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2018 | Buch

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Kunststoffe erfolgreich kleben

Grundlagen, Klebstofftechnologien, Best-Practice-Beispiele

herausgegeben von: Marlene Doobe

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Fachbuch bündelt das Wissen von insgesamt 70 Experten aus Wissenschaft und Industrie. Sie beschreiben die Leistungsfähigkeit der Klebtechnik beim Fügen von Kunststoffen mit Kunststoffen oder anderen Werkstoffen. Ohne den Einsatz der industriellen Klebtechnik wäre es heute kaum möglich, kunststoffbasierende Produkte auf den Markt zu bringen. Die branchenübergreifenden Anforderungen an die Fügetechnologie Kleben sind allerdings hoch und wachsen kontinuierlich.Alle für das erfolgreiche Kleben von Kunststoffen wichtigen Aspekte werden behandelt. Zahlreiche Best-Practice-Beispiele aus verschiedensten Industriebranchen beleuchten anschließend die anwendungstechnischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten der Klebtechnik beim Fügen von Kunststoffen.
Der Anwender in der industriellen Praxis erhält mit diesem Werk anwendungsnahe Unterstützung bei der erfolgreichen Lösung von Klebaufgaben zur Herstellung innovativer Produkte in allen Industriebereichen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen, Vorbehandlung, Auslegung, Qualität

Frontmatter

1. Grundlagen

Zusammenfassung

Wenn heute innovative Produkte auf den Markt gebracht werden, sind meist Kunststoffe mit von der Partie. Sie können häufig nur durch den Einsatz der Klebtechnik zuverlässig gefügt werden – insbesondere wenn es darum geht, unterschiedliche Kunststoffe miteinander oder Kunststoffe mit anderen Werkstoffen zu verbinden. Um dabei erfolgreiche Ergebnisse zu erzielen, sollte der Verarbeiter auch hinsichtlich der zu fügenden Kunststoffe über ein Basiswissen verfügen.

Wichtig fürs erfolgreiche Kleben von Kunststoffen ist ferner die Klärung folgender Fragen: Was bedeutet Haftung? Wie kann man die an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Kunststoffoberfläche ablaufenden Wechselwirkungen näher bestimmen, wie die Oberflächenenergie von Kunststoffbauteilen? Und warum ist die Vorbehandlung technischer Kunststoffe so wichtig?

Um Kunststoffe erfolgreich zu kleben, ist aber nicht allein das Vorbehandeln wichtig. Es kommt auch auf die Wahl des jeweils richtigen Klebstoffs an.

Thermoplastische und duromere Matrixsysteme in Kombination mit Verstärkungsfasern liegen als Leichtbaualternative zu klassischen Metallbauweisen im Trend. In diesem Kontext stellt sich die Frage, welchen Herausforderungen sich die Klebtechnik hier stellen muss?

Henning Gleich, Andreas Hartwig, Hartwig Lohse, David Blass, Tobias Reincke, Stefan Kreling, Klaus Dilger

2. Vorbehandlung von Kunststoffen

Zusammenfassung

Kunststoffoberflächen können mithilfe unterschiedlicher Verfahren gezielt aufs anschließende Kleben vorbereitet werden. Die jeweils richtige Vorbehandlung soll die Substratoberfläche sowohl auf den einzusetzenden Klebstoff einstellen als auch durch die damit erfolgte Konditionierung zur Prozesssicherheit der Klebung beitragen. Alle vorgestellten Vorbehandlungstechniken haben ihre Vor- und Nachteile. Welche Oberflächenvorbehandlung gewählt werden sollte, hängt von folgenden Faktoren ab:

Art und Menge der auftretenden Kontaminationen bzw. Randschichten,
Art des Kunststoffs (Polarität des Materials, Beständigkeit des Materials gegenüber Lösungsmittel, Wärme etc.),
Größe der zu klebenden Kunststoffbauteile bzw. Halbzeuge,
Geometrie der Klebflächen (flach, komplex 3D geformt bzw. flächige Klebung,
Stückzahl der zu klebenden Bauteile (manuell, automatisiert),
Taktzeit und Größe der Klebfläche (Flächenleistung),
HSE-Aspekte (Health, Safety and Environment Protection) und Fertigungsumgebung,
Investitions- und Betriebskosten.

Somit muss die gewählte Vorbehandlungstechnik ein recht umfangreiches und individuelles Anforderungsprofil erfüllen. Für besonders hochwertige Klebungen mit extremen Anforderungen an deren Langzeitstabilität werden zum Teil auch hybride Vorbehandlungsmethoden eingesetzt.

Ralph Wilken, Henning Gleich, Christian Buske, Joachim Schüßler, Uwe Lommatzsch, Elmar Moritzer, Christian Leister, Jens Krugmann, Eduard Kraus, Lukas Orf, Michael Heilig, Benjamin Baudrit, Peter Heidemeyer, Martin Bastian, Stefan Kreling, David Blass, Klaus Dilger

3. Auslegung geklebter Kunststofffügeteile

Zusammenfassung

Nur durch eine beanspruchungsgerechte Auslegung der Klebverbindung kann die Leistungsfähigkeit zum Beispiel von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen voll ausgenutzt werden. Wichtige Einflussgrößen, die beachtet werden müssen, sind z. B. die Faserarchitektur und -orientierung sowie die Wahl eines geeigneten Klebstoffsystems.

Die Verkleidung von Stahlrahmen mit Schubfeldern aus Faserverbundkunststoffen ist im Automobil-, im Nutzfahrzeugbau und im Schienenfahrzeugbau eine kosteneffiziente Möglichkeit, leichte und zugleich hochfeste Strukturen zu konstruieren. Eine Herausforderung dabei ist aber, die Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten so zu verbinden, dass Relativverschiebungen ausgeglichen werden können.

Marc Wünsche, Katharina Henkel, Dominik Teutenberg, Gerson Meschut, Sebastian Mailänder

4. Qualitätssicherung und Prüfverfahren

Zusammenfassung

Moderne Industrie-Klebstoffe sind vielfach Hightech-Produkte, deren fachgerechter Einsatz eine Null-Fehler-Produktion im Betrieb ermöglicht. Versagen trotzdem Klebungen, ist dieses Verhalten in der Regel auf Anwendungsfehler zurückzuführen. Neuerdings regelt die DIN 2304-1 die organisatorische Qualitätssicherung und sorgt damit für die Beherrschung von Klebprozessen.

Um einerseits lange Lebensdauern zu erreichen und andererseits Entwicklungszeiten zu verkürzen, wächst vor diesem Hintergrund die Bedeutung von prognosesicheren Zeitraffertests unter Betriebsbeanspruchungen.

Beschrieben wird in diesem Kapitel außerdem eine interessante Analysemöglichkeit, die eine deutlich präzisere Darstellung von Oberflächen als vorher erlaubt und somit für die klebtechnische Forschung sehr wertvoll ist.

Dem Prüfen kommt in der Klebtechnik immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn spezielle Festigkeitswerte für eine Auslegung in der Entwicklung gefragt sind. Relativ neu ist ein Prüfverfahren, das sich besonders gut zur Bestimmung von Druckscherfestigkeiten klebtechnisch gefügter Kunststoff-Verbindungen eignet.

Thematisiert wird schließlich die DIN 55660. Messungen nach dieser Norm erlauben es, Benetzung, Haftung und Langzeitstabilität bereits im Vorfeld von Klebungen zu beurteilen.

Andreas Groß, Hartwig Lohse, Henning Gleich, Jens Holtmannspötter, Michael Wetzel, Jürgen von Czarnecki, Rolf Brucksch, Eduard Kraus, Benjamin Baudrit, Peter Heidemeyer, Martin Bastian, Frank Thomsen

Klebstofftechnologien

Frontmatter

5. Polyurethanklebstoffe zum Kleben von Kunststoffen

Zusammenfassung

Beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe dominieren in der Automobilmontage bisher 2K-PUR-Klebstoffe. Durch ihren Einsatz sind dauerhaft hohe statische und dynamische Festigkeiten erzielbar. Einfacher verarbeiten lassen sich aber strukturelle 1K-PUR-Systeme. Mittlerweile stehen 1K-Klebstoffe auf Polyurethanbasis zur Verfügung, deren Leistungsfähigkeit mit der von 2K-PUR-Systemen vergleichbar ist. Beschrieben wird in diesem Kapitel außerdem ein interessantes 2K-Polyurethansystem, das sich fürs strukturelle Kleben von Faserverbundwerkstoffen empfiehlt.

Sergio Grunder, Stefan Schmatloch, Andreas Lutz

6. Epoxidharzklebstoffe zum Kleben von Kunststoffen

Zusammenfassung

Das Kleben mittels elektromagnetischer Induktion ermöglicht schnelle Prozesse und eine Aushärtung auch dicker oder schwer zugänglicher Klebspalte. Für die Formulierung induktiv härtender Klebstoffe sind Epoxidharze gut geeignet. Zur Verfügung stehen 1K- und 2K-Systeme, mit denen sowohl metallische Werkstoffe als auch Kunststoffe geklebt bzw. vergossen werden können.

Auch das Laserdurchstrahlkleben könnte die Prozesszeiten in der industriellen Serienfertigung beschleunigen helfen. Es wurden Untersuchungen mit dem Ziel durchgeführt, die beste Kombination aus transparentem Kunststoff und absorbierendem Epoxidharz-Klebstoff für die Laserstrahlung eines bestimmten YAG-Lasers zu finden.

Arno Maurer, Christian Lammel, Mathias Beck, Elmar Moritzer, Norman Friedrich, Julian Berger

7. Acrylatklebstoffe zum Kleben von Kunststoffen

Zusammenfassung

Der riesige Vorteil der UV-härtenden Acrylat-Klebstoffe ist bekannt – die extrem schnelle Härtung „auf Knopfdruck“. Ihr Nachteil ist ebenfalls bekannt – keine Härtung in Schattenzonen. Dank einer neuen Technologie ist es möglich, den Klebstoff ohne weitere Energiezufuhr nur mit UV-Bestrahlung auszuhärten, auch wenn sich der Klebstoff größtenteils in Schattenzonen befindet. Die Härtung pflanzt sich dabei von selbst fort.

Stefanie Wellmann, Jutta Messering, Nico Nuyts

Best-Practice-Beispiele

Frontmatter

8. Transportwesen und allgemeine Industrieanwendungen

Zusammenfassung

Im Automobilbau werden komplette CFK-Strukturen im Rahmen einer Serienfertigung ohne Einsatz zusätzlicher mechanischer Fügelemente geklebt. Die Herausforderungen an die Klebstoffsysteme variieren hierbei aufgrund der verschiedenen Anforderungsprofile, vor allem in Hinblick auf die Klebstoffeigenschaften und ihren Verarbeitungsprozess.

Gewichtsreduzierung und Downsizing sind seit einigen Jahren Schlagwörter, wenn es um neue Motorenkonzepte im Pkw-Bereich geht. Hier bieten faserverstärkte Kunststoffe und insbesondere glasfaserverstärkte Thermoplaste ein hohes Potenzial. Wegen der Kriechproblematik unter Belastung stellt sich beim Dichten von Motoranbauteilen aus Kunststoffen die Frage nach der Wirtschaftlichkeit. Im Vergleich zu aufwändigen Formdichtungen und Distanzhülsen beim Schrauben ist das Dichtkleben eine interessante Alternative.

Leichtbau im Automobilbau ist gleichbedeutend mit Materialmix, der die Befestigungstechnologie vor immer größere Herausforderungen stellt. Bei Aluminium- sowie hochfesten Stahlblechen mit reduzierten Wandstärken und faserverstärkten Kunststoffen geraten die bislang eingesetzten Fügeverfahren an ihre Grenzen. Auch hier spielt die Klebtechnik ihre Vorteile aus.

Lichthärtende Klebsysteme gelten als die wahren „Sekundenklebstoffe“. Aushärtezeiten von weniger als einer Sekunde sind prozesssicher möglich. Dabei lassen sich ihre mechanischen Eigenschaften über einen weiten Bereich variieren. Dank ihrer geringen Oberflächenspannung benetzen sie die meisten Kunststoffe ohne spezielle Vorbehandlung und sorgen für hochtransparente strukturelle Klebungen.

Ein gelungenes Beispiel für den Serieneinsatz des Leichtbau-Verbundwerkstoffes CFK (Kohlefaserverstärkte Kunststoffe) ist das Dach des BMW M3 CSL in Sichtoptik. CFK bietet sowohl hohe Gewichtsvorteile als auch gute Crasheigenschaften. Die Fügetechnologie Kleben leistet einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung dieses Sondermodells von BMW.

Thermoplastische Kunststoffe gewinnen im Automobilbau zunehmend an Bedeutung. Welche Maßnahmen sind zu ergreifen, um in der Automobilproduktion langzeitbeständige Klebverbindungen unter Beachtung wirtschaftlicher Aspekte herzustellen? Und welche Beispiele gibt es bereits?

Im Betrieb von Luftfahrzeugen kommt es unweigerlich zu Beschädigungen, die am Luftfahrzeug repariert werden müssen. Mit dem Einsatz der modernen Klebtechnik können dauerhafte Reparaturen wirtschaftlich durchgeführt werden.

Tobias Reincke, David Blass, Stefan Kreling, Klaus Dilger, Henning Gleich, Manfred Peschka, Andreas Hartwig, Matthias Popp, Andreas Lühring, Sascha Gramsch-Kempkes, Christian Walther, Robert Hailer, Hermann Sedlmaier, Roland Schumacher, Hartwig Lohse, Jens Holtmannspötter, Florian Feucht, Jean Christjan Meyer, Jens Freese, Jürgen von Czarnecki

9. Bauwesen

Zusammenfassung

Faserverbundwerkstoffe gewinnen auch im Bauwesen zunehmend an Bedeutung. Aus Kostengründen werden vorzugsweise gasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) verwendet. Für die Verbindung einzelner GFK-Bauteile zu kompletten Tragwerken kommen mechanische Methoden zum Einsatz, aber auch das Kleben.

Geklebte Brücken aus Faserverbundwerkstoffen zeigen zum Beispiel eine im Vergleich zu solchen aus Stahl oder Beton deutlich höhere Lebenserwartung. Klebstoffe helfen bei der Restaurierung von maroden Gebäudeteilen und vereinen als Fassadenelemente die Vorteile der klassischen Fassaden in einem System. Zudem ermöglichen sie, neue architektonische Wege zu gehen.

Till Vallée, Simon Fecht, Cordula Grunwald, Michael Adam, Hartwig Lohse

10. Verpackungsindustrie

Zusammenfassung

Ohne Verpackung wäre der weltweite Handel mit Gütern jeglicher Art nicht möglich. Verpackungen schützen den Inhalt vor Verderben oder Zerstörung und helfen damit Ressourcen zu schonen. Je nach Anforderungen werden die unterschiedlichsten Materialien und Materialkombinationen zur Herstellung von Verpackungen eingesetzt. Die unterschiedlichsten Kunststoffe mit ihren vielfältigen Eigenschaften spielen dabei eine immer wichtigere Rolle. Klebstoffe kommen bei nahezu allen Anwendungen zum Einsatz und maßgeschneiderte Klebstoffe sorgen heute dafür, dass Verpackungen aus Kunststoff ökonomisch und ökologisch sicher hergestellt werden können. So wird in Zukunft beispielsweise beim Einsatz von Kunststoffen aus nachwachsenden Ressourcen das Kleben helfen, diese Produkte erfolgreich in den Markt zu bringen.

Hermann Onusseit, Zbigniew Czech, Agnieszka Kowalczyk, Adrian K. Antosik

11. Elektronikindustrie

Zusammenfassung

Warmhärtende Klebstoffe bieten bei ihrer Verarbeitung große Prozessvorteile gegenüber raumtemperaturhärtenden Systemen. Beim Kleben von Kunststoffen setzt ihnen die Temperaturempfindlichkeit der Substrate aber oft Grenzen. Als Lösung empfehlen sich niedertemperaturhärtende Klebstoffe auf Basis von modifizierten Polycarbaminderivaten (mCD) und speziell modifizierte Epoxidharze, die sich zunehmend neue Einsatzfelder in Branchen wie der Elektronik oder Mikroelektronik erschließen.

Ralf Hose

12. Holz- und Möbelindustrie

Zusammenfassung

Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, bekannt unter dem Kürzel WPC (Wood-Plastic-Composites), wird ein wachsendes Einsatzpotenzial prognostiziert – Grund genug zu untersuchen, welche Vorbehandlungsmethoden und Klebstoffe zu langzeitbeständigen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen für Außenanwendungen führen.

Thematisiert wird in diesem Kapitel außerdem das Thema „Möbelkanten kleben“. Um im hochwertigen Möbelbau eine makellose Klebstofffuge sicherzustellen, kommen immer häufiger feuchtigkeitsvernetzende PUR-Schmelzklebstoffe zum Einsatz. Dank eines patentierten Fertigungsverfahrens lassen sich nun PUR-Reaktivklebstoffe in Form von Granulaten herstellen und somit auch auf herkömmlichen Maschinen verarbeiten.

Außerdem zeigen Beispiele u. a. aus der Holz- und Möbelindustrie, wie mit Hilfe der aktuellen Klebtechnik moderne Design- und Veredelungsvorgaben kosteneffizient realisierbar sind.

Eduard Kraus, Benjamin Baudrit, Peter Heidemeyer, Martin Bastian, Hartmut Henneken, Ingo Horsthemke, Christian Terfloth

13. Schiffbau

Zusammenfassung

Im klassischen Schiffbau werden zur Herstellung von Fügeverbindungen bisher überwiegend Schweißverfahren eingesetzt. Dabei kann sich die Klebtechnik auch in diesem anspruchsvollen Anwendungsbereich dem Wettbewerb der herkömmlich eingesetzten Fügemethoden stellen. Beschrieben wird, dass zum Beispiel, unterschiedlichste Halterungen mobil gefügt werden können, ohne die Korrosionsschutzbeschichtungen zu beschädigen.

An zwei ausgewählten Beispielen aus dem Schiffbau werden in diesem Kapitel außerdem die Möglichkeiten numerischer FE-Analysen bei der Auslegung von Klebverbindungen vorgestellt und diskutiert.

Nikolai Glück, Linda Fröck, Markus Brede, Oliver Klapp, Christof Nagel, Andreas Wulf, Thomas Reinert, Sven Exner

14. Medizintechnik

Zusammenfassung

Nur mithilfe der Klebtechnik als stoffschlüssiges Fügeverfahren gelingt die Herstellung chirurgischer Instrumente für minimalinvasive endoskopische Operationen. Die Anforderungen an Oberflächenvorbehandlung, Klebstoffe und klebtechnische Fertigungsprozesse sind in diesem Bereich hoch. Beispielsweise müssen Glasfaserbündel in einem Edelstahlrohr sterilisationsfest, blasen- und spaltfrei miteinander verbunden werden.

Astrid Wagner

Backmatter

Titel: Kunststoffe erfolgreich kleben
herausgegeben von: Marlene Doobe
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-18445-2
Print ISBN: 978-3-658-18444-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-18445-2

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