Kleben

Aus dem gegenüber der im Jahre 2002 herausgegebenen 4. Auflage beträchtlich gewachsenen Umfang ist ersichtlich, dass Ergebnisse aus Forschungsarbeiten und Erfahrungen aus Anwendungen im Bereich des Klebens erneut stark zugenommen haben. Das hat zu einer Neugestaltung verschiedener Abschnitte einschliesslich der jeweiligen ergänzenden Literaturhinweise geführt, um die Inhalte übersichtlicher und verständlicher vermitteln zu können sowie der Forderung gerecht zu werden, dass ein Fachbuch auch „lesbar“ sein sollte.

Nach DIN EN 923 wird unter einem Grundstoff (frühere Bezeichnung „Bindemittel“) der Klebstoffbestandteil verstanden, der die Eigenschaft der Klebschicht wesentlich bestimmt oder mitbestimmt. Es handelt sich also um die Monomere, Prepolymere (vorvernetzte Monomere als Vorstufe zu Polymeren) oder Polymere, die an der Ausbildung der Klebschicht beteiligt sind, d.h. die das Grundgerüst der makromolekularen Struktur bilden.

Aufbauend auf den Klebstoffgrundstoffen gibt es eine Vielzahl von Klebstoffarten, die sich unabhängig von einem bestimmten Grundstoff durch spezifische Eigenschaften, Verarbeitungsverfahren oder Reaktionsweisen auszeichnen. Schmelzklebstoffe können z.B. auf unterschiedlicher Grundstoffbasis (Polyamide, Polyester oder Copolymerisate) aufgebaut sein, charakteristisch ist für sie die Verarbeitung aus der Schmelze. Für Reaktionsklebstoffe, gleichgültig, ob sie durch Polymerisation, -addition oder -kondensation aushärten, ist der Ablauf einer chemischen Reaktion während der Klebschichtbildung das kennzeichnende Merkmal. Die Bezeichnung der Klebstoffart ermöglicht demnach eine den verschiedenen charakteristischen Merkmalen zugeordnete Klassifizierung. Diese kann sich u.a. beziehen auf

– die Basis des Grundstoffs (z.B. Polyurethan-Reaktionsklebstoff),

– die Verarbeitungsweise (z.B. Lösungsmittelklebstoff),

– die Verarbeitungstemperatur (z.B. kalthärtender Epoxidharzklebstoff),

– die Lieferform (z.B. Klebstofffolie),

– den Verwendungszweck (z.B. Holzleim).

Im Folgenden werden die für die wichtigsten Klebstoffarten spezifischen Merkmale hinsichtlich Aufbau, Verarbeitung und Eigenschaften beschrieben. (Hinweise auf die anwendungsbezogenen Auswahlkriterien finden sich in Abschn. 12.4.2.)

Während des Abbindeprozesses entstehen aus den Klebstoffen die Klebschichten, die in ihren Eigenschaftsmerkmalen den Kunststoffen zuzuordnen sind. Wegen der vorhandenen Wechselwirkungen lassen sich die Eigenschaften der Klebschichten nur zum Teil losgelöst von den Eigenschaften der Fügeteile betrachten, sie können für sich allein demnach das Verhalten der Klebungen nur unvollkommen beschreiben. Erst die Kombination von Klebschicht und Fügeteiloberfläche ergibt die entsprechenden Haftungskräfte und somit einen wesentlichen Teil der Gesamteigenschaften, die für die Festigkeit einer Klebung von entscheidendem Einfluss sind. Dennoch gibt es Eigenschaftsmerkmale, die die einzelnen Klebstoffe in ihrer zur Klebschicht ausgehärteten Form unterscheiden. Als vorwiegend klebschichtspezifische Faktoren sind in diesem Zusammenhang der Schubmodul, das Schubspannungs-Gleitungs-Verhalten, der Elastizitätsmodul, das Kriechverhalten, die Kristallinität und die Klebschichthomogenität zu sehen. Aus diesen Faktoren ergibt sich dann das von Klebstoff zu Klebstoff unterschiedliche mechanische, physikalische und chemische Verhalten.

Die Fügeteilwerkstoffe bestimmen neben der Auswahl der Klebstoffe das Beanspruchungsverhalten einer Klebung in hohem Maße. Daher gilt es, die folgenden Eigenschaften besonders zu betrachten:

-Beschaffenheit der Werkstoffoberfläche hinsichtlich ihres chemischen, physikalischen und strukturellen Aufbaus und der möglichen Wechselwirkung mit dem Klebstoff bei der Aushärtung sowie der Ausbildung von Haftungskräften.

-Beschaffenheit des Werkstoffes hinsichtlich seiner mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften und den sich daraus ergebenden Einflüssen auf die Festigkeit der Klebung.

Bei metallischen Werkstoffen kann man beispielsweise davon ausgehen, dass sie – mit Ausnahme sehr spezieller Wechselwirkungen im Grenzschichtbereich – keine chemischen Reaktionen mit dem Klebstoff eingehen und durch die Klebstoffe in ihrer Oberfläche auch nicht verändert werden. Bei Kunststoffen ist diese Aussage nicht in jedem Fall aufrechtzuerhalten, da möglicherweise in ihnen vorhandene Zusatzstoffe in die Klebschicht migrieren oder organische Lösungsmittel die Oberfläche durch Lösungs- oder Quellvorgänge verändern können. Somit gilt es, die jeweiligen werkstoffspezifischen Eigenschaften bei der Herstellung von Klebungen entsprechend zu berücksichtigen.

Bei den Klebungen handelt es sich um Verbundsysteme, deren Gesamtfestigkeit neben der geometrischen Gestaltung und der Beanspruchung von den folgenden in Bild 6.1 schematisch dargestellten Einzelfestigkeiten bestimmt wird:

– Festigkeit der Fügeteile 1 und 2;

– Festigkeit der Grenzschichten 1 und 2;

– Festigkeit der Klebschicht.

Die im Folgenden beschriebenen Eigenschaftskriterien betreffen einerseits den universellen Einsatz des Klebens, andererseits lassen sie sich nur speziellen Bereichen zuordnen. Betrachtet man die Vielfalt konstruktiver Anwendungen, so sind Klebungen metallischer Werkstoffe und deren Verhalten besonders hervorzuheben. Allgemein werden die Eigenschaften von Klebungen durch die folgenden Einflussfaktoren bestimmt:

– Konstruktive Gestaltung;

– Spannungsausbildung in der Klebung bei mechanischer Belastung als Grundlage für das Festigkeitsverhalten;

– Vorhandensein von Eigenspannungen in der Klebfuge;

– Bruchverhalten;

– Verhalten bei Beanspruchungen durch mechanische Einflüsse und Umgebungseinflüsse (Alterung).

Die klassische Betrachtungsweise der Festigkeitslehre beruht auf der Ermittlung der mechanischen Beanspruchungsgrenze eines Werkstoffs und der Zuordnung der bis zum Bruch maximal ertragbaren Kraft auf einen definierten Werkstoffquerschnitt. Als Festigkeitswert wird die bis zum Bruch erforderliche, auf die Bruchfläche bezogene, maximale Kraft angegeben. Dieses Vorgehen führt bei homogenen Werkstoffen in Abhängigkeit von den Beanspruchungsbedingungen zu aussagekräftigen und reproduzierbaren Ergebnissen, die als Bemessungsgrundlagen für konstruktive Anwendungen verwendet werden können. So ist z.B. der nach DIN 50145 ermittelte Wert der Zugfestigkeit eines allgemeinen Baustahls nach DIN 17100 eine mechanische Größe, die direkt in die Festigkeitsberechnung einer Konstruktion übernommen werden kann.

Die Grundlagen für die Berechnung von Metallklebungen ergeben sich aus der Kenntnis des Festigkeitsverhaltens. Das setzt die Analyse der durch die entsprechenden Belastungen auftretenden Beanspruchungsarten voraus. Für Metallklebungen sind dies die Schub-, Zug-, Zugscher-, Schäl- und Torsionsbeanspruchungen und als Sonderfall die statische Zeitstandbeanspruchung sowie die (hochdynamische) Crashbeanspruchung. Diese Beanspruchungen bestehen aus Spannungen und Verformungen. Das bedingt als wesentliche Voraussetzung für eine Berechnung, die Spannungsverteilung in der Klebfuge zu kennen, da das Versagen der Klebung an ihrer durch Spannungsspitzen am höchsten beanspruchten Stelle beginnt. Für einschnittig überlappte Klebungen ist das mit Ausnahme der in Abschnitt 8.10 beschriebenen elastischen Klebung der Bereich am Überlappungsende.

Bei Klebungen mit runden Fügeteilquerschnitten kann in gleicher Weise wie bei den Querschnitten ebener Klebfugengeometrien eine Beanspruchung der Klebschicht auf Zug oder Schub bzw. Scherung unterschieden werden. Somit sind im Prinzip auf Stoß geklebte und überlappt geklebte Fügeteile zu betrachten. In Ergänzung zu den Zug- und Schubbeanspruchungen in axialer Richtung ergibt sich außerdem die Möglichkeit der Torsionsbeanspruchung in tangentialer Richtung.

Aus der Darstellung in Bild 8.2 ergeben sich die wesentlichen Zusammenhänge in bezug auf die Festigkeit einer Klebung. Ergänzend zu den Eigenschaften der Klebschicht und des Fügeteilwerkstoffs ist neben der Beanspruchung die geometrische Gestaltung eine grundlegende Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit einer Klebung. Fehler in geklebten Konstruktionen treten vor allem auch deshalb auf, weil wesentliche Grundregeln einer klebgerechten Konstruktion vernachlässigt werden; somit muss die Forderung bestehen, bereits in der Konstruktionsphase eines Bauteils diese speziellen Zusammenhänge zu berücksichtigen. Aufgrund der in den Abschnitten 8.3–8.5 beschriebenen gegenseitigen Abhängigkeiten von Fügeteil, Klebfugengeometrie und Klebschicht ist grundsätzlich davon auszugehen, dass die Technik des Klebens gegenüber den anderen form-, kraft- und stoffschlüssigen Fügeverfahren ihre eigenen Gesetze hat und spezieller konstruktiver Formgebungen bedarf. Die entscheidende Forderung an eine Klebung besteht darin, Kräfte zu übertragen und die durch diese Belastungen auftretenden Spannungen langzeitig ertragen zu können. Für die konstruktive Gestaltung von Klebungen sind dazu zwei wichtige Voraussetzungen zu erfüllen, zum einen das Vorhandensein ausreichender Klebflächen, zum anderen Maßnahmen zur Vermeidung von Spannungsspitzen in der Klebung bei mechanischer Beanspruchung.

Das wichtigste Werkzeug für eine werkstoff- und beanspruchungsgerechte Dimensionierung und Gestaltung von Klebungen ist die Finite-Elemente- Methode, mit der das mechanische Verhalten kompletter geklebter Strukturen simuliert werden kann (Abschn. 8.5.4).

Für die Anwendung eines Fertigungsverfahrens gelten allgemein die folgenden Kriterien:

• Sicherheit bei der Durchführung im Hinblick auf gleichmäßige und reproduzierbare Qualitätsstandards;

• Möglichkeiten für sichere Berechnungen, Dimensionierungen und Standards der herzustellenden Bauteile und anzuwendenden Verfahrensparameter;

• Automatisierungsmöglichkeiten einschließlich der Forderung nach Integration in ggf. weitere vorhandene Fertigungsverfahren;

• Möglichst einfache und kontinuierlich beherrschbare Fertigungstechnologie;

• Ausreichende Erfahrungen, ggf. aus anderen Anwendungsbereichen, im Hinblick auf eine generelle Verfahrenseignung;

• Gewährleistung eines sicherheitsmäßigen und ökologischen Gesamtkonzeptes;

• Erfüllung gegebener wirtschaftlicher Grundbedingungen.

Ein wesentlicher Anteil aller durchzuführenden Klebungen wird – unabhängig vom Industriezweig – mit metallischen Werkstoffen hergestellt. Somit ergibt sich die Notwendigkeit, das klebtechnische Verhalten dieser Materialien zu kennen. Die grundlegenden Eigenschaften der Metalle und Metalllegierungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Festigkeit der Klebungen sind in den Kapiteln 5, 8 und 9 beschrieben worden. In Zusammenhang mit den Kenntnissen der Klebstoffeigenschaften, der Konstruktionsgrundsätze, der Beanspruchungskriterien und unter Berücksichtigung einer sachgerechten Klebstoffauswahl (Abschn. 12.4.2.1) ist es möglich, vorhandene Erfahrungen mit einem metallischen Werkstoff auf neue Aufgabenstellungen mit anderen Metallen zu übertragen. Somit behandeln die folgenden Darstellungen die wesentlichen werkstoffspezifischen Eigenschaften, soweit diese im Hinblick auf das klebtechnische Verhalten der Metalle von Bedeutung sind.

In weiten Bereichen der Kunststoffverarbeitung ist das Kleben das allein anwendbare stoffschlüssige Fügeverfahren und daher weit verbreitet. Da das Schweißen von Kunststoffen auf Thermoplaste beschränkt ist, besteht für die große Gruppe der Duromere und auch der hochwarmfesten Thermoplaste sowie der faserverstärkten Werkstoffe für konstruktive Gestaltungen neben den mechanischen Verbindungsverfahren nur die Möglichkeit des Klebens. Hinzu kommt die Vielfalt von Verbundsystemen zwischen Kunststoffen und anderen Werkstoffen, insbesondere Metallen, für die zur Erzielung fester, dichter und flächiger Verbindungen nur das Kleben die entsprechenden Voraussetzungen bietet. Das Kleben der Kunststoffe erfordert im Vergleich zu den metallischen Fügeteilwerkstoffen jedoch die Beachtung ergänzender werkstoff- und verfahrensspezifischer Faktoren. Die Ursache hierfür liegt in dem grundsätzlich anderen strukturellen Aufbau der Kunststoffe, der die für diese Werkstoffe typischen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften bedingt. Die folgenden Parameter bedürfen zum Verständnis dieses Themas einer speziellen Betrachtung.

Eine umfassende Beschreibung der industriellen Anwendungen des Klebens muss zwangsläufig auf Grenzen stoßen, da es praktisch keinen Industriezweig gibt, in dem das Kleben nicht in irgendeiner Form angewendet wird. So würde eine derartige Darstellung der Aufzählung unendlich vieler Einzelbeispiele bedürfen. Dies ist in dem vorliegenden Rahmen nicht möglich. Hinzu kommt, dass viele Anwendungen einen sehr spezifischen Charakter haben und nicht allgemein übertragbar sind.

Die Auswahl eines Verfahrens für die Prüfung von Klebungen richtet sich nach den zu prüfenden Parametern, der Möglichkeit einer zerstörenden oder zerstörungsfreien Durchführung sowie nach den gegebenen Umständen, unter denen die Prüfung zu erfolgen hat. Dabei kann es sich z.B. um automatisierte Fertigungskontrollen oder Einzelprüfungen im Labor handeln.