Suchen

Kleben

Regeln für die richtige Auslegung von Klebeverbindungen

| Autor/ Redakteur: René Tobisch-Haupt / Rüdiger Kroh

Die Entwicklung neuer Werkstoffe verlangt nach leistungsfähigen Fügeverfahren. Dabei spielt die Klebetechnik eine immer wichtigere Rolle. Um die Vorteile aber vollends ausnutzen zu können, ist die Auswahl des richtigen Klebstoffs genauso entscheidend wie eine klebegerechte Konstruktion.

Firmen zum Thema

Beim Befestigen von Scharnieren an Glastrennwänden wird vermehrt das Kleben eingesetzt. Dabei muss der Klebstoff unsichtbar sein.
Beim Befestigen von Scharnieren an Glastrennwänden wird vermehrt das Kleben eingesetzt. Dabei muss der Klebstoff unsichtbar sein.
( Bild: Delo )

Zuverlässige und werkstoffgerechte Fügetechniken sind immer mehr gefragt. Die Gründe dafür sind zum einen der Trend zur Miniaturisierung und zum anderen die Entwicklung neuer Werkstoffe und Hightechmaterialien. Als leistungsfähiges Fügeverfahren wird die Klebetechnik in vielen verschiedenen Branchen mit immer größerem Erfolg eingesetzt – von der Mikroelektronik bis hin zum Automotive- und Maschinenbausektor.

Kleben bietet zahlreiche Vorteile

In der Industrie sind Klebstoffe mittlerweile ein wesentliches Konstruktionselement. Zu den Vorteilen gehören beispielsweise die materialschonende, spannungsarme und langzeitbeständige Verbindung unterschiedlicher Werkstoffkombinationen, zum Beispiel Glas/Metall, Glas/Kunststoff oder Metall/Kunststoff.

Auch kleinste Werkstoffkombinationen können sehr gut mit Hilfe von Klebstoffen verbunden werden. Durch schnelle Aushärtung, beispielsweise mit Licht, können innerhalb des Produktionsprozesses kurze Taktzeiten und somit hohe Stückzahlen in der Fertigung erzielt werden.

Richtiges Kleben fängt bei der Konstruktion an

Auch die Eigenschaften von Klebstoffen sind von Bedeutung: Sie werden sowohl isolierend als auch leitfähig eingesetzt und eröffnen in Hightechbereichen wie Smart-Card und RFID zahlreiche Anwendungsfelder, etwa bei Flip-Chip-Verklebungen oder im Chipverguss. Um Klebstoffe ideal einzusetzen, ist die Auswahl des geeigneten Klebstoffs sowie eine fachgerechte Verarbeitung notwendig. Faktoren wie die konstruktive Gestaltung, die zu verklebenden Fügeteilwerkstoffe, der Klebstoff sowie die Beanspruchung in der Praxis spielen eine wichtige Rolle, um eine optimale Qualität zu gewährleisten.

Um Werkstoffe miteinander zu verbinden, ist klebegerecht zu konstruieren. Sowohl ausreichend große Klebeflächen als auch ein korrekt dimensionierter Klebespalt, eine gleichmäßige Spannungsverteilung und die Vermeidung von Schäl- und Biegebeanspruchung sind zu beachten. Eine konstante Klebstoffdicke kann zum Beispiel über eine definierte Auflagefläche gewährleistet werden. Denkbar sind am Bauteil integrierte Abstandshalter oder eine geeignete Nut-Feder-Geometrie.

Beim Ändern bestehender Fügeverbindungen auch die Geometrie anpassen

Gerade wenn eine bestehende Fügeverbindung, wie etwa eine Schweißung, durch eine Klebeverbindung ersetzt werden soll, muss die Geometrie angepasst werden. Ansonsten können Probleme bei der Klebstoffdosierung, dem Fügen der Bauteile und der Festigkeit der Verbindung auftreten. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt anhand eines Prüfkörpers den Klebespalt im Vergleich.

So sollte ein ausreichend großer Klebespalt (mindestens 1 bis 2 cm) vorhanden sein, damit der Klebstoff seine Adhäsionskräfte entfalten kann. Der Klebespalt rechts ist zu klein. Werden dann die beiden Prüfkörper verklebt, wird der Klebstoff fast komplett aus dem Klebespalt gepresst. Die Folge: die Klebeverbindung hält nicht.

Oberfläche entscheidend für Festigkeit und Beständigkeit beim Kleben

Auch der Fügeteilwerkstoff ist von Bedeutung: Die Beschaffenheit der Fügeteiloberfläche und die Art des Materials sind relevant für die Verbundfestigkeit und Langzeitbeständigkeit der Verbindung. Der Klebstoff muss die Oberfläche gut benetzen, da ansonsten keine ausreichenden Bindungskräfte gebildet werden.

Die Benetzbarkeit hängt von mehreren Variablen ab: Kunststoffe wie etwa PTFE (Teflon) und POM (Polyoxymethylen) sind schwerer zu verkleben als Polyamid oder Polycarbonat. Auch bei der Materialzusammensetzung gibt es Zusatzmittel, die eine Verklebung erschweren können.

Klebstoff muss Adhäsion zur Fügeteiloberfläche bilden

Verunreinigungen wie verölte metallische Oberflächen können ebenfalls dazu führen, dass keine Bindungskräfte gebildet werden. Allerdings ist eine gute Benetzung alleine nicht ausreichend: Der Klebstoff muss auch eine Adhäsion zur Fügeteiloberfläche bilden.

Darunter versteht man molekulare Wechselwirkungen in der Grenzschicht, die den mechanischen Zusammenhalt bewirken. Dort gilt es, die Klebfestigkeit durch das Erzeugen einer möglichst homogenen, definierten Oberfläche zu erhöhen (Bilder 2 und 3).

Vorbehandlung oder Aufrauen macht Oberflächen für das Kleben geeignet

Verschiedene Oberflächenvorbehandlungsmaßnahmen wie Entfetten, Plasmabehandlung oder Beflammen zielen darauf ab, die Oberfläche von benetzungsstörenden oder haftungsvermindernden Substanzen zu reinigen und die Oberflächenspannung zu erhöhen. Durch Schleifen oder Strahlen von Oberflächen kann zudem noch ein Aufrauen die Anbindung an die Fügeteile verbessern. Ziel ist es, eine reproduzierbare, langzeitbeständige Fügeverbindung zu erhalten.

Bild 4 zeigt einen Benetzungsversuch, der im Labor durchgeführt wurde. Zum einen wurde die Oberfläche mittels Plasmaverfahren vorbehandelt (Bereich, der mit „+“ gekennzeichnet ist). Dort sieht man deutlich, dass die Benetzbarkeit der Oberfläche besser ist als im mit „–“ gekennzeichneten Bereich.

Richtiger Klebstoff für die jeweilige Anwendung schwer zu finden

Sobald die zu verbindenden Fügeteile und deren Materialien festgestellt sind und die klebegerechte Konstruktion definiert worden ist, geht es an die Auswahl des Klebstoffs. Die Herausforderung besteht darin, den richtigen Klebstoff für die jeweilige Anwendung zu finden.

Wichtig ist die Integration des Klebstoffs im jeweiligen Produktionsprozess des Herstellers. Dabei spielt beispielsweise die jeweilige Aushärtungszeit eine Rolle. So können warmhärtende Klebstoffe durch höhere Temperaturen beschleunigt zur Aushärtung gebracht werden.

Um die Eignung eines Klebstoffs festzustellen, muss das Bauteil im Verbund zahlreichen Tests unterworfen werden. Nur dann kann die Eignung für die spätere Anwendung festgestellt werden. Mechanische Beanspruchungen, Temperatureinflüsse, Einwirkung von Feuchtigkeit und chemischen Medien haben einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität einer Verklebung.

Zahlreiche Tests simulieren Klebstoff-Langzeitbelastung

Je nach Anwendung muss der Klebstoff nicht nur langzeitbeständig sein, sondern darf sich auch nicht verfärben. Das ist bei optisch anspruchsvollen Anwendungen der Fall, etwa bei Duschkabinen oder Glastrennwänden, bei denen der Klebstoff unsichtbar sein sollte.

Zahlreiche Standardtests wurden von Klebstoffherstellern und Anwendern gemeinsam entwickelt, um die Langzeitbelastung zu simulieren. Dazu gehören:

  • VDA-Klimawechseltest;
  • Konstantklimatest, zum Beispiel bei 85 °C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit;
  • Temperaturschocktest, zum Beispiel von -40 bis 125 °C;
  • Temperaturlagerung, zum Beispiel 3000 h bei geforderter Temperatur;
  • Pressure-Cooker-Test, zum Beispiel 16 h bei 100 °C, 1100 hPa und 100% relativer Luftfeuchtigkeit, und
  • Einlagerung in chemische Medien, zum Beispiel Öle, Säuren oder Laugen.

Über verschiedene Testmethoden wird eine mögliche Veränderung im Klebeverbund geprüft, etwa über das Messen der Druck-/Zugscherfestigkeit, Zugfestigkeit, E-Modul, Reißdehnung oder Temperaturfestigkeit. Darüber hinaus haben optische Aspekte einen Einfluss auf die Wahl des geeigneten Klebstoffs, wie bei den bereits angesprochenen Glasverklebungen.

Bei Scharnieren für Duschkabinen ersetzt das Kleben zunehmend die bisherigen Verschraubungen. Dadurch fallen Glasbohrungen weg und ein ansprechendes Design wird ermöglicht.

Ergänzendes zum Thema
Die Vorteile des Klebens
  • Keine oder nur geringe Temperaturbelastung der Fügeteile;
  • Verbindung verschiedener Werkstoffe möglich;
  • gleichzeitiges Kleben und Dichten möglich;
  • flächige Verbindung dünner Bauteile;
  • gleichmäßige Spannungsverteilung;
  • keine Schwächung der Fügeteile, zum Beispiel durch Bohren;
  • Ausgleich von Toleranzen durch die Klebschicht;
  • elektrisch oder wärmeleitende Klebstoffe verfügbar;
  • Vibrationsausgleich durch dämpfende elastische Eigenschaften.
  • Richtig kleben: Zehn Regeln für den Konstrukteur
  • Geeigneten Klebstoff auswählen;
  • geignete Fügeteilmaterialien auswählen;
  • ausreichend große Klebflächen und Klebespalte vorsehen;
  • klebegerechte Oberflächenbeschaffenheit gewährleisten;
  • gleichmäßige Spannungsverteilung erzielen;
  • Aushärtebedingungen des Klebstoffes beachten;
  • möglichst nur Druck-, Zug- und Scherbeanspruchung – keine Schälung und Biegebeanspruchung;
  • exzentrische Krafteinleitung vermeiden;
  • plastische Fügeteilverformung vermeiden;
  • geeigneten Klebstoff für den entsprechenden Prozess wählen.
  • Fügeverfahren werden häufig auch kombiniert

    Immer umfangreichere Anforderungsprofile führen häufig dazu, dass ein Fügeverfahren alleine nicht alle Forderungen erfüllen kann. Fügetechniken werden häufig kombiniert, wie etwa im Automobilbau: Dort hat sich das Schweißkleben als vorteilhaft erwiesen, bei dem punktgeschweißte Bleche in crashsensiblen Bereichen durch eine zusätzliche flächige Verklebung eine verbesserte Energieableitung und somit eine höhere Fahrsicherheit erzeugen.

    Ein weiteres Beispiel, bei dem Synergieeffekte genutzt werden, ist das von Delo und Böllhoff entwickelte Onsert-Verfahren. Dabei werden die für die Verschraubung der Gehäusehälften notwendigen Gewindebuchsen auf dünnwandige Metallschalen geklebt. Der Klebstoff gleicht durch seine spaltfüllenden Eigenschaften Fertigungstoleranzen und Rundungen der Gehäuseschalen aus. Die Buchsen werden positionsgenau und sekundenschnell fixiert, der Klebstoff in der anschließenden Warmhärtung vollständig ausgehärtet.

    Dies kombiniert die Vorteile des Klebens bei einem Bauteil mit geringer Wandstärke (keine Verletzung der Oberfläche, geringe thermische Belastung) mit dem Vorteil der einfachen Lösung einer Schraubverbindung. Die Wahl des geeigneten Fügeverfahrens ist also immer zugleich eine Frage an die Anforderung der Anwendung. Unter Umständen kann sogar die Kombination von zwei verschiedenen Fügeverfahren sinnvoll sein, wie die Kooperation von Böllhoff und Delo zeigt.

    * Dipl.-Ing. René Tobisch-Haupt ist Projektmanager bei der Delo Industrie Klebstoffe GmbH & Co KGaA in 86949 Windach

    Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 26902260)

    Automoteam; ©wi6995 - stock.adobe.com; Archiv: Vogel Business Media; WZV / Gira international; Atlas Copco; ; Delo; VAL; KLAUS LORENZ; Boschert; Liebherr-Hydraulikbagger; Schoen + Sandt; Haulick+Roos; Siemens, 2019; picsfive - Fotolia; Kasto; Fagor Arrasate; Bomar; VCG; Trafö; ©Marc/peshkova - stock.adobe.com / Cadera Design; Dinse; Ecoclean; Lima Ventures; Hommel+Keller; Southco; Autoform/Rath; Opdi-Tex; GOM; BMW; Ugitech, Schmolz + Bickenbach; Thyssenkrupp; Karberg & Hennemann; Ceramoptec; schoesslers; GFE; Untch/VCC; ©Andrey Armyagov - stock.adobe.com; Fraunhofer IWM; Kuhn; Vogel/Finus; Eckardt Systems