren individuellen Härtungsmechanismen für komplizierteste Materialverbunde mit z. T. aufwändigen Vorbehandlungsmethoden und ausgewählten Klebefugen-Geometrien mit Erfolg eingesetzt. 3
Was bedeutet Kleben? Unter dem Oberbegriff Kleben versteht man: das kraftschlüssige Verbinden zweier Fügeteile mit Hilfe eines Klebstoffes. Ein Klebstoff wird gemäß DIN 16920 wie folgt definiert: Nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit verbinden kann. Die Wirkung von Klebstoffen beruht einerseits auf der Adhäsion (Oberflächenhaftung zu den Fügeteilen) und der Kohäsion (innere Festigkeit der Klebstoffmoleküle zueinander). Der Klebstoff überbrückt/verbindet die Oberflächen der jeweiligen Fügeteile. Für ein optimales Klebeergebnis müssen folgende Voraussetzungen gegeben sein: - Abstimmung auf die zu klebenden Werkstoffe - Abstimmung auf die Anforderungen: Festigkeit, Dichtigkeit, Chemikalienbeständigkeit,-- --Wärmestandsfestigkeit etc. sowie Verarbeitungstechniken - Verarbeitung nach den Empfehlungen des Herstellers 4
Vorteile des Klebens Vorteile des Klebens gegenüber herkömmlichen Verbindungsverfahren Heutiger Stand der Technik ist, dass die Vorbehandlung der Materialoberflächen, die Klebstoffapplikation, die Reaktivität der Klebstoffsysteme und die daraus resultierende Presstechnik mit sehr kurzen Produktionszeiten beherrscht wird. Häufig werden nicht nur mittels Klebstoff hohe Festigkeiten im Klebeverbund erzielt, sondern die Klebefuge übernimmt in der Regel auch gleichzeitig dichtende Funktionen. Weiterhin werden die zu verbindenden Materialien nicht durch zusätzliches Bohren oder extrem starke thermische Belastung geschädigt (beim Schweißen und Löten), so dass aufwändige Nacharbeiten in der Regel entfallen. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des Klebens ist die gleichmäßige Spannungsverteilung über die gesamte Klebefläche. Dies wirkt sich sowohl auf die statische als auch auf die dynamische Festigkeit besonders günstig aus. Bei einem Festigkeitsvergleich von geklebten gegenüber genieteten und autogen geschweißten Blechstreifen im Zugscherversuch tritt z. B. der Materialbruch bei der Schweißverbindung bei 54 % der Festigkeit des Blechstreifens ein, bei der Nietverbindung bei 80 % und bei der Klebeverbindung bei 100 %. Während die Bruchstelle bei der Autogenverschweißung in der Einbrandkerbe der Schweißübergangszone liegt, ist sie bei der Nietung in der Lochleibung, wogegen das geklebte Teil außerhalb der Überlappung reißt. Das heißt also, dass Schweißen und Nieten konzentrierte Spannungsspitzen ergeben, wohingegen die Kräfte beim Kleben gleichmäßig aufgenommen und verteilt werden. Die geklebte Verbindung gewährleistet eine gleichmäßige Kraftverteilung über die gesamte verbundene Fläche deutlich geringere Spannungsspitzen höhere Gesamtfestigkeiten genietete Verbindung geschraubte Verbindung geklebte Verbindung 5
Klebeverbindung 1 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 Klebstofffilm werden die einwirkenden Kräfte (so wie bei einer Schraub- oder Nietverbindung) übertragen. Da im Gegensatz zu den genannten Verbindungen (Spannungsspitzen) die Flächen mit Hilfe des Klebstofffilms zu einem festen geschlossenen Verbund zusammengefügt werden, erreicht man damit eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die gesamte Fläche. Angreifende Kräfte sollen eine maximale Fläche der vorhandenen Klebstoffschicht erfassen, d. h., die Verbindungsstelle soll in der für Klebstoff 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 Klebstofffläche verteilt, was somit hohe Festigkeitswerte ergibt. Falls der Kraftangriff die Klebstoffschicht aufzureißen bzw. zu spalten droht, liegen die Verhältnisse wesentlich ungünstiger. Niedrigste Festigkeitswerte ergeben eine Belastung auf Abschälen, da hier lediglich eine Klebstoffkante und somit die Kraftverteilung nur entlang einer Linie erfolgt. Bei der Verklebung unterschiedlicher Werkstoffe müssen auch die Unterschiede ihrer Elastizität bzw. 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 Klebstoffs 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. Welcher 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 Klebstofffilm überbrückt werden können. Sind die Toleranzen 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. 6
Klebeverbindung 2 Wie finden Sie den optimalen Klebstoff für Ihre Anwendung? Damit Sie den optimalen Klebstoff für Ihre Anwendung finden, haben wir eine Klebstoff-Checkliste erarbeitet. Anhand dieser Fragen ermöglichen Sie es uns, Ihr Klebeproblem so genau wie möglich kennen zu lernen. 1. Allgemeine Beschreibung des Problems: Welche Teile sollen miteinander verbunden Verwendungszweck? werden, und was ist der endgültige 2. Wie verbinden Sie die Teile derzeit, und was soll besser gemacht werden? 3. Welche Materialien sollen miteinander geklebt werden? (Machen Sie genaue Angaben, z.b. Stahl ST 37, ABS u.ä.) 4. Wie groß sind die Klebeflächen, und von welcher Art sind die Verbindungen (Überlappung, Flächen, Nut, Steckverbindung, Stoß o.ä.)? 5a. Wie ist die Oberflächenbeschaffenheit der zu verklebenden Teile (phosphatiert, lackiert, eloxiert, gefettet o.ä.)? 5b. Welche Möglichkeiten der Vorbehandlung Sandstrahlen, Primern, anätzen, Sonstiges)? bestehen (Entstauben, Entfetten, Aufrauen, 6. Welche Toleranzen/Fügespalten sind zu überbrücken? 7. Welchen Beanspruchungen ist die Klebeverbindung während des weiteren Fertigungsprozesses ausgesetzt (chemisch,thermisch, mechanisch und Belastungsdauer)? 8. Welchen Beanspruchungen ist die Klebeverbindung nach dem Fertigungsprozess ausgesetzt (chemisch, thermisch, mechanisch und Belastungsdauer)? 9. Welche allgemeinen Eigenschaften soll/darf der Klebstoff haben 2- komponentig, Topfzeit, Anfangshaftung, Aushärtung, Endfestigkeit)? (Lösungsmittelanteil, 10. Welche Möglichkeiten der Klebstoffverarbeitung bestehen oder können installiert werden? (Auftrag: z. B. von Hand, halb- oder vollautomatisch, Ablüftung: z.b.absaugvorrichtung vorhanden, Druck: Presse, Stapeldruck o.ä.)? 7
Belastungen Witterungsbeständigkeit Vorwiegend bei Außenanwendungen kommen Einflüsse wie UV-Strahlung, Feuchtigkeit, Wärme, Kälte und andere Umwelteinflüsse hinzu (Fenster, Türen, Balkone). Chemische Einflüsse Bei vielen Anwendungen müssen Klebstoffe gegen chemische Einflüsse, z. B. Lösungsmittel, Öle, Säuren, Laugen oder auch Weichmacher, beständig sein (Laborgeräte, Industrieanlagen). Temperaturbeständigkeit Die Temperaturbeständigkeit ist in starkem Maße von den in der Anwendung auftretenden Belastungsarten sowie -größen und der Dauer der Einwirkung abhängig. Zu unterscheiden ist zwischen kurzzeitiger (Sekunden bis Minuten) und dauernder (Stunden bis Jahre) Belastung (Öfen, Vitrinen). 8
Belastungen - Kräfte Zugkräfte Es sind Kräfte, die senkrecht zur Verklebung wirken und sich gleichmäßig über die gesamte Klebefläche verteilen. Scherkräfte Die Kräfte wirken parallel zur Verklebung. Sie sind häufiger als Zugkräfte. Schälkräfte Die Kräfte wirken ausschließlich entlang der Kante der geklebten Flächen, so dass ihnen nur eine ganz geringe Klebstoffmenge entgegenwirken kann. Spaltkräfte Die Kräfte sind nicht einheitlich über die Klebefläche verteilt sondern konzentrieren sich auf einen begrenzten Raum. Torsionskräfte Auf Verdrehung beanspruchte, überlappte oder gelaschte Rohrverbindungen erreichen bei geringer Wandstärke die Festigkeit der Metalle. 9
Klebeflächengeometrien 1 Stumpfer Stoß ist für die Übertragung von Kräften kaum geeignet, da die Klebefläche klein ist und die Festigkeit des Werkstoffs die des gehärteten Bindemittels um ein Mehrfaches übertrifft. Zug- bzw. druckbeanspruchte Klebenahtverbindungen können maximal nur die Zug- bzw. Druckspannungen des Klebstoffs übertragen. Geschäftete Verbindung ergibt sehr gute Festigkeitswerte, ist aber sehr aufwändig und nur bei größeren Materialstärken möglich. Abgesetzte Überlappung/Stufenfalz Als Klebeverbindung wenig geeignet, da die Tragfähigkeit durch den Absatz auf die Hälfte sinkt. Bearbeitungsaufwand ist hoch. Einfache Lasche findet häufig Anwendung, wenn ohne besondere Vorarbeit eine Oberfläche glatt sein soll. 10
Klebeflächengeometrien 2 Doppelte Lasche ergibt bessere Festigkeit als die einfache Lasche, ist jedoch aufwändiger. In der Praxis selten anwendbar, da auf keiner Seite glatte Sichtflächen. Einfache Überlappung wird besonders bei dünnen Querschnitten wegen ihrer einfachen Ausführung und ihrer guten Festigkeit bevorzugt. Doppelte Überlappung ergibt sehr gute Verbindungen. Man erhält beim Verhältnis der Stärken 1:2:1 optimale Werkstoffausnutzung. 11
Oberflächenvorbehandlung Oberflächenenergie: Auf einem Werkstoff mit einer hohen Oberflächenenergie wird in der Regel eine gute Klebkraft erzielt. Kritisch sind Verklebungen auf niederenergetischen Oberflächen. Werkstoffe mit niedriger Oberflächenenergie: Gummi, Polyolefine (Polyethylen, Polypropylen, Teflon, siliconhaltige Lacke etc. Werkstoffe mit hoher Oberflächenenergie: ABS, Acrylglas, PVC-hart, Polycarbonat, Aluminium, Kupfer, Messing, Stahl, Eisen, Zink etc. Oberflächenvorbehandlung: Eine wichtige Einflussgröße für eine funktionsgerechte Verklebung ist die optimale Vorbereitung der Fügeflächen, damit hohe Klebekräfte (Adhäsion der Klebstoffe zu den Fügeteilen) aufgebaut werden können. Die zu verklebenden Oberflächen müssen trocken, frei von Staub, Öl, Trennmitteln u. a. Verunreinigungen sein. Als Reinigungsmethoden bieten sich an: Chemische Reinigung: Mechanische Reinigung: durch z. B. Lösemittelreiniger, Säuren, Laugen etc. durch z. B. Schleifen oder Sandstrahlen durch z. B. Plasma- oder CORONA-Behandlung 12
Fachbegriffe Duro-, Thermoplaste Duroplaste:... härtbare Kunststoffe, die nicht erneut plastisch geformt werden können. Duroplaste sind unlöslich, unschmelzbar und nicht schweißbar. Bei hohen Temperaturen verkohlen sie. Die Moleküle bilden ein dreidimensionales Netzwerk, sind also in alle Richtungen fest miteinander verbunden. Thermoplaste:... werden in der Wärme immer wieder plastisch und lassen sich wiederholt verformen. Reste sind durch Einschmelzen wieder verwendbar. Verbindung untereinander durch Schweißen bzw. Kaltverschweißung/Kleben mit Diffusionsklebstoffen. Die Molekülketten sind sehr lang und orientierungslos angeordnet. Elastomere:... gummiartig elastische Werkstoffe. Unter Spannung dehnt sich der Werkstoff. Nach Wegnahme der Kraft bildet sich die Verformung fast vollständig zurück. Elastomere sind durch Wärme nicht schweißbar. Verbindung untereinander durch Vulkanisieren. Lange Molekülketten, die stark verknäuelt sind und sich unter Spannung dehnen. 13