Klebverbindungen

Geschichtliches

Kurzer Exkurs über die geschichtliche Entwicklung der Klebstoffe:

Was versteht man eigentlich unter Kleben ?

Unter Kleben (nach DIN 16920) ist das oftmals nicht lösbare Verbinden/Fügen zwischen verschiedenen oder gleichen Werkstoffen/Materialien zu verstehen. Das Verbinden/Fügen geschieht mit Hilfe eines Klebstoffes, welcher auf die Werkstoffe/Materialien aufgetragen oder zwischen ihnen eingebracht wird. Kleben ist somit eine feste und dauerhafte Oberflächenverbindung.

Was ist ein Klebstoff?

Definition des Klebstoffes nach DIN 16920: Ein Klebstoff ist ein nicht metallischer flüssiger, plastischer oder fester Stoff der Fügeteile unterschiedlicher oder gleicher Materialien durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innerer Festigkeit (Kohäsion) zeitweise oder dauerhaft miteinander verbinden kann.

Vorteile:

• verbinden unterschiedlicher (unterschiedlichster) Werkstoffpaarungen möglich
• ungünstige Werkstoffbeeinflussungen durch Oxidieren, Aushärten und Ausglühen entfallen
• geringer thermischer Verzug aufgrund keiner bzw. nur gering vorliegender thermischer Werkstoffbeanspruchung
• keine Kontaktkorrosion
• keine Oberflächenbeschädigung
• kraft- und Spannungsverteilung ist gleichmäßig
• optisch anspruchsvolle Konstruktion möglich
• schwingungsdämpfend
• hohe Steifigkeit und Gewichtsersparnis aufgrund von Sandwichbauweise (Leichtbau)
• Verbindungen sind dicht, spaltfrei und isolierend
• Querschnittsminderung der Bauteile aufgrund von Löchern für Schraubverbindungen oder Nietverbindungen entfällt. Daraus ergibt sich u.U. auch eine Gewichtsminderung.

Nachteile:

• häufig ist eine aufwendige Oberflächenbehandlung erforderlich
• u.U. lange Abbindezeiten bis zur Endfestigkeit der Verbindung
• vielfach Flächendruck und Wärme zum abbinden notwendig
• geringe Schäl-, Warm-, Dauerfestigkeit
• oft kein Zerstörungsfreies Prüfen der Verbindung möglich
• empfindlich gegen Schlag und Stoßbelastung

Abb.1 Quelle: RM

Wie eingangs schon erwähnt beeinflussen Adhäsion und Kohäsion die Klebeverbindung. Unter Adhäsion versteht man hierbei die herrschenden Kräfte zwischen dem Kleber und dem Werkstoff welcher mit dem Kleber in direktem Kontakt steht und unter Kohäsion die wirkenden Kräfte in der Klebeschicht. Grafik zur Verdeutlichung:

Abb.2 Quelle: RM

Da die Adhäsionskräfte nur eine minimale Reichweite haben (molekulare Größenordnung) und Oberflächen im mikroskopischen Bereich eher zerklüftet und rauh sind, kommen sich zwei Materialien in der Realität nur selten so nahe, das es zu einer spürbaren Adhäsion (Grenzflächenhaftung) kommt. Nur ein flüssiger Stoff kann sich den Oberflächenkonturen vollständig anpassen und als „Brückenmedium“ eine Adhäsion bewirken. Da aber der innere Zusammenhalt (Kohäsion) von Flüssigkeiten im Normalfall äußerst gering ist und sie somit als verbindendes Element nicht geeignet sind müssen sie die Eigenschaft haben, nachdem sie sich an die Oberfläche geschmiegt haben zu verfestigen. Hier kommen nun die Klebstoffe ins Spiel. Die benötigte Adhäsion ist gegeben und wenn ein Klebstoff aushärtet erhält er die nötige Kohäsion.

Klebstoffe können nach vielen verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt werden. z.B.

- nach der Bindefestigkeit

- nach der Art des Abbindemechanismus

- nach Anwendungsgebieten

- nach Art des Grundwerkstoffes

In der VDI-Richtline 2229, auf die im Folgenden eingegangen wird, werden Klebstoffe nach Art des Abbindens eingeteilt:

physikalisch abbindende Klebstoffe:

Diese Arten der Klebstoffe sind häufig eine Lösung von natürlichen und makromolekularen Grundstoffen (z.B. Kunstharze, Nitrozellulose oder Kautschuk) in organischen Lösemitteln (insb. Kohlenwasserstoffe)  bzw. Dispersionsmittel.

Die Klebeschicht entsteht durch physikalische Vorgänge wie das Ablüften des Lösungsmittels vor dem Fügen, erstarren der Klebstoffschmelze oder Gelieren (bei einem mehrphasigen System).

Diese Kleber sind besonders geeignet um Metalle (undurchlässiges Werkstoffe) mit porösen Werkstoffen wie z.B. Holz zu verbinden. Hingegen sind sie ungeeignet um zwei undurchlässige Werkstoffpaarungen wie z.B. Metall – Metall zu verbinden, da bei größeren Klebeflächen ein ausreichendes Ablüften und somit eine gute Bindung nicht möglich ist.

Physikalisch abbindende Klebstoffe sind thermoplastisch und sind somit wärmeempfindlich, sie haben eine erhöhte Kriechneigung und sind anfälliger gegen Lösungsmittel als chemisch abbindende Klebstoffe.

Sie werden unterteilt in:

Kontaktklebstoff: wird beidseitig auf die Oberflächen aufgetragen und nach Ablüften des Lösungsmittels innerhalb der Kontaktklebzeit (Herstellerangaben beachten) unter (starkem) Druck gefügt.

Schmelzklebstoff: wird in geschmolzenem Zustand ca. 150°C – 190°C aufgetragen und die Teile müssen vor erstarren der „Schmelze“ gefügt werden. (Bp. Heissklebepistole)

Plastisole: sind lösungsmittelfreie Klebstoffe die bei einer Temperatur von 140°C bis 200°C abbinden.

chemisch abbindende Klebstoffe: (Reaktionsklebstoffe)

Reaktionsklebstoffe sind  Klebstoffe, die durch zugesetzten Härter (Katalysator) oder weitere Komponenten chemische Reaktionen auslösen, und somit sehr feste und dauerhafte Verbindungen eingehen. Meist werden Reaktionsklebstoffe aus zwei Stoffen zusammengemischt Grundstoff (Bindemittel) und Härter (Katalysator) daher werden sie auch Zwei-Komponenten-Kleber genannt. (bestehend aus Epoxidharzen, Acrylatharzen und weiteren Harzen). Weiter gibt es bei den Reaktionsklebstoffen die Gruppe der „Ein-Komponentenklebstoffe“ aus Cyanacrylat. (Sekundenkleber) Diese Klebstoffe benötigen eine „unsichtbare“ zweite Komponente, die Feuchtigkeit, die sie aus der Umgebungsluft beziehen. Im Allgemeinen gilt das abbinden der Reaktionsklebstoffe wird durch einen Katalysator, einwirken erhöhter Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder durch entziehen des Sauerstoffes (anaerob) in gang gesetzt.

Da Reaktionsklebstoffe keine Lösungsmittel enthalten sind sie deshalb besonders geeignet für glatte, nicht poröse und feste Materialien wie z.B. Glas, Metalle, Keramik, Kunststoffe und Gummi. Die Klebestellen sollten aber vor dem Fügen durch anschleifen von anhaftenden Oxidschichten befreit werden. Insbesondere gilt dies für Gummi, da es durch Einwirkung von UV-Strahlen und Ozon geschädigt wird und keine klebefähige Schicht mehr hat.
Da die Abbindung u. U. Tage dauert ist es sinnvoll eine weitere dritte Komponente einen Beschleuniger hinzuzufügen.

Reaktionsklebstoffe werden unterteilt in:

Polymerisationsklebstoffe: (Ein- oder Zweikomponentenkleber) Die Polymerisation wird durch die Reaktion mit dem Katalysator ausgelöst. Bei den anaerob abbindenden Klebstoffen bleibt die Reaktion aus, solange der Katalysator im Flüssigen Klebstoff mit Sauerstoff in Berührung kommt. Durch die Katalysatormenge und Temperaturänderungen ist die Reaktionszeit beeinflussbar.

Polyadditionsklebstoffe: (Ein- oder Mehrkomponentenkleber) Durch die Reaktion von mindestens zwei chemisch unterschiedlichen und reaktionsfähigen Stoffen, welche im stöchiometrischen Verhältnis miteinander gemischt werden entstehen diese Klebstoffe.

Polykondensationsklebstoffe: reagieren bei einem Anpressdruck ≥0,4 N/mm2 unter abspalten flüchtiger Stoffe und einer Abbindetemperatur von ca. 120°C bis 160°C.

Beispiele:

Aufgrund der großen Vielfalt von Klebstoffen mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften kann man nur allgemeine Richtlinien angeben. Für die richtige Verarbeitung und Anwendung eines Klebstoffes sind immer die Herstellerangaben zu beachten.

Vorbehandlung:

Um eine möglichst hohe Adhäsion des Klebstoffes zu erreichen müssen die Oberflächen der zu fügenden Teile von Schmutz, Rost, Oxidschichten und Fett befreit werden. Zu glatte Oberflächen müssen vor dem verkleben/fügen durch abschmirgeln oder sandstrahlen angeraut werden.

Haftgrundbehandlung versch. Werkstoffe Quelle: RM

Klebvorgang:

Hier gilt auch die Herstellerangaben unbedingt beachten um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Im Normalfall werden Lösemittelhaltige Klebstoffe entsprechend der Konsistenz beidseitig mit Pinsel oder Spachtel auf die Fügeteile aufgetragen, Dann sollten die Fügeteile eine Zeit „ruhen“, damit ein Großteil des Lösemittels verdunsten und der Grundstoff sich durch Adhäsion mit der Oberfläche verbinden kann. Nach genügender Abbindung des Klebstoffes werden beide Fügeteile unter Druck zusammengefügt. Nun wird die Verbindung durch Kohäsion in der Klebeschicht hergestellt. Die Klebeschicht ist in der Regel nach ein bis zwei tagen aufgrund des Verdunstens des Lösemittels vollständig abgebunden.

Bei Reaktionsklebstoffen wird das Gemisch aus den Komponenten einseitig auf eines der Fügeteile, mit der vorbereiteten Oberfläche, aufgetragen (entsprechend des Klebstoffes auch gestreut oder bei Klebefolien aufgelegt). Die Teile können in der Regel sofort gefügt werden, da ja kein Lösemittel verdunsten muss. Entsprechend des Klebstoffes erfolgt das Abbinden mit oder ohne Druck/Wärmeeinfluss innerhalb weniger Minuten (Warmklebstoffen) oder in mehreren Tagen (Kaltklebstoffe).

Man sollte immer nur soviel Klebstoff anmischen wie gebraucht wird bzw. soviel wie während der Tropfzeit verarbeitet werden kann, da die Reaktion sofort nach dem vermischen der Komponenten einsetzt.

Nachbehandlung:

Je nach Einsatz der Werkstücke und des verwendeten Klebstoffes müssen die Klebefugen nachbehandelt werden. Dies geschieht durch einfaches Entfernen von Kleberesten (sofern nicht schon beim Kleben geschehen) durch abschmirgeln/-schleifen bis hin zum Lackieren der Fugen. Das versehen mit Lacküberzügen ist besonders bei vielen Reaktionsklebern wichtig, da sie oftmals wasserempfindlich sind.

Grundsätzlich gilt:

Klebgerecht konstruieren und richtige Wahl des Klebers (siehe RM TB 5-2)

Weiter ist zu beachten:

• Klebefläche ausreichend dimensionieren (Überlappungen bevorzugen)
• Scherbeanspruchung in der Klebefuge anstreben
• Zugbeanspruchung nur in besonderen Fällen zulassen
• Fugenspalt so klein wie möglich halten
• Schälbeanspruchung unter allen Umständen vermeiden (konstruktive Maßnahmen z.B. Versteifungen)
• Schutz vor Witterung und Feuchtigkeit (z.B. Lacküberzug)
  

Beispiel für eine Klebgerechte Konstruktion wenn Stumpf an Stumpf liegt:

Weitere Beispiele einer klebgerechten Konstruktion

Folgernd lässt sich sagen:
In Bezug auf auftretende Kräfte:

• Bevorzugt sollten Klebverbindungen auf Druck/Zug oder Scherung belastet werden.
• Biege- und Schälbelastungen sollten vermieden werden.

In Bezug auf Abmessungen:

• Je grösser die Kraft ist die übertragen wird, desto grösser muss die Klebefläche sein.

Berechnungsgrundlagen:

Wichtige Kenngrössen und deren Berechnung:

• Bindefestigkeit: (die wohl wichtigste Kenngrösse) Verweis: RM FS 4-1

Sie ist das Verhältnis zwischen Zerreißkraft (Bruchlast) zur Klebfugenfläche. Statische Bindefestigkeit.

• Schälfestigkeit: Verweis: RM FS 4-3

Sie ist der Widerstand gegen Schälbeanspruchung in N je mm Klebfugenbreite.

• Zeitstands- und Dauerfestigkeit: Verweis: RM FS 4-2

Klebverbindungen, welche dauerbelastet werden neigen zur plastischen Verformung. Bei zeitstandsbelasteten Verbindungen kann bereits eine wesentliche geringere Belastung zum Bruch führen. Somit berechnet man die dynamische Bindefestigkeit folgendermaßen:

wechselnd:

schwellend:

Beanspruchungen verschiedener Klebnahtformen

a) Stumpfstoß, zugbeansprucht unter Längskraft F

b) einfache Überlappung, zugscherbeansprucht unter Längskraft F

c) Rundklebung, schubbeansprucht unter Torsionsmoment T

Mit ausreichender Genauigkeit wird die unter der Belastung F bzw. T auftretende Beanspruchung als gleichmässig verteilte Nennspannung berechnet.
(Siehe Grafik / Formeln 5.3, 5.4, 5.5) Diese werden den zulässigen Spannungen gegenübergestellt.

Für den zugbeanspruchten Stumpfstoß gilt:

Verweis: RM 5.3

Für den zugscherbeanspruchten Überlappstoß gilt:

Verweis: RM 5.4

Für die in Umfangsrichtung schubbeanspruchte Rundklebung gilt:

Verweis: RM 5.5

Aufgaben:

Aufgabe 1:

Berechnungsaufgabe 1: Bei einem Zugversuch an einem Prüfstab (siehe Grafik) ergibt sich eine Bruchlast Fm=5200N. Wie groß ist die Bindefestigkeit τKB des verwendeten Reaktionsklebstoffes ?
Hinweise zur Lösung	Lösung	Download: Aufgaben Kleben / Lösungen

Aufgabe 2:

Berechnungsaufgabe 2: Bei einem Schälversuch an dem Prüfkörper war zum Einreißen der Klebverbindung eine Kraft F1=450N und zum fortlaufenden Schälen die Kraft F2=180N erforderlich. Zu ermitteln sind: a: die absolute Schälfestigkeit σ_abs b: die relative Schälfestigkeit σ_rel
Hinweise zur Lösung	Lösung	Download: Aufgaben Kleben / Lösungen

Aufgabe 3:

Berechnungsaufgabe 3: Das Ende eines Wasserrohres aus Polyvinylchlorid (PVC) mit Aussendurchmesser da=63mm und einer Wandstärke von t=3mm wird mit einer Kappe verschlossen, welche aufgeklebt werden soll. Es ist zu ermitteln ob die Klebverbindung bei einem maximalen Wasserdruck von p=4 bar sicher hält, wenn die Bindefestigkeit des Klebers bei 20mm Überlappungslänge τKB= 8 N/mm2 beträgt. Standard Sicherheit 1,5-2,5.
Hinweise zur Lösung	Lösung	Download: Aufgaben Kleben / Lösungen

Die Festigkeit von Klebverbindungen ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Hier gilt angaben des Herstellers beachten. Bp.

• Temperatur
• Verarbeitung
• Vorbereitung
• Umwelteinflüsse

Es gibt mehrere Faktoren die die Festigkeit der Klebverbindung beeinflussen:

• Korrosionsbeständigkeit
• Alterungsbeständigkeit/Zeit
• Warmfestigkeit

Korrosionsbeständigkeit: Reaktionsklebstoffe sind im Allgemeinen beständiger als Lösungsmittelklebstoffen gegenüber Lösungsmitteln (z.B. Alkohol, Aceton, Benzin, etc.) und anderen Flüssigkeiten (z.B. Öle, Säuren, Laugen, etc.) Bei Einwirkung von Wasser über einen längeren Zeitraum ergeben sich jedoch Festigkeitsminderungen (verstärkt noch durch Wärmeeinwirkung) durch Beeinträchtigung der Adhäsion und Kohäsion.	Die Abbildung zeigt Das Festigkeitsverhalten eines Klebstoffes (Sicomet-Standard) bei verschiedenen Umwelteinflüssen über einen grösseren Zeitraum.
Alterungsbeständigkeit: bei Metallklebungen ist abhängig von der Art des verwendeten Klebstoffes, den zu fügenden Materialien, der Vorbehandlung der Oberfläche und besonders von schädigenden Umwelteinflüssen. Die warmabbindenden Klebstoffe sind in der Regel beständiger als kaltabbindende Klebstoffe. Direkt nach dem Abbinden besitzen die Klebstoffe die größte Bindefestigkeit, daraufhin stellt sich jedoch ein u.U. über längeren Zeitraum andauernder Festigkeitsabfall ein.	Korrosion Quelle: RM
Warmfestigkeit: Klebstofffestigkeit ist stark Temperaturabhängig. Auch hier zeigen die warmabbindenden Klebstoffe ein besseres verhalten als die kaltabbindenden. Je nach Klebstoffsorte lässt sich kurzzeitige Beständigkeit bis zu +350°C realisieren, zu berücksichtigen ist dabei jedoch ein Festigkeitsverlust. In der Regel liegt die zulässige Dauertemperatur zwischen ca. +80°C und +150°C.

So vielfältig die Welt der Klebstoffe ist so vielfältig sind auch ihre Anwendungsgebiete. Man kann sagen, dass für so ziemlich jede Anwendung ein spezieller Klebstoff erhältlich ist. Hauptanwendungen in Werkstätten sind

• Schraubensicherung
• Verbinden von Werkstücken verschiedenster Materialien
• Verbinden von Wellen/Naben
• Flächendichtungen

Auch bei der Belastbarkeit muss man sich an die Vorgaben zum Verarbeiten des Klebstoffes halten um eine optimale Verbindung zu erhalten.

• Experiment: Sekundenkleber in der Kriminalistik

Zum Abschluss noch ein paar einfache Fragen zum Thema Klebverbindungen:

DIN-Normen

DIN 8593-8 Fertigungsverfahren Fügen; Kleben;
DIN 16920 Klebstoffe und Klebstoffverarbeitung
DIN 16921
DIN EN 923 Definition von Klebstoffen und Benennungen
DIN EN ISO 9664

VDI-Richtlinien

VDI 3821 Kunststoffkleben
VDI 2229 Metallkleben

Alle DIN-Normen/VDI-Richtlinien kann man beim BEUTH Verlag bzw. bei VDI beziehen.

Hersteller:

• - Loctite
• - Sika
• - Uhu
• - ...

Informationen:

• - Industrieverband Klebstoffe
• - TU-Clausthal (Folie 23: Löt und Klebverbindungen)
• - Fraunhofer IFAM
• - …

Quellen

• Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007,

ISBN 978-3-8348-0262-0

• Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006,

ISBN 978-3-8348-0119-7

• Roloff/Matek Maschinenelemente Aufgabensammlung, Vieweg Verlag,

ISBN 978-3-8348-0340-5

• Fertigungstechnik 2, Handwerk + Technik GmbH, 10. Auflage,

ISBN 978-3-582-02313-1

• Tabellenbuch Metall 43. Auflage mit Formelsammlung

ISBN 3-8085-1723-9

Dieser Artikel/Aufgaben und Lösungen stehen euch auch als *.pdf Dokument zur Verfügung.

1. Klebverbindungen

3. Lösungen zu den Aufgaben

4. Experiment Cyanacrylat/Fingerabdruck

1. Element 1Media:100422_JB_Klebverbindungen.ppt
2. Element 2Media:100422_JB_Klebverbindungen.doc
3. Element 3Media:100422_JB_Berechnung_und_Übungsaufgaben_1.doc
4. Element 4Media:100422_JB_Berechnung_und_Übungsaufgaben_2.doc

--Jens 19:53, 11. Okt. 2008 (CEST)