Es kommen hier regelmäßig im unregelmäßigem Abstand (berechtigte) Fragen zur Klebbarkeit diverser Fügeparamter auf, resp. hoch.
Das ist in gewisser Weise nachvollziehbar, dennoch ist das Fügen mittels Klebstoff eigentlich keine Raketenwissenschaft. Um dem interessierten Leser ein bisschen Theorie zu dem Ganzen zu liefern habe ich mir seit 2017 vorgenommen, meine alte Mitschrift aus der Vorlesung hier ins Forum in komprimierter Form zu hacken.
Nicht, weil ich mich damit irgendwie profilieren will, aber doch denke ich, dass es dem einen oder anderen helfen könnte. So wie ich von Emils klasse Zusammenfassung zur Elektroschlosserei profitieren durfte
Die flolgenden Sätze sind wahrscheinlich etwas unstrukturiert, das darf gerne jemand zitieren und umschreiben, die Zitierregeln muss er dabei auch nicht einhalten
. Ich schreibe das halt so, wie es mir die 24 Seiten vorschreiben (bzw, dass das ich davon noch entziffern kann). Diagramme zu den einzelnen Themen sind für das Verständnis durchaus hilfreich, müssen aber aufgrund des Urheberrechts bitte selbst ergooglet werden. Gerd Habenicht ist hierfür eine super Quelle. Für alle mit Springerlink Zugang, das Praxishandbuch hat mir sehr geholfen. Allen anderen sei gesagt, das Buch ist eigentlich recht günstig…Auch ist das Buch eigentlich die Anlaufstelle Nr 1 wenn es Unklarheiten bei einer Klebung resp. Abschätzbarkeit der Klebung gibt. Das gesamte Buch kann und will ich hier aber nicht zusammenfassen.
Die folgenden Zeilen bieten in sofern also nur ein wenig Theorie zur Praxis. Vieles davon wird den Meisten hier anwesenden klar sein, allerdings richten sich diese Zeilen eher an die, die mit fachgerechten Klebungen bisher nix am Hut hatten.
Achja, wer Rechtschreibfehler findet, darf gerne pro Rechtschreibfehler einen Kurzen ziehen. Der Spaß soll schließlich nicht auf der Strecke bleiben.
Vorneweg, was im Maschinenbau die Mutter aller Diagramme ist, gilt im Kleben nicht.
Statt Sigma-Epsilon brauchen wir Sigma-Gamma. Das Spannungs-Gleitungs Diagramm ist allerdings stark abhängig von der Prüffläche. Je größer diese Prüffläche ist, desto geringer fällt die Klebebelastung aus, da diese als arithmetisches Mittel der Werte ermittelt wird. Nur so zum Hintergrund.
Zu Beginn schauen wir in die DIN EN 923. Diese definiert einen Klebstoff als „einen nichtmetallischen Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann“
Nachdem nun geklärt ist, was unter einem Klebstoff verstanden werden muss, schauen wir uns die systematischen Vor-, bzw. Nachteile von Klebverbindungen an.
-Vorteile:
#gleichmäßige Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtung
#hohe dynamische Festigkeit
#hohe Schwingungsdämpfung
#Verbindungsmöglichkeit für unterschiedliche Materialien
#Verbindungsmöglichkeit von Metallen mit unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen
(=Verwendung als Isolator)
#Verbindungsmöglichkeit sehr dünner Materialien
#Verbindungsmöglichkeit wärmeempfindlicher Materialien
#keine thermische Beeinflussung der Fügeteile
#Möglichkeit der Kombination mit anderen Fügetechniken
-Nachteile:
#notwendige Oberflächenbehandlung der Fügestellen
#klebstoffabhängiger Zeitfaktor beim Fügeverfahren
#exakte Einhaltung der notwendigen Prozessparameter
#aufwenige Kontroll-&Prüfverfahren
#aufwendige Festigkeitsberechnung
#Alterung der Kleb- & Grenzschichten
#Kriechneigung
#niedrige Dauerstandfestigkeit
#geringe Schälfestigkeit
#eingeschränkte thermische Formbeständigkeit
#begrenzte Reparaturmöglichkeit
Versagen einer Klebung
Bei einer Klebung haben wir Kohäsion und Adhäsion. Den Unterscheid dazwischen zu verstehen ist wichtig. Denn beim Versagen einer Klebung sind Kohäsionsbrüche vorzuziehen, da bei Adhäsionsbrüchen ein Haftungsproblem entsteht. Liegt ein Kohäsionsbruch vor, können wir für uns schließen, dass die vorausgegangene Oberflächenbehandlung ausreichend war.
Bei jeder Klebung gibt es Eigenspannungen im Fügeteilverbund.
Diese resultieren in:
-Der Aushärtung des Klebstoffs
-Unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Klebstoff und Fügeteilwerkstoff
-unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Fügepartner
-Schwindung in der Klebschicht
-unterschiedliche Temperaturverteilung
-Alterung der Klebschicht
-Temperaturwechselbeanspruchung
Betrachten wir uns die Schwindung der Klebschicht näher muss differenziert werden zwischen der chemischen und der physischen Schwindung dieser:
-chemische Schwindung führt zu strukturellen Schäden an den Fügeteilen
-physikalische Schwindung führt zu strukturellen Schäden an der Klebeschicht
-chemische Schwindung = Zunahme der Dichte aus der Abnahme des intermolekularen Abstandes zwischen Monomeren und oligomeren Einheiten während der Vernetzung
-physikalische Schwindung = Schrumpfung des vernetzten Klebstoffs während der Abkühlung von Aushärte- auf Raumtemperatur
Einteilung der Klebstoffe nach der Aushärtezeit
-chemisch aushärtende Klebstoffe (Reaktionsklebstoffe)
-physikalisch aushärtende Klebstoffe
Chemisch aushärtende Klebstoffe sind vorliegende Monomere die in der Klebfuge durch chemische Reaktion aushärten. Das können Elastomere, Thermoplaste oder Duromere sein
Physisch aushärtende Klebstoffe liegen als fertiges Polymer vor die vor der Verarbeitung in einen flüssigen Zustand überführt werden müssen oder durch Anpressdruck haften. Darunter fallen Schmelzklebstoffe, Dispersionsklebstoffe, Lösungsmittelklebstoffe und Haftklebstoffe.
Konstruktive Gestaltung von Klebungen
#1 Klebungen müssen so gestaltet sein, dass die angreifende Kräfte nicht zu einem Schälen oder Spalten in der Klebschicht führen können, da in dem Fall einer Schälung aus einer Flächenbelastung eine Linienbelastung der Klebschicht erfolgt. Möglichkeiten zur Vermeidung dieser Schälbeanspruchun:
-Umfalzen
-Flächenvergrößerung
-Steifigkeitserhöhung
-Stützschraube/Stützniet
#2 Um durch eine Klebung Kräfte übertragen zu können muss eine ausreichende Klebfäche zwischen den Fügeteilen vorhanden sein (das kann man mittels Dreisatz und dem vorliegenden Datenblatt machen
)#3 Ausgehärtete Klebschichten kann man n ihrer Festigkeit mit dem Kunststoffen vergleichen. Das macht Stump-der Stoßklebungen bei Kunststoff üblich
#4Durch unterscheidliche Wäremeausdehnungen der Fügeteile muss bei Rundklebungen IMMER das äußere Fügeteil das Fügeteil sein, welches die größere Ausdehnung aufweist. Bei Kaltaushärtenden Klebstoffen ist diese Problematik nicht gegeben.
Weitere Klebeempfehlungen S.187ff im kleinen Habenicht oder entsprechend im Roloff/Matek
Da man nicht alles mit Sika ans/ins Auto bappen muss hier kurz eine kleine Übersicht der Klebfestigkeit ausgewählter Klebungen
Warm-/heißgehörtete, stark vernetzte Polyaddidtionsklebstoffe
25-25MPa
Bei Raumtemperatur ausgehärtete Epoxydharze
20-30MPa
Bei Raumtemperatur ausgehärtete Polymerisationsklebstoffe
10-20MPa
Reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe
5-10MPa
Schmelzklebstoffe
10-15MPa
Aufbau einer Klebungvon oben nach unten
Verunreinigungen
Adsorptionsschicht
Reaktionsschicht
Kaltverformte Grenzschicht
Grundwerkstoff
Die Reaktionsschicht:
-entsteht aus einer natürlichen oder chemischen Veränderung der Grenzschicht
-Sie ist aufgrund der chemischen Hauptvalenzbindungen mit dem Grundwerkstoff fest verbunden & stellt die eigentliche Zone für die Ausbildung der Adhäsionskräfte zu der Klebschicht dar.
Die Grenzschicht
-wirkt sich auf die Verformungsbehinderung der Klebschicht im Grenzschichtbereich aus
Die Adsorptionsschicht
-gebildet durch die Aufnahme artfremder Moleküle
-weitestgehend reversible Schichtbildung die den Gesetzen der Temperatur- & Druckabhängigkeit bei Adsortpionsvorgängen folgt.
Verunreiniungen
-sind die Hauptursache für mangelhafte Festigkeiten einer Klebung
Adhäsion
Unter Adhäsion versteht man den engen molekularen Kontakt zwischen den Oberflächen verschiedener Teile. Die Adhäsion beruht im Wesentlichen auf Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteil.
mechanische Adhäsion kann auch als mechanische Verklammung/Verankerung durch das Eindrängen des Klebstoffs in die Vertiefungen der Fügeteile verstanden werden.
Spezifische Adhäsion: die auf chemischen & physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhenden Adhäsionserscheinungen. Dies sind physikalische Anziehungs- bzw. Adhäsionserscheinungen zwischen artfremden Atomen & Molekülen und chemischen Bindungen der Oberflächen der aufeinanderliegende Atome resp. Moleküle.
Autohäsion (Diffusion)
Tritt fast ausschließlich bei der Vereinigung von elastischen Polymerschichten auf. Vorraussetzung ist eine große Beweglichkeit der Moleküle
Adhäsionsklebung
Bei der Adhäsionsklebung wird die Klebung ausschließlich durch ühysikalische Adsorptions-/Bindevorgänge zwischen Fügeteiloberfläche & Klebstoff bewirkt.
Diffusionsklebung
Bei der Diffusionsklebung diffundieren Läsungsmittel, Monomere oder Polymere des Klebstoffs in den Kunststoff ein und bewirken durch Quell- und Lösungseffekte Molekularbewegungen die zu einer schweißähnlichen Verbindung führen
(Hybrid-)Fügeverfahren
Mit dem Einsatz kombinierter Fügeverfahren wird generell das Ziel verfolgt, Nachteile und Vorteile des jeweiligen Einzelverfahrens in sinnvoller Weise auszugleichen um auf diese Weise optimierte Verbindungseigenschaften & Verfahrensdurchführungen zu erhalten.
Vorteile:
-gleichmäßige Spannungsverteilung,
-Erhöhung der Festigkeit unter quasi-statischer & schwingender Belastung,
-Erhöhung der Verbindungs- &Verwindungssteifigkeit,
-Erhöhung des Arbeitsaufnahmevermögens,
-Verhinderung von Schälbeanspruchungen,
-Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch Spaltfüllung,
-Gas- & Flüsdigkeitsdichtigkeit
-Reduzierung der Kriechneigung,
-reduzierte Fertigungszeiten,
-Erhöhung der Sicherheit der Klebung,
Einflussgrößen auf die Klebstoffauswahl
#1 Fügeteileigenschaften
-mechanisch
-Oberfläche
-physikalisch
#2Anforderungen an die Klebung
-mechanisch
-physikalisch
-Klim/Feuchtigkeit
#3Vorraussetzungen in der Fertigung
-Anzahl der Klebungen
-Auftrag- & Aushärtungsverfahren
-Sicherheits-, Arbeitsschutz- & Umweltschutzmaßnahmen
Anforderungen an die Klebung:
-nicht durch Kräfte belastet Fixierklebungen
-mechanische Belastungen: Zug, Zugscherung, Torsion, Druck
-Beanspruchung durch Feuchtigkeit/Klima
-> Die Beanspruchung durch Feuchtigkeit & klimatische Einflüsse lässt sich bei Metallklebungen ganz entscheidend durch die Oberflächenvorbehandlung beeinflussen.
Systematische Übersicht der wichtigsten Eigenschaften der Klebstoffe
#1 1-K Reaktionsklebtoffe
-Epoxyde
-Polyurethane
-Silicone RTV-1
-Cyanacrylat
-anaerob aushärtende Klebstoffe
-Strahlunshärtende Klebstoffe
#2 2-K Reaktionsklebstoffe
-Epoxyde
-Polyurethane
-Silivon RTV-2
-Methacrylate
#3 Physikalisch abbindende Klebstoffe
-Lösungsmittelklebstoffe
-Kontaktklebstoffe
-Dispersionsklebstoffe
-Schmelzklebstoffe
-Plastiole
-Haftklebebänder
Klebmöglichkeiten für Kunststoffe
-Duromere Kunststoffe
-Thermoplastische Kunststoffe
Duromere:
*in organischen Lösungsmitteln unlöslich
-Epoxydharze
-Phenolyharze
-Harnstoff- /Melaminharze
-versch. Polyurethane
-> Kleben nach mechanischer Oberflächenbehandlung mit Reaktionsklebstoffen
Thermoplastische Kunststoffe
*in organischen Lösungsmitteln löslich/quellbar
-Polyvinylchlorid
-Acrylglas
-Polystyrol
-versch. Kautschuktypen
-> Diffusionsklebung
*in organischen Lösungsmitteln unlöslich
-Polyurethan
-Polypropylen
-Nylontypen
-Teflon
-versch. Polyester
-versch. Polyurethane
->Klebung nach mechanischer und physikalischer Oberflächenbehandlung mit Reaktionsklebstoffen
Polyurethan Klebstoffe
-lösungsmittelfreie Systeme
-lösungsmittelhaltige Systeme
#1 lösungsmittelfreie Systeme
-2-K-PUR Reaktionsklebstoffe
Chemisch reagierendes System aus niedermolekularen Polyisocyanat und niedermolekularem Polyol
-1-K-PUR Reaktionsklebstoff
Chemisch reagierend mit Luftfeuchtigkeit, höhermlekulares, flüssiges Polyisocyanat-Polyurethan
-Reaktive PUR Schmelzklebstoffe
Physikalisch abbindene & chemisch reagierend (mit Feuchtigkeit), höhermolekulares, schmelzbares Polyisocyanat mit endständigen, reaktiven Isocyanatgruppen
#2 lösungsmittelhaltige Systeme
-1-K-PUR Lösungsmittelklebstoffe
Physikalisch abbindend, hochmolekulares Hysroxyl Polyurethan
-2-K-PUR Llsungsmittelklebstoff
Chemisch reagierendes, hochmolekulares Hysroxyl-Polyurethan und Polyisocyanat als Vernetzer
-PUR Dispersionsklebstoffe
Physikalisch abbindend, hochmolekulares Hysroxyl-Polyurethan in Wasser dispergiert (1-K-System). Chemisch reagierend durch Zusatz von Isosyanat
Reaktionsklebstoffe
-Duromere
-Thermoplaste
-Elastomere
#1 Duromere
-Epoxyde
-Phenolharze
-Polyurethane (stark vernetzt)
-anaerobe Klebstoffe
#2 Thermoplaste
-Cyanacrylate
-Methacrylate
-strahlungshärtende Klebstoffe
-Polyurethane (abhängig vom Vernetzungsgrad)
#3 Elastomere
-Silicone
-Polyurethane (abhängig vom Vernetzungsgrad)
Der wesentliche Unterschied zwischen Kleb- & Dichtstoffen ergibst sich somit aus dem Ziel ihrer Anwendung.
#Dichtstoffe haben die Aufgabe die Durchlässigkeit einer Fuge für gasförmige & flüssige Medien zu vermeiden, resp. zu verhindern.
#Klebstoffe /-schichten haben die Aufgabe die als Bestandteil der Konstruktion ausgebildete Klebfuge Kräfte zu übertragen
Verfahrensschritte zur Herstellung von Klebungen
-Verfahrensschritte zur Erzielung der Adhäsion
#Oberflächenbehandlung
#Klebstoffauftrag
-Verfahrensschritte zur Erzielung der Kohäsion
#Klebstoffaushärtung durch Druck/Temperatur/Zeit
Die entscheidende Aufgabe bei der Durchführung der Oberflächenbehandlung ist zusammenfassend die Schaffung definierter Oberflächeneigenschaften für reproduzierte Klebeergebnisse
Die Frage nach der aufzutragenden Klebstoffmenge beantwortet sich im Wesentlichen aus der Rauheit der Fügeteile. Als Faustegel kann gelten, dass die zwischen den Rauheitsspitzen vorhandene Klebschicht mindestens dem Wert der maximalen Rauheit entsprechen soll.
organisch/anorganische Klebstoffe
Anorganische Klebstoffe werden bei hoher Wärmebeständigkeit der Klebfuge eingesetzt, da anorganische Klebstoffe aufgrund ihrer chemischen Bindungsverhältnisse eine wesentlich größere Formstabilität & thermische Beständigkeit aufweisen im Gegensatz zu organischen Verbindungen
Fügeteiloberflächen
#geometrische Oberfläche ergibt sich aus den gemessenen Werten
#wahre Oberfläche wird auch Mirooberfläche genannt. Schließt zzgl zu der geometrischen Oberfläche die durch die Rauheit bedingte Oberflächenvergrößerung mit ein.
#wirksame Oberfläche stellt den Anteil der wahren Oberfläche dar, der durch den Klebstoff benetzt wrid.
Entscheidend für die Bewertungsfähigkeit des Systems ist nach den Gesetzen der Thermodynamik die Differenz der Oberflächenspannung zwischen Fügeteil und Klebstoff. Bei näherer Betrachtung der Werte der charakteristischen Oberflächenenergie ausgewählter Werksoffe wird ersichtlich, dass die jeweilige Differenz der Oberflächenenergieen bei Metallen gegenüber Klebsoffen sehr groß, bei Kunstoffen gegenüber Klebstoffen sehr gering ist. Das hat für die Klebung folgende Bedeutung:
-Kunststoffe assen sich über adäsive Bindungen nur unter speziellen Voraussetzungen kleben.
-Metalle lassen sich nach entsprechender Vorbehandlung gut bis sehr gut kleben (edelmetalle bilden hiervon eine Ausnahme)
Je größer die Kohäsionskräfte, desto geringer die Formbeständigkeit eines Stoffes. Die Entfetung ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine einwandfreie Benetzung.
Die entscheidende Aufgabe bei der Durchführung der Oberflächenbehandlung ist zusammenfassend die Schaffung definierteer Oberflächeneigenschaften für reproduzierbare Klebeergebnisse. Die Stufen der Oberflächenvorbehanldung sind:
-Entfetten
-Aufrauen
-Entfetten
Es gilt hierbei zu beachten, dass mechanische Oberflächenvorbehandlungsverfahren in ihrer Auswirkung auf den Bereich der Klebfläche beschränkt sind.
Faustregel für die minimal aufzutragende Klebstoffmenge
Die zwischen den Rauheitsspitzen vorhandene Klebschicht muss mindestens dem Wert der maximalen Rauheit entsprechen
Ein Verschieben während des Aushärtens hat zur Folge, dass der Aufbau der Klebsschicht gestört und dadurch die Kohäsionsfestigkeit vermindert wird.
Vom Trocknen oder Ablüften spricht man bei der Verarbeitung lösungsmittelhaltiger oder wässriger Klebstoffe/Dispersionen
Der Begriff Härtung oder Aushärtung bezeichnet den Übergang eines Reaktionsklebstoffs vom flüssigen oder pastösen Zustand in die feste Klebschicht über eine chemische Reaktion
Grundsätzlich gilt, dass jeder Klebstoff nur so gut ist, wie er & die zu klebenden Fügeteile verarbeitet werden. Misserfolge sind in den meisten Fällen nicht dem Klebstoff, sondern der unzureichenden Ausführungsqualität anzulasten.
Für die Auswahl des wirschaftlichsten Klebstoffs gilt
In Bezug auf die wirschaftlichen Anforderungen filt es den Klebstoff einzusetzen, er die vorliegende Klebeaufgabe bei Gewährleistung der quantitativen Anforderungen wirtschaftlich am Optimalsten zu läsen gestattet.
#der edlere Charakter der Edelmetalle ermöglicht eine Verarbeitung ohne chemische Oberflächenvorbehandlung
#die hohe Beständigkeit metallischer Werkstoffe gegenüber Wärmebeanspruchung bietet die Möglichkeit des Einsatzes von Reaktionsklebstoffen die bei höheren Temperaturen aushärten / besonders hohe Klebfestigkeiten aufweisen.
#Bei Kupfer ist zu beachten, dass die Verwendung warmhärtender Klebstoffe zu einer Rekristallisation und somit abnehmender Festigkeit führen. Gleiches gilt für Messing.
#Beschädigungen der Zinkschicht erfordern im Bereich der Klebfuge entsprechenden Primer oder Versiegeln der Klebfugenkante zum Schutz vor Unterwanderungskorrosion.
#der Wesentliche Unterscheid zwischen Metallen & Kunststoffen besteht darin, dass 1. Metalle in organischen Lösungsmitteln grundsätzlich unlöslich sind, verschiedene Kunststoffe jedoch – insbesondere Thermoplaste – in derartigen Lösungsmittelns löslich/anquellbar sind und 2. Die Fügeteilfestigkeit bei vielen Kunststoffen nur ca 10% der Festigkeit metallischer Werkstoffe aufweißt.
#Das wesentliche Kriterium hinsichtlich der Klebbarkeit von Kunststoffen ist die jeweils gegebene Löslichkeit bzw. Unlöslichkeit in organischen Lösungsmitteln.
#Beim Kleben von Kunststoffen mit Metallen werden auf Grund der Wärmeausdehnungskoeffizienten Klebschichtdicken von mehreren Millimetern eingesetzt.
-> empfohlene Klebstoffe für Kunststoff – Metall – Verbindungen:
#1 2K-Polyurethanklebstoffe
#2 2K-Epoxydharzklebstoffe (bei begrenzter Wärmebelastung & kleinflächigen Klebungen)
Verkleben unterschiedlicher Werkstoffe
#Bei einer Variation der Werkstoffdicken verrringert sich die Materailausnutzung mit zunehmender Dicke des Kunststoffteils, erhöht sich jedoch mit zunehmender Dicke des Stahlteils
#Die Materialausnutzung lässt sich durch eine Verringerung des Anteils der Biegespannung erhöhen
#Bei gleicher Klebschichtdicke nehmen bei einem Klebstoff mit hohem Schubmodul die Ungleichmäßigkeit & die Höhe der Schubspannungen zu
#Das Langzeitverhalten hängt vom Klebstoff ab. Je höher die Schubfestigkeit & je größer die Bruchgleitung, desto höher der Kriechwiderstand
#Je größer die Überlappung desto höher die Zeitstandfestigkeit
#Die Schubfestigkeit und die Bruchgleitung des Klebstoffs nehmen mit zunehmender Klebschichtdicke ab.
Je dicker die Klebschichtdicke, desto geringer die Zeitstandfestigkeit
So, dass war jetzt mal 'ne kurze Einführung an das Thema. Vielleicht hilft es ja dem einen oder anderen.
Beste Grüße
Florian
