Kleben

Die Vorteile, die das Kleben im Vergleich zu anderen Fügeverfahren bietet, werden heute vor allem in den Bereichen genutzt, in denen die Kenntnis der ingenieurmäßigen und der chemischen bzw. physikalischen Zusammenhänge gleichermaßen vorhanden ist. Als Beispiel kann der durch das Kleben ermöglichte Leichtbau als Voraussetzung für konstruktive Gestaltungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie dienen.

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, Haft-klebstoff, 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 16 920 [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 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 16 920 wird unter einem Grundstoff der Klebstoff bestandteil 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 Klebstoff arten, die sich unabhängig von einem bestimmten Grundstoff durch spezifische Eigenschaften, Verarbeitungsverfahren oder Reaktionsweisen auszeichnen. Schmelzklebstoffe können z.B. auf verschiedener 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 die 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 Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe bestimmen neben der Auswahl der Klebstoffe die Festigkeit einer Klebung in hohem Maße. Die im folgenden beschriebenen Einflußgrößen der Oberflächeneigenschaften und der Werkstoffeigenschaften gehen in das Verbundsystem ein.

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

Die Eigenschaften von Metallklebungen werden im wesentlichen 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 dann die nach Einbringen definierter Spannungen 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 50 145 ermittelte Wert der Zugfestigkeit eines allgemeinen Baustahls nach DIN 17 100 eine mechanische Größe, die direkt in die Festigkeitsberechnung eines Bauteils 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, dem Überlappungsende, beginnt.

Bei Klebungen mit runden Fügeteilquerschnitten kann in gleicher Weise wie bei den Querschnitten flächiger 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 radialer Richtung.

Aus der Darstellung in Bild 8.2 ergaben 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 Zusammhänge zu berücksichtigen. Aufgrund der in den Abschn. 8.3 bis 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, daß sie unter den vorgesehenen Beanspruchungen in der Lage ist, Kräfte in der Größenordnung der Fügeteilfestigkeiten zu übertragen. Für die konstruktive Gestaltung von Metallklebungen 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.

Die grundlegenden Vorgänge bei der Herstellung von Klebungen, speziell Metallkle-bungen, basieren auf chemischen und physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Klebstoffmolekülen und den Atomen bzw. Molekülen der Fügeteiloberflächen. Dabei ist zur Ausbildung der Haftungskräfte eine Adhäsionsarbeit zu leisten und gleichzeitig über die Ausbildung energetisch günstiger Bindungszustände in der Klebschicht eine möglichst hohe Kohäsionsfestigkeit zu erzielen. Somit sind für die Verhaltensweise der herzustellenden Klebungen sowohl die durch den chemischen Aufbau bedingten Materialeigenschaften von Klebstoff und Fügeteil als auch die den Klebevorgang begleitenden reaktionskinetischen Parameter Temperatur, Zeit und Druck von ausschlaggebender Bedeutung. Die entscheidenden Voraussetzungen für die Ausbildung der Haftungskräfte werden beim Klebstoffauftrag auf die entsprechend vorbehandelte Oberfläche gelegt, für die Ausbildung der Kohäsionskräfte sind die Bedingungen des Härtungsvorgangs verantwortlich. Daher bestimmen neben den konstruktiven Voraussetzungen die Verfahrensarten Oberflächenbehandlung und Klebstoffauftrag sowie Aushärtung die Güte der erzielbaren Klebung. Aufgabe einer sorgfältigen Fertigung muß daher die optimale Abstimmung aller mit diesen beiden Schritten zusammhängenden Verfahrensparameter sein.

Die Beschreibung der Anwendungsbereiche des Klebens kann nach den zu verklebenden Werkstoffen und nach den Einsatzgebieten in den einzelnen Industriebereichen erfolgen. In Kenntnis der Tatsache, daß es keinen Industriezweig gibt, in dem das Kleben nicht in irgendeiner Form angewendet wird, würde es der Aufzählung unendlich vieler Einzelbeispiele mit ihren werkstoff- und verfahrensspezifischen Parametern bedürfen, um eine umfassende Darstellung zu geben. Das ist in dem vorliegenden Rahmen nicht möglich. Hinzu kommt, daß viele Anwendungen einen sehr spezifischen Charakter haben und nicht allgemein übertragbar sind. Da die Mehrzahl aller durchzuführenden Klebungen unabhängig vom Industriezweig mit einer relativ eng zu begrenzenden Auswahl metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe hergestellt wird, ist es in erster Linie erforderlich, das klebtechnische Verhalten dieser Materialien zu kennen. In Zusammenhang mit den grundlegenden Kenntnissen der Klebstoffeigenschaften, der Konstruktionsgrundsätze und der Beanspruchungskriterien ist es dann möglich, vorhandene Erfahrungen auf neue Aufgabenstellungen zu übertragen. Aus diesem Grunde stehen im folgenden Abschnitt das klebtechnische Verhalten der wichtigsten Werkstoffe und die Möglichkeiten ihrer Verklebung im Mittelpunkt der Betrachtungen. Es ist beim Auftreten neuer Problemstellungen in jedem Fall vorteilhaft, die Vor- und Nachteile, wie sie in Abschn. 7.1 dargestellt sind, sowie die für die vorgesehene Klebung geltenden Kriterien nach Abschn. 12.4 einer genauen Analyse zu unterziehen.

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: