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~~1.3Vorteile:- verbinden unterschiedlicher (unterschiedlichster) Werkstoffpaarungen möglich- ungünstige Werkstoffbeeinflussungen durch Oxidieren, Aushärten und Ausglühen entfallen- geringer thermischer Verzug aufgrund keiner bzw. nur gering vorliegender thermischerWerkstoffbeanspruchung- keine Kontaktkorrosion- keine Oberflächenbeschädigungkraft- 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 oderNietverbindungen entfällt. Daraus ergibt sich u.U. auch eine Gewichtsminderung1.4Nachteile:- 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 Stoßbelastung2. Funktionsweise von Klebstoffen.Wie eingangs schon erwähnt beeinflussen Adhäsion und Kohäsion die Klebeverbindung.Unter Adhäsion versteht man hierbei die herrschenden Kräfte zwischen dem Kleber und dem Werkstoffwelcher mit dem Kleber in direktem Kontakt steht und unter Kohäsion die wirkenden Kräfte in derKlebeschicht.Grafik zur Verdeutlichung:Abb.1 Abb.2© Vieweg VerlagDa die Adhäsionskräfte nur eine minimale Reichweite haben (molekulare Größenordnung) undOberflächen im mikroskopischen Bereich eher zerklüftet und rauh sind, kommen sich zwei Materialien inder Realität nur selten so nahe, das es zu einer spürbaren Adhäsion (Grenzflächenhaftung) kommt. Nurein flüssiger Stoff kann sich den Oberflächenkonturen vollständig anpassen und als „Brückenmedium“ eineAdhäsion bewirken. Da aber der innere Zusammenhalt (Kohäsion) von Flüssigkeiten im Normalfall äußerstgering 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 insSpiel. Die benötigte Adhäsion ist gegeben und wenn ein Klebstoff aushärtet erhält er die nötige Kohäsion.3. Einteilung von KlebstoffenKlebstoffe können nach vielen verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt werden. z.B.- nach der Bindefestigkeit- nach der Art des Abbindemechanismus- nach Anwendungsgebieten- nach Art des GrundwerkstoffesIn der VDI-Richtline 2229, auf die im Folgenden eingegangen wird, werden Klebstoffe nach Art desAbbindens eingeteilt:3.1 physikalisch abbindende Klebstoffe: (Lösungsmittel-/Dispersionsklebstoffe)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 demFügen, erstarren der Klebstoffschmelze oder Gelieren (bei einem mehrphasigen System).Diese Kleber sind besonders geeignet um Metalle (undurchlässiges Werkstoffe) mit porösen Werkstoffenwie z.B. Holz zu verbinden. Hingegen sind sie ungeeignet um zwei undurchlässige Werkstoffpaarungenwie z.B. Metall – Metall zu verbinden, da bei größeren Klebeflächen ein ausreichendes Ablüften und somiteine gute Bindung nicht möglich ist.Physikalisch abbindende Klebstoffe sind thermoplastisch und sind somit wärmeempfindlich, sie haben eineerhöhte 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 Lösungsmittelsinnerhalb der Kontaktklebzeit (Herstellerangaben beachten) unter (starkem) Druck gefügt.Schmelzklebstoff: wird in geschmolzenem Zustand ca. 150°C – 190°C aufgetragen und die Teile müssenvor erstarren der „Schmelze“ gefügt werden. (Bp. Heissklebepistole)Plastisole: sind lösungsmittelfreie Klebstoffe die bei einer Temperatur von 140°C bis 200°C abbinden.Beispiele:Klebstofftyp Beispiel Bedingungen Kompo-nenten AbbindetemperaturLösungsmittelDispersionsmittelAnwendungSchmelz-klebstoff Polyester,1 warm ohne Papier, Textilien,Leder, KunststoffePlastisol-klebstoff PVC +Weichmacherund Haftvermittler1 warm ohne Metalle,KeramikKontakt-klebstoff Poly-chloropen 1 kalt verdunsten vordem KlebenHolz, Gummi,Kunststoffe,Metalle3.2 chemisch abbindende Klebstoffe: (Reaktionsklebstoffe)Reaktionsklebstoffe sind Klebstoffe, die durch zugesetzten Härter (Katalysator) oder weitereKomponenten chemische Reaktionen auslösen, und somit sehr feste und dauerhafte Verbindungeneingehen. Meist werden Reaktionsklebstoffe aus zwei Stoffen zusammengemischt Grundstoff (Bindemittel)und Härter (Katalysator) daher werden sie auch Zwei-Komponenten-Kleber genannt. (bestehend ausEpoxidharzen, Acrylatharzen und weiteren Harzen). Weiter gibt es bei den Reaktionsklebstoffen dieGruppe der „Ein-Komponentenklebstoffe“ aus Cyanacrylat. (Sekundenkleber) Diese Klebstoffe benötigeneine „unsichtbare“ zweite Komponente, die Feuchtigkeit, die sie aus der Umgebungsluft beziehen. ImAllgemeinen gilt das abbinden der Reaktionsklebstoffe wird durch einen Katalysator, einwirken erhöhterTemperatur, Luftfeuchtigkeit oder durch entziehen des Sauerstoffes (anaerob) in gang gesetzt.Da Reaktionsklebstoffe keine Lösungsmittel enthalten sind sie deshalb besonders geeignet für glatte, nichtporöse und feste Materialien wie z.B. Glas, Metalle, Keramik, Kunststoffe und Gummi. Die Klebestellensollten 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 undkeine klebefähige Schicht mehr hat.Da die Abbindung u.U. Tage dauert ist es sinnvoll eine weitere dritte Komponente einen Beschleunigerhinzuzufügen.Reaktionsklebstoffe werden unterteilt in:Polymerisationsklebstoffe: (Ein- oder Zweikomponentenkleber) Die Polymerisation wird durch die Reaktionmit dem Katalysator ausgelöst. Bei den anaerob abbindenden Klebstoffen bleibt die Reaktion aus, solangeder Katalysator im Flüssigen Klebstoff mit Sauerstoff in Berührung kommt. Durch die Katalysatormengeund Temperaturänderungen ist die Reaktionszeit beeinflussbar.Polyadditionsklebstoffe: (Ein- oder Mehrkomponentenkleber) Durch die Reaktion von mindestens zweichemisch unterschiedlichen und reaktionsfähigen Stoffen, welche im stöchiometrischen Verhältnismiteinander gemischt werden entstehen diese Klebstoffe.Polykondensationsklebstoffe: reagieren bei einem Anpressdruck ≥0,4 N/mm2 unter abspalten flüchtigerStoffe und einer Abbindetemperatur von ca. 120°C bis 160°CBeispiele:Kunststofftyp ReaktionsbedingungenAnzahl derKomponentenAbbindetemperaturReaktionsprodukteAnwendungEpoxid +Säureanhydride 2 warm Metalle, Keramik,KunststoffeEpoxid +Polyamine 2 kalt Metalle, Keramik,KunststoffePolysocyanate +Polyole 2 Kalt Metalle, Keramik,KunststoffeCyanacrylate 1 Kalt Metalle, Keramik,Kunststoffe,GummiMethacrylate 1 Kalt MetalleHarnstoffFormaldehyd+Styrol oderMethacrylate2 Kalt bleiben in derKlebeschichtMetalle,Keramik,KunststoffeSilicon-Harze + Feuchtigkeit 1 Kalt verdunstenbeim KlebenKeramik4. Klebverbindungen herstellen:Aufgrund der großen Vielfalt von Klebstoffen mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften kann man nurallgemeine Richtlinien angeben. Für die richtige Verarbeitung und Anwendung eines Klebstoffes sindimmer die Herstellerangaben zu beachten.4.1 Vorbehandlung:Um eine möglichst hohe Adhäsion des Klebstoffes zu erreichen müssen die Oberflächen der zu fügendenTeile von Schmutz, Rost, Oxidschichten und Fett befreit werden. Zu glatte Oberflächen müssen vor demverkleben/fügen durch abschmirgeln oder sandstrahlen angeraut werden.Haftgrundbehandlung versch. Werkstoffe:© Handwerk und Technik4.2 Klebvorgang:Hier gilt auch die Herstellerangaben unbedingt beachten um ein optimales Ergebnis zu erzielen. ImNormalfall werden Lösemittelhaltige Klebstoffe entsprechend der Konsistenz beidseitig mit Pinsel oderSpachtel auf die Fügeteile aufgetragen, Dann sollten die Fügeteile eine Zeit „ruhen“, damit ein Großteildes Lösemittels verdunsten und der Grundstoff sich durch Adhäsion mit der Oberfläche verbinden kann.Nach genügender Abbindung des Klebstoffes werden beide Fügeteile unter Druck zusammengefügt. Nunwird die Verbindung durch Kohäsion in der Klebeschicht hergestellt. Die Klebeschicht ist in der Regel nachein bis zwei tagen aufgrund des Verdunstens des Lösemittels vollständig abgebunden.Bei Reaktionsklebstoffen wird das Gemisch aus den Komponenten einseitig auf eines der Fügeteile, mitder vorbereiteten Oberfläche, aufgetragen (entsprechend des Klebstoffes auch gestreut oder beiKlebefolien aufgelegt). Die Teile können in der Regel sofort gefügt werden, da ja kein Lösemittelverdunsten muss. Entsprechend des Klebstoffes erfolgt das Abbinden mit oder ohne Druck/Wärmeeinflussinnerhalb weniger Minuten (Warmklebstoffen) oder in mehreren Tagen (Kaltklebstoffe).Man sollte immer nur soviel Klebstoff anmischen wie gebraucht wird bzw. soviel wie während der Tropfzeitverarbeitet werden kann, da die Reaktion sofort nach dem vermischen der Komponenten einsetzt.4.3 Nachbehandlung:Je nach Einsatz der Werkstücke und des verwendeten Klebstoffes müssen die Klebefugen nachbehandeltwerden. Dies geschieht durch einfaches Entfernen von Kleberesten (sofern nicht schon beim Klebengeschehen) durch abschmirgeln/-schleifen bis hin zum Lackieren der Fugen. Das versehen mitLacküberzügen ist besonders bei vielen Reaktionsklebern wichtig, da sie oftmals wasserempfindlich sind.5. Auslegung/Gestalten: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)Zugbeanspruchung Scherbeanspruchung Schälbeanspruchunggünstig günstig ungünstig - vermeidenBeispiel für eine Klebgerechte Konstruktion wenn Stumpf an Stumpf liegt:Ungünstiggeringe FlächeGünstigFlächenvergrösserung durch SchrägeFolgernd 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.6. Festigkeit und Einflüsse darauf:Die Festigkeit von Klebverbindungen ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Hier gilt angaben desHerstellers beachten. Bp.- Temperatur- Verarbeitung- Vorbereitung- UmwelteinflüsseEs gibt mehrere Faktoren die die Festigkeit der Klebverbindung beeinflussen:- Korrosionsbeständigkeit- Alterungsbeständigkeit/Zeit- Warmfestigkeit6.1 Korrosionsbeständigkeit: Reaktionsklebstoffe sind im Allgemeinen beständiger alsLösungsmittelklebstoffen gegenüber Lösungsmitteln (z.B. Alkohol, Aceton, Benzin, etc.) und anderenFlüssigkeiten (z.B. Öle, Säuren, Laugen, etc.) Bei Einwirkung von Wasser über einen längeren Zeitraumergeben sich jedoch Festigkeitsminderungen (verstärkt noch durch Wärmeeinwirkung) durchBeeinträchtigung der Adhäsion und Kohäsion.6.2 Alterungsbeständigkeit: bei Metallklebungen ist abhängig von der Art des verwendeten Klebstoffes,den zu fügenden Materialien, der Vorbehandlung der Oberfläche und besonders von schädigendenUmwelteinflüssen. Die warmabbindenden Klebstoffe sind in der Regel beständiger als kaltabbindendeKlebstoffe. Direkt nach dem Abbinden besitzen die Klebstoffe die größte Bindefestigkeit, daraufhin stelltsich jedoch ein u.U. über längeren Zeitraum andauernder Festigkeitsabfall ein.6.3 Warmfestigkeit: Klebstofffestigkeit ist stark Temperaturabhängig. Auch hier zeigen diewarmabbindenden Klebstoffe ein besseres verhalten als die kaltabbindenden. Je nach Klebstoffsorte lässtsich kurzzeitige Beständigkeit bis zu +350°C realisieren, zu berücksichtigen ist dabei jedoch einFestigkeitsverlust. In der Regel liegt die zulässige Dauertemperatur zwischen ca. +80°C und +150°C.Um die Festigkeit einer Klebverbindung zu demonstrieren wird ein Zugversuch durchgeführt.6.4 Versuch:Ermittlung der Festigkeit mehrerer Klebeverbindungen.Proben:Prüfkörper: AlMg3 Sandgestrahlt 80x40x3 / 80x40x2Klebstoff UHU Plus Endfest 300Bedingungen:Aushärtung des Klebstoffes bei verschiedenen Temperaturen:20°C – 24 Stunden70°C – 50 Minuten180°C – 10 MinutenAuftragsfläche ca. 40x15 mm ( 600mm2) / für 180°C zusätzlich 40x20 mm (800mm2)Unverklebte Probenkörper Flachzugprobe 40x80x145Durchführung: folgt nach versuchsende….7. Anwendungsgebiete und Belastbarkeit: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 inWerkstätten sind- Schraubensicherung- Verbinden von Werkstücken verschiedenster Materialien- Verbinden von Wellen/Naben- FlächendichtungenAuch bei der Belastbarkeit muss man sich an die Vorgaben zum Verarbeiten des Klebstoffes halten umeine optimale Verbindung zu erhalten. (siehe Zugversuch)8. Berechnung von Klebverbindungen:Eine optimale Bemessung und Berechnung erweist sich aufgrund von sehr vielen Einflussfaktoren welchevom verwendeten Klebstoff abhängen als schwierig. Daher sind Berechnungen nur Richtwerte.Bindefestigkeit (Zug-Scherfestigkeit)𝜏𝐾𝐵 : sie ist die wichtigste Kenngröße für die Berechnung einerKlebverbindung. Sie ist das Verhältnis der Zerreißkraft Fm zur Klebefugenfläche AK.Schälfestigkeit: ist der ungünstigste Faktor einer Klebverbindung und muss/sollte konstruktiv vermiedenwerden. Berechnet wird der Widerstand gegen SchälbeanspruchungFormeln : (RM TB s.24-26)AKl mm2 Klebfugenfläche S 1 Sicherheit~~{| {{tabelle}} | a || b ~~mm Klebfugenbreite σ N/mm SchälfestigkeitF N Schälkraft σabs N/mm abs. SchälfestigkeitFm N Zerreißkraft σKB N/mm2 ZugfestigkeitFmax N Max. übertragb. Kraft τKB N/mm2 Zugscherfestigkeitlü Mm Überlappungslänget mm kleinste BauteildickeBerechnungsaufgabe 1:Bei einem Zugversuch am Prüfstab ergab sich eine Bruchlast Fm=5200N. Wie groß ist die BindefestigkeitτKB des verwendeten Reaktionsklebstoffes.Lösung:Berechnungsaufgabe 2:Bei einem Schälversuch an dem Prüfkörperwar zum Einreißen der Klebverbindungeine Kraft F1=450N und zum fortlaufendenSchälen die Kraft F2=180N erforderlich.Zu ermitteln sind:A: die absolute Schälfestigkeit σabsB: die relative Schälfestigkeit σrelLösung:Berechnungsaufgabe 3Das Ende eines Wasserrohres aus Polyvinylchlorid (PVC) mitAussendurchmesser da=63mm und einer Wandstärke vont=3mm wird mit einer Kappe verschlossen, welche aufgeklebtwerden soll. Es ist zu ermitteln ob die Klebverbindung beieinem maximalen Wasserdruck p = 4 bar sicher hält, wenn dieBindefestigkeit des Klebers bei 20mm Überlappungslänge.τKB = 8 N/mm2 beträgt. Standard Sicherheit 1,5~~|-~~2,5.(Druck siehe auch TB s.42)LösungExtra Berechnungsaufgabe:Für die Klebverbindung eines Zahnrades mit einem Wellenzapfen ist ein Kaltkleberverwendet worden, der bei der verwendeten Werkstoffpaarung eine statischeBindefestigkeit τKB =15 N/mm2 hat.Welche Leistung in kW kann von der Verbindung bei einer Drehzahl n=125 min-1übertragen werden.Lösung9.Gefahren von Klebstoffen für den MenschenDas Hauptproblem des Klebens, stellen die Lösungsmittel dar. Weitere enthaltene Problemstoffe sindFungizide (pilzabtötende Stoffe), Konservierungsmittel oder Weichmacher.Die größte Gefahr geht aber in erster Linie von den leichtflüchtigen Anteilen des Klebstoffes aus, welche jenach individueller Empfindlichkeit und Vorschädigung bei häufigerem Kontakt äußerst schwerwiegendeKrankheiten und Zerstörungen anrichten können. Das Spektrum geht von Schleimhautreizungen überKopfschmerzen, Übelkeit bis hin zur krebserregenden Wirkung einiger Komponenten und Schädigung vonLeber und Niere (Entgiftung).Daher müssen bei der Verwendung von Klebstoffen eine ganze Reihe von Vorsichtsmaßnahmen undRichtlinien beachtet werden.- Absauganlagen bzw. ausreichende Lüftung- Körperschutz (Persönliche Schutzausrüstung)- Lagerung in überschaubaren Mengen- Beachten der Warnhinweise des Herstellers (R und S Sätze)~~.~~Beispiel für WarnhinweiseInformationen über den sicheren Umgang mit Klebstoffen kann man bei jedem Klebstoffhersteller bzw.Lieferanten anfordern.10. Besondere Anwendungen:Cyanacrylatklebstoff besser bekannt als Sekundenkleber ist ein 1-Komponentenkleber, welcher binnenkürzester Zeit Abbindet. Bei dem Abbindevorgang entstehen dämpfe mit deren Hilfe man Fingerabdrückesichtbar machen kann. Dieses verfahren wurde und wird in der Kriminalistik auch heute noch angewendet.VersuchGeräte und Chemikalien:Becherglas 250ml, Aluminiumfolie, kleine Aluminiumschale (gefertigt aus der Aluminiumfolie), Cyanacrylat(Sekundenkleber), Polyethylenfolie (Frischhaltefolie), Heizschrank (ca. 60°C vorgeheizt), Gummiband, Spritze 2ml,Einweg Handschuhe. Zange ( Pinzette)Sicherheit:Cyanacrylat ist reizend (Xi), kann innerhalb von Sekunden Haut und Augenlider verkleben. In gutgelüfteten Räumen verarbeiten.Durchführung:Auf ein ca. 10x10 cm großes Stück Pe oder Aluminium Folie wird mittig ein oder mehrere Fingerabdrückedurch anfassen bzw. berühren der Folie mit der Fingerkuppe, aufgebracht ggf. kann man den Bereich miteinem Edding markieren.Aus einem weiteren Stück Aluminiumfolie wird eine kleine schale geformt in welche später der Klebstoffeingefüllt wird. Größe: ca. 10mm Durchmesser, Höhe ca. 5mm Wichtig! ist, das der Boden der schalekeine löcher aufweist wo Kleber entweichen kann.Mit der Spritze werden ca. 2ml Wasser in das Becherglas gegeben.In die Aluminiumschale wird eine ca. erbsengroße Menge Cyanacrylat gegeben !!ACHTUNG!! Die schalewird vorsichtig in das Becherglas gestellt. (Pinzette, Zange)Mit der Vorbereiteten Pe bzw. Aluminiumfolie wird das Becherglas verschlossen und mit einemGummiband fixiert. Die Folie ist so aufzulegen, das die Oberfläche mit dem Fingerabdruck nach innenZeigt.Man stellt nun das Gefäß in den Heizschrank bei ca. 60°C und für eine Dauer von ca. 20-30 MinutenBeobachtung:Fingerabdrücke werden als weißes Muster auf der Folie sichtbar. (siehe Foto)Durch Cyanacrylat sichtbar gemachte Fingerabdrücke11. Normung:11.~~| 1~~: DIN-NormenDIN 8593-8DIN 16920DIN 16921DIN EN 923DIN EN ISO 966411.~~|| 2~~: VDI-Richtlinien:VDI 3821 KunststoffklebenVDI 2229 MetallklebenAlle DIN-Normen/VDI-Richtlinien kann man beim BEUTH Verlag beziehen.12. Weblinks:~~|}~~Hersteller:~~- ~~Loctite- Sika- UHU- ...Informationen:- Industrieverband Klebstoffe- Konstruktionsatlas- TU-Clausthal (Folie 23: Löt und Klebverbindungen)- …13.Quellen:QuellenRoloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007,ISBN 978-3-8348-0262-0Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006,ISBN 978-3-8348-0119-7Roloff/Matek Maschinenelemente Aufgabensammlung, Vieweg Verlag,ISBN 978-3-8348-0340-5Fertigungstechnik 2, Handwerk + Technik GmbH, 10. Auflage,ISBN 978-3-582-02313-1Tabellenbuch Metall 43. Auflage mit FormelsammlungISBN 3~~-~~8085~~-~~1723~~-9