Kleben

Die Vorteile, die das Kleben im Vergleich zu anderen Fügeverfahren bietet, werden vor allem in den Bereichen genutzt, in denen diese Technologie als „Fertigungssystem“ verstanden wird, das die Kenntnis der ingenieurmäßigen und der chemischen bzw. physikalischen Zusammenhänge gleichermaßen voraussetzt.

Aus dem täglichen Sprachgebrauch sind zur Beschreibung klebender Substanzen verschiedene Ausdrücke, wie z. B. Leim, Kleister, Kleber oder sonstige Namen, die ihren Ursprung z. T. in alten Zunfttraditionen oder Anwendungsmöglichkeiten haben, bekannt. Ergänzend hierzu finden auch Begriffe Verwendung, die in Zusammenhang mit verarbeitungstechnischen Gesichtspunkten, z. B. Lösungsmittelklebstoff, Haftklebstoff, oder nach der auftretenden Verfestigungsart, z. B. Reaktionsklebstoff, Schmelzklebstoff gewählt werden. Als einheitlichen Oberbegriff, der die anderen gebräuchlichen Begriffe für die verschiedenen Klebstoffarten einschließt, definiert DIN 16920 [D1] einen Klebstoff als einen „nichtmetallischen Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann“. Unter Klebstoffen sind demnach Produkte zu verstehen, die gemäß ihrer jeweiligen chemischen Zusammensetzung und dem vorliegenden physikalischen Zustand zum Zeitpunkt des Auftragens auf die zu verbindenden Fügeteile oder während ihrer Erwärmung (z. B. Klebstoffolien) eine Benetzung der Oberflächen ermöglichen und in der Klebfuge die für die Kraftübertragung zwischen den Fügeteilen erforderliche Klebschicht ausbilden. Ergänzend sind die folgenden Definitionen zu erwähnen:

Nach DIN 16920 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

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:

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:

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:

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 der statischen Belastung die Zeitstandbeanspruchung. 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 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 Kiebung. 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 Abschn. 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 Kiebung 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. Unterstützend für die klebgerechte Gestaltung von Verbindungen können Konstruktionskataloge sein, die als Informationsspeicher für die verschiedenen Phasen bei einer Konstruktion dienen. Ein in [K221] beschriebener Konstruktionskatalog beinhaltet z. B. Informationen über die

Für die Anwendung eines Fertigungsverfahrens gelten allgemein die folgenden Kriterien:

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 Metallegierungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Festigkeit der Klebungen sind in den Kap. 5, 8 und 9 beschrieben worden. In Zusammenhang mit den Kenntnissen der Klebstoffeigenschaften, der Konstruktionsgrundsätze, der Beanspruchungskriterien und unter Berücksichtigung einer sachgerechten Klebstoffauswahl (Abschn. 12.4.2.2) 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 in seiner Anwendung weit verbreitet. Da das Schweißen von Kunststoffen auf Thermoplaste beschränkt ist, besteht für die große Gruppe der Duromere und auch der hochwarmfesten Thermoplaste 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. In jedem Fall sind die folgenden Zusammenhänge zu beachten:

Bemerkung: Die nachfolgende Zusammenstellung ausgewählter Normen beinhaltet, soweit verfügbar, die im Rahmen der europäischen Harmonisierung neu entstandenen bzw. geänderten Normen. In diesem Zusammenhang wird auf die entsprechenden Ausführungen in der Einleitung zu diesem Buch verwiesen. Für ergänzende Informationen steht die jeweils neueste Ausgabe des „DIN-Katalog für Technische Regeln“, herausgegeben vom „Deutsches Informationszentrum für Technische Regeln (DITR) im DIN-Deutsches Institut für Normung“ zur Verfügung (zu beziehen durch den Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10772 Berlin). In diesem Katalog sind insbesondere die ICS-(International Classification for Standards) Sachgruppenverzeichnisse 83.180 „Klebstoffe“, 83.080 „Kunststoffe“ und 91.100.50 „Bindemittel, Dichtungsstoffe“ von Interesse. Die Auflistung der Normen für Kunststoffe erfolgt mit dem Ziel, die in vielen Fällen für Kunststoffe und Klebschichten in gleichem Maße geltenden Prüfmethoden aufzuzeigen.