Gerd Habenicht Kleben erfolgreich und fehlerfrei
Aus dem Programm Fertigungstechnik Fertigungsmesstechnik von W. Dutschke und C. P. Keferstein Praxiswissen Schweißtechnik von H. J. Fahrenwaldt und V. Schuler Spanlose Fertigung: Stanzen von W. Hellwig Coil Coating von B. Meuthen und A.-S. Jandel Zerspantechnik von E. Paucksch, S. Holsten, M. Linß und F. Tikal Praxis der Zerspantechnik von H. Tschätsch Einführung in die Fertigungstechnik von E. Westkämper und H.-J. Warnecke Aufgabensammlung Fertigungstechnik von U. Wojahn www.viewegteubner.de
Gerd Habenicht Kleben erfolgreich und fehlerfrei Handwerk, Praktiker, Ausbildung, Industrie 5., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 82 Abbildungen STUDIUM
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. 1. Auflage 1995 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2001 3., ergänzte und korrigierte Auflage 2003 4., überarbeitete und ergänzte Auflage 2006 5., überarbeitete und ergänzte Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Thomas Zipsner Imke Zander Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0485-3
V Vorwort Die nach Erscheinen der 4. Auflage im Jahre 2006 dem Autor zugegangenen schriftlichen und mündlichen Kommentare zu Inhalt und didaktischem Aufbau waren neben dem regen Interesse an diesem Fachbuch erneut ein Grund für den Verlag, schon nach kurzer Zeit eine 5. Auflage heraus zu geben. Neu aufgenommen wurde das Kapitel Industrielle Anwendungen des Klebens. Eine Erweiterung erfuhr das Kapitel Konstruktive Gestaltung von Klebungen durch bildliche Darstellungen ergänzender Gestaltungsmöglichkeiten. Die auch für den Praktiker zunehmende Literatur aus dem angelsächsischen Sprachraum hat vielfach zu dem Wunsch geführt, das Buch mit ausgewählten deutsch-englischen und englischdeutschen Begriffen aus dem Gebiet des Klebens zu ergänzen. Diesem Wunsch wurde im Anhang des Buches entsprochen. Aus gleichem Grunde erfolgte ebenfalls die Aufnahme ausgewählter Umrechnungsfaktoren angelsächsischer Einheiten und SI-Einheiten für klebtechnische Berechnungen. Der erneute Hinweis nach Einbeziehung anwendungsbezogener klebstoff- und werkstoffspezifischer Beispiele hinsichtlich Verfahrensauswahl, Oberflächenbehandlung, speziellen Konstruktionsmerkmalen einschließlich bildlicher Darstellungen und Berechnungen ist zwar verständlich, gestalterisch mit dem Anspruch einer universellen Wissensvermittlung aber nicht durchführbar. Im Vorwort zu der 4. Auflage wurde dazu wie folgt argumentiert: Der Umfang klebtechnischer Anwendungen erstreckt sich von Klebflächen unterhalb von einem Quadratmillimeter in der Mikrosystemtechnik und Elektronik bis zu Klebfugen im Bereich von Metern bzw. Quadratmetern u. a. im Fahrzeugbau, der Luftfahrttechnik oder auch in der Holzverarbeitung. Selbst beispielhafte Darstellungen können über die Universalität dieser Fügetechnologie nur ungenügend informieren. Zwischen den spektakulären Anwendungen des Klebens der hitzeabweisenden Keramikverkleidungen auf der Aussenseite von Raumfähren bis zu den alltäglichen und selbstverständlichen Tapeten- oder Briefmarkenklebungen liegt eine unüberschaubare Vielfalt klebtechnischer Nutzungen. Durch sie wird unser Leben entscheidend bereichert. Hinzu kommt, dass bildliche Wiedergaben die eigentliche klebtechnische Problemstellung bei der Konstruktion und Fertigung nur sehr eingeschränkt wiederzugeben vermögen. Die Abbildung eines modernen Passagierflugzeuges mit dem Hinweis auf darin vorhandene geklebte Strukturen bietet sicherlich nur einen begrenzten Informationswert. Die Aussage des französischen Schriftstellers Honoré de Balzac (1799 1850) möge die vorstehende Problematik unterstreichen: Es ist ebenso leicht, sich ein Buch auszudenken, als es schwer ist, es zu schreiben. Dem Vieweg+Teubner Verlag, insbesondere dem Lektorat von Herrn Thomas Zipsner, danke ich für die wiederum hilfreiche Unterstützung und kompetente Zusammenarbeit. Der Autor hofft, dass auch diese Auflage einen interessierten Leserkreis finden möge, dessen Wunsch es ist, weiterhin erfolgreich und fehlerfrei zu kleben. Wörthsee/Steinebach 2008 Gerd Habenicht
VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung... 1 1.1 Kleben als Fügeverfahren... 1 1.2 Vorteile und Nachteile des Klebens... 2 1.3 Begriffe und Definitionen... 3 2 Aufbau und Einteilung der Klebstoffe... 5 2.1 Aufbau der Klebstoffe... 5 2.1.1 Kohlenstoff als zentrales Element... 5 2.1.2 Monomer Polymer... 6 2.1.3 Polymerbildung... 7 2.2 Einteilung der Klebstoffe... 7 2.2.1 Klebstoffe, die durch eine chemische Reaktion aushärten (Reaktionsklebstoffe)... 7 2.2.2 Klebstoffe, die ohne eine chemische Reaktion aushärten (physikalisch abbindende Klebstoffe)... 8 2.2.3 Lösungsmittelhaltige und lösungsmittelfreie Klebstoffe... 9 2.2.4 Klebstoffe auf natürlicher und künstlicher Basis... 9 2.2.5 Klebstoffe auf organischer und anorganischer Basis... 9 2.2.6 Anwendungsbezogene Klebstoffbezeichnungen... 10 3 Vom Klebstoff zur Klebschicht... 13 3.1 Reaktionsklebstoffe Grundlagen... 13 3.1.1 Topfzeit... 13 3.1.2 Mischungsverhältnis der Komponenten... 14 3.1.3 Einfluss der Zeit auf die Klebstoffaushärtung... 15 3.1.4 Einfluss der Temperatur auf die Klebstoffaushärtung... 16 3.2 Zweikomponentige (2K-) und einkomponentige (1K-) Reaktionsklebstoffe... 17 3.2.1 2K-Reaktionsklebstoffe... 18 3.2.2 1K-Reaktionsklebstoffe... 18 3.3 Eigenschaften der Klebschichten... 19 3.3.1 Thermoplaste... 19 3.3.2 Duromere... 19 3.3.3 Elastomere... 21 3.3.4 Glasübergangstemperatur... 21 3.3.5 Kriechen... 22 4 Wichtige Reaktionsklebstoffe... 23 4.1 Epoxidharzklebstoffe... 23 4.1.1 Epoxidharzklebstoffe, zweikomponentig... 23 4.1.2 Epoxidharzklebstoffe, einkomponentig... 25 4.1.3 Reaktive Epoxidharz-Schmelzklebstoffe... 25 4.1.4 Eigenschaften und Verarbeitung der Epoxidharzklebstoffe... 25 4.2 Polyurethan-(PUR-)Klebstoffe... 26
VIII Inhaltsverzeichnis 4.2.1 Polyurethanklebstoffe, zweikomponentig (lösungsmittelfrei)... 26 4.2.2 Polyurethanklebstoffe, einkomponentig (lösungsmittelfrei)... 27 4.2.3 Reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe (lösungsmittelfrei)... 28 4.2.4 Polyurethan-Lösungsmittelklebstoffe, einkomponentig... 29 4.2.5 Polyurethan-Lösungsmittelklebstoffe, zweikomponentig... 29 4.2.6 Polyurethan-Dispersionsklebstoffe... 29 4.3 Acrylatklebstoffe... 31 4.3.1 Cyanacrylatklebstoffe... 32 4.3.2 Strahlungshärtende Klebstoffe... 33 4.3.3 Methacrylatklebstoffe... 34 4.3.4 Anaerobe Klebstoffe... 36 4.4 Ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze)... 37 4.5 Phenolharzklebstoffe... 38 4.6 Silicone... 39 4.7 Zusammenfassung Reaktionsklebstoffe... 40 4.8 Klebstofffolien... 41 4.9 Dichtstoffe... 41 4.10 Polymermörtel... 42 5 Physikalisch abbindende Klebstoffe... 43 5.1 Schmelzklebstoffe... 43 5.2 Lösungsmittelklebstoffe... 45 5.3 Kontaktklebstoffe... 48 5.4 Dispersionsklebstoffe... 49 5.5 Plastisole... 50 5.6 Haftklebstoffe, Klebebänder... 50 5.7 Klebestreifen... 52 5.8 Klebestifte... 53 5.9 Klebstoffe auf Basis natürlicher Rohstoffe... 53 5.10 Klebstoffe auf anorganischer Basis... 54 6 Bindungskräfte in Klebungen... 55 6.1 Bindungskräfte zwischen Klebschicht und Fügeteil (Adhäsion)... 55 6.2 Benetzung... 57 6.3 Oberflächenspannung... 58 6.4 Bindungskräfte innerhalb einer Klebschicht (Kohäsion)... 59 7 Herstellung von Klebungen... 61 7.1 Oberflächenbehandlung... 61 7.1.1 Oberflächenvorbereitung... 62 7.1.1.1 Säubern... 62 7.1.1.2 Passend machen... 62 7.1.1.3 Entfetten... 62 7.1.1.4 Entfettungsmittel... 63 7.1.2 Oberflächenvorbehandlung... 64 7.1.2.1 Mechanische Oberflächenvorbehandlung... 64 7.1.2.2 Physikalische und chemische Oberflächenvorbehandlung... 66 7.1.2.3 Beizen... 66 7.1.2.4 Oberflächenschichten und Unterwanderungskorrosion... 67
Inhaltsverzeichnis IX 7.1.3 Oberflächennachbehandlung... 68 7.1.3.1 Primer... 68 7.1.3.2 Klimatisierung... 68 7.2 Klebstoffverarbeitung... 69 7.2.1 Vorbereitung der Klebstoffe... 69 7.2.1.1 Viskositätseinstellung... 69 7.2.1.2 Homogenisierung... 69 7.2.1.3 Klimatisierung... 69 7.2.2 Mischen der Klebstoffe... 70 7.2.2.1 Industrielle Verarbeitung... 70 7.2.2.2 Handwerkliche Verarbeitung... 70 7.2.2.3 Dynamische Mischer... 71 7.2.2.4 Statische Mischer... 72 7.2.3 Auftragen der Klebstoffe... 73 7.2.3.1 Auftragsverfahren... 74 7.2.3.2 Kaschieren Laminieren... 75 7.2.3.3 Auftragsmenge... 75 7.2.4 Fixieren der Fügeteile... 76 7.2.5 Aushärten der Klebstoffe... 78 7.2.5.1 Trocknen, Ablüften... 78 7.2.5.2 Härtung, Aushärtung... 78 7.3 Reparaturkleben... 79 7.3.1 Metallische Bauteile... 79 7.3.2 Kunststoffe... 81 7.3.2.1 Starre Werkstoffe... 81 7.3.2.2 PVC-Folien... 82 7.3.2.3 Gummierte Fasergewebe... 82 7.4 Fehlermöglichkeiten beim Kleben und Abhilfemaßnahmen... 83 7.5 Sicherheitsmaßnahmen bei der Verarbeitung von Klebstoffen... 86 7.5.1 Voraussetzungen bei der Klebstoffverarbeitung am Arbeitsplatz... 86 7.5.2 Verhaltensregeln bei der Verarbeitung von Klebstoffen... 87 7.6 Qualitätssicherung... 88 7.7 Klebtechnische Ausbildung... 90 8 Klebstoffauswahl... 91 8.1 Vorbemerkungen... 91 8.2 Einflussgrößen auf die Klebstoffauswahl... 92 8.2.1 Fügeteileigenschaften... 93 8.2.2 Anforderungen an die Klebung... 93 8.2.3 Voraussetzungen in der Fertigung... 94 8.2.4 Verarbeitungstechnische Einflussgrößen der Klebstoffe... 94 8.2.5 Eigenschaftsbezogene Einflussgrößen der Klebstoffe und Klebschichten... 95 8.3 Auswahlkriterien... 98 9 Klebtechnische Eigenschaften wichtiger Werkstoffe... 102 9.1 Metalle... 102 9.1.1 Allgemeine Grundlagen... 102
X Inhaltsverzeichnis 9.1.1.1 Festigkeit... 102 9.1.1.2 Undurchlässigkeit gegenüber Lösungsmitteln... 102 9.1.1.3 Unlöslichkeit in Lösungsmitteln... 103 9.1.1.4 Wärmeleitfähigkeit... 103 9.1.1.5 Temperaturbeständigkeit... 103 9.1.2 Oberflächenvorbehandlung... 103 9.1.3 Klebbarkeit wichtiger Metalle... 103 9.1.3.1 Aluminium und Al-Legierungen... 104 9.1.3.2 Edelmetalle... 104 9.1.3.3 Edelstähle... 104 9.1.3.4 Kupfer... 104 9.1.3.5 Messing... 104 9.1.3.6 Stähle, allgemeine Baustähle... 105 9.1.3.7 Verzinkte Stähle, Zink... 105 9.1.4 Klebstoffe für Metallklebungen... 105 9.2 Kunststoffe... 106 9.2.1 Allgemeine Grundlagen... 106 9.2.2 Klassifizierung der Kunststoffe... 106 9.2.3 Identifizierung von Kunststoffen... 108 9.2.4 Oberflächenvorbehandlung... 108 9.2.4.1 Corona-Verfahren... 109 9.2.4.2 Niederdruckplasma... 109 9.2.4.3 Atmosphärendruck-Plasma... 109 9.2.4.4 Beflammen (Kreidl-Verfahren)... 109 9.2.4.5 Mechanische Verfahren... 110 9.2.5 Kunststoffe, die in organischen Lösungsmitteln löslich oder quellbar sind... 110 9.2.6 Kunststoffe, die in organischen Lösungsmitteln nicht löslich oder quellbar sind... 112 9.2.7 Kunststoffschäume... 112 9.2.8 Kleben von Kunststoffen mit Metallen... 113 9.2.9 Kleben weichmacherhaltiger Kunststoffe... 114 9.3 Glas... 114 9.3.1 Oberflächenvorbehandlung... 114 9.3.2 Glas Glas Klebungen... 114 9.3.3 Glasklebungen mit strahlungshärtenden Klebstoffen... 115 9.3.4 Glas Metall Klebungen... 116 9.4 Gummi und Kautschukprodukte... 116 9.5 Holz und Holzprodukte... 117 9.6 Poröse Werkstoffe... 118 10 Festigkeit, Berechnung und Prüfung von Klebungen... 119 10.1 Begriff der Festigkeit... 119 10.2 Prüfverfahren... 121 10.2.1 Prüfung der Klebfestigkeit... 121 10.2.2 Spannungen in einschnittig überlappten Klebungen... 123 10.2.3 Prüfung der Schubfestigkeit... 124 10.2.4 Prüfung des Schälwiderstandes... 124
Inhaltsverzeichnis XI 10.2.5 Prüfverfahren für Kurz- und Langzeitbeanspruchungen... 127 10.3 Elastisches Kleben... 128 10.4 Welle-Nabe-Verbindungen... 130 11 Industrielle Anwendungen des Klebens... 131 11.1 Kleben in der Luft- und Raumfahrt... 131 11.2 Kleben im Fahrzeugbau... 132 11.3 Kleben in der Elektronik... 135 11.4 Kleben von optischen Bauteilen... 136 11.5 Kleben und Dichten in der Bauindustrie... 136 12 Konstruktive Gestaltung von Klebungen... 139 13 Anhang... 147 13.1 Ausgewählte Umrechnungsfaktoren angelsächsischer Einheiten und SI-Einheiten für klebtechnische Berechnungen... 147 13.2 Ausgewählte deutsch-englische und englisch-deutsche Begriffe aus dem Gebiet des Klebens... 148 14 Literatur... 169 15 Ausgewählte Fachbegriffe der Klebtechnik... 171 Sachwortverzeichnis... 185