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Kleben – Technologie mit Zukunft

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Während viele industrielle Bereiche beträchtliche Erfolge mit dem Kleben erzielen, stehen andere diesem Fügeverfahren skeptisch gegenüber. Eine 1987 durchgeführte Umfrage zum Einsatz der Klebtechnik1 ergab, daß 10% der Betriebe kein Vertrauen zum Kleben haben. An dieser Grundeinstellung hat sich bis heute nichts geändert, wie eine 1995 von der Zeitschrift „kleben & dichten“ veröffentlichte Erhebung2 zeigt. Aus dieser geht hervor, daß 15% der Firmen gegenüber dem Kleben Vorbehalte haben und dies obwohl das Kleben das älteste stoffschlüssige Fügeverfahren ist. Gründe für die Vorbehalte gibt es sicherlich viele. So ist die Klebtechnik von allen Fügeverfahren noch am wenigsten erforscht. Trotz mehrerer Adhäsionstheorien kann noch niemand genau sagen, warum ein Klebstoff an einer Oberfläche hält.3 Aber eine Unzahl von Beispielen belegt, daß die Klebtechnik auch ohne Klärung der Adhäsion beherrschbar ist. Schließlich wurden allein im Jahr 1995 1,5 Milliarden Tonnen Klebstoffe in Westeuropa hergestellt.4

Prof. Dr.-Ing. Manfred Rasche Fachhochschule Hannover, Fachbereich Maschinenbau

Anhand dreier klebtechnischer Lösungen sollen im folgenden technisch-technologische Erfahrungen, aber auch die Potentiale dieses Fügeverfahrens vorgestellt werden.
Wenig professionelles Vorgehen zeigt Beispiel 1, die eingeklebten Scheiben im Pkw-Bau, wohingegen bei den Beispielen 2, Lkw-Kühlauflieger, und 3, Regional-Schienenfahrzeug, konsequent nach den Gesetzmäßigkeiten der Klebtechnik gearbeitet wurde und bei denen Konstruktionen entstanden, die besser als die herkömmlichen sind.
Eingeklebte Frontscheibe und andere Lösungen
Seit dem Ende der 70er Jahre werden Frontscheiben bei Pkws in Deutschland eingeklebt. Allerdings war zunächst nicht das Ausnutzen der Vorteile der Klebtechnik der Grund, sondern durch das Kleben konnte auf die bis dahin notwendigen dicken Gummiwülste um die Scheibe herum verzichtet werden, was zu einem besseren cw-Wert (verringerter Windwiderstand) führte. Erst einige Jahre später hat man festgestellt, daß die eingeklebte Scheibe die Quersteifigkeit einer Karosserie um 85% verbessert.5 Untersuchungen zur Belastung der Klebschicht wurden jedoch nicht angestellt. Offensichtlich war man damit zufrieden, daß die Scheibe hält. Mit diesen Erfahrungen ausgerüstet, erweiterte man den Einsatz der Klebtechnik auch auf die Heckscheibe.
Erst in jüngster Zeit wurden Ergebnisse von Untersuchungen zur Belastung der Scheibenklebstoffe veröffentlicht.6
Festzustellen bleibt, das Einkleben der Front- und Heckscheibe ist eine Verbesserung im Pkw-Bau. Wegen der unbekannten Belastung der Klebverbindung konnte diese jedoch nicht optimiert werden, so daß Verbesserungen, z.B. eine weiter erhöhte Steifigkeit, denkbar sind.
Welche Optimierungsmöglichkeiten Klebverbindungen bieten können, zeigt das Beispiel 2, ein als Klebkonstruktion ausgeführter Lkw-Kühlauflieger.7 Die neue, in den Niederlanden entwickelte Konstruktion wog inklusive Kühleinrichtung nur 6 500 kg im Vergleich zu 9 200 kg bei konventioneller Bauweise. Dies ergab eine Gewichtsersparnis von 25%.
Auch das Beispiel eines Regional-Schienenfahrzeuges8 läßt die vielfältigen Potentiale der Klebtechnik erkennen.
So ging die Firma ADtranz in Berlin beim Bau ihres Regio Shuttle vom Konzept der Stahl-Differential- oder Aluminium-Integralbauweise ab und entwickelte mit Hilfe der Klebtechnik eine neue Bauweise.
Die tragende Struktur dieses Regio Shuttles ist ein steifer Fachwerkrahmen. An den Knotenpunkten werden die Fachwerkprofile auf Gußknoten gesteckt und anschließend verklebt (Bild 1). Die Seitenbeplankung besteht aus GFK-Teilen, die auf den Metallrahmen geklebt werden. Damit ergeben sich folgende Vorteile:
• Gewichtsersparnis von 35% gegenüber der Stahl-Differentialbauweise – keine Richtarbeiten, da kein Verzug durch Schweißarbeiten.
• Keine Spachtelarbeiten, da kein Verwerfen der Außenhaut durch Schweißen.
• Keine Entfestigung von kaltverfestigtem Al wie bei Schweißarbeiten.
• Die Klebverbindung zwischen Rahmen und Beplankung wirkt schwingungsdämpfend, das Fahrzeug ist ruhiger.
Kleben unterschiedlicher Werkstoffe
Bei den drei Beispielen wird das Kleben zum Fügen unterschiedlicher Werkstoffe eingesetzt. Die hierbei entstehende vollflächige stoffschlüssige Verbindung hat viele Vorteile gegenüber Verbindungen wie Nieten, Schrauben oder Punktschweißen, bei denen die Kraftübertragung an vielen Punkten erfolgt. Allerdings wird auf die Problematik von Klebverbindungen aus unterschiedlichen Werkstoffen meist nicht hingewiesen. Durch das Kleben verbinden sich zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften wie E-Modul, Festigkeit, Bruchdehnung, Wärmeausdehnung usw. stoffschlüssig so fest miteinander, daß ein neues Teil mit neuen Gesetzmäßigkeiten entsteht. Nur wer dies beachtet, kann erfolgreich kleben.
Sehr wichtig ist beispielsweise das Beachten der Auswirkungen unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügeteilwerkstoffe. Wird eine Klebverbindung aus verschiedenen Werkstoffen erwärmt oder abgekühlt, so wollen sich die Werkstoffe entsprechend ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verändern. Das können sie jedoch nicht, da sie stoffschlüssig zu einem Teil verbunden wurden.
In dem Teil entstehen folglich Spannungen, die das Bauteil zusätzlich belasten, verformen oder sogar zerstören. Diese sogenannten Thermospannungen treten sowohl beim Herstellen der Klebverbindungen als auch beim Betrieb auf.
Thermospannungen beim Her- stellen von Klebverbindungen
Werden Klebverbindungen beispielsweise warm abgebunden, so führt die Temperaturdifferenz zwischen Abbinde- und Raumtemperatur zu Spannungen. Der Klebstoff verfestigt bei erhöhter Temperatur, was wiederum die freie Dehnung der Teile beim Abkühlen verhindert. Die auftretenden Spannungen werden beim Unterschreiten der Glastemperatur des Klebstoffes größer, da der Klebstoff jetzt an Verformbarkeit verloren hat.
Die Auswirkung der Spannungen sind je nach Klebverbindung unterschiedlich. Es kann zu Schädigungen kommen. Ist dies nicht der Fall, so beeinträchtigen die Spannungen die Langzeitbeständigkeit der Verbindungen kaum, da sich die Spannungen aufgrund von Kriechvorgängen abbauen.
Bimetalleffekt
Eine mögliche Auswirkung von Thermospannungen zeigt Bild 2. Auf das 4 mm dicke Kunststoffteil wurde einseitig 50 µ dickes amorphes Metall mit Epoxidharz bei 130 °C aufgeklebt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur haben sich die Teile wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (POM: ak = 90 x 10-6 K-1; amorphes Metall: ak = 12,5 x 10-6 K-1) verformt. Da das geklebte Teil verformungsfähig war, führten die Spannungen zum Bimetalleffekt.
Versagen der Verbindung
Sind die Teile nicht verformungsfähig, so muß die Spannung von den Fügeteilen und der Klebschicht aufgenommen werden. Das ist nur bis zu einer gewissen Höhe möglich. Überschreitet die Spannung die Tragfähigkeit eines Fügeteiles oder der Klebschicht, so versagt die Verbindung. Bei spröden Fügeteilen, wie bei den in Bild 3 gezeigten Chips, kommt es bei guter Haftung bevorzugt zum Bruch im spröden Teil. Sind die Fügeteile jedoch steif und hoch belastbar, so versagt die Klebschicht, wenn ihre Verformungsfähigkeit überschritten wird.
Dehnungsausgleich durch die Klebschicht
Die Verbindung versagt nicht, wenn die auftretenden Dehnungsunterschiede durch eine Verformung der Klebschicht ausgeglichen werden. Dazu bedarf es einer entsprechenden Verformungsfähigkeit. Ein Verbiegen der Fügeteile tritt nicht auf. Das ist in der Regel bei großflächigen Verklebungen wie der eingeklebten Scheibe oder der Beplankung beim Regio Shuttle der Fall.
Die Verformungsfähigkeit einer Klebschicht ist nicht nur vom Klebstoff, sondern auch von der Klebschichtdicke abhängig. Bild 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Bruchdehnung für drei Klebstoffe. Die Werte wurden nach DIN 54 451 von verschiedenen Autoren ermittelt. Es zeigt sich, daß bei dünnen Klebschichten nur geringe Bruchdehnungen erreicht werden.
An einer 20 cm langen Al-Fe-Klebverbindung soll die Problematik des Warmabbindens gezeigt werden: Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten betragen:
n Al: a = 23,8 x 10-6 m/m grd,
n Fe: a = 11,7 x 10-6 m/m grd,
n Differenz = 12,1 x 10-6 m/m grd.
Bei einer Temperaturdifferenz von einem Grad ergibt sich somit eine Längendifferenz zwischen Al und Fe-Teil von 0,00242 mm. Eine Abkühlung um 150 °C führt bei einseitiger Dehnung zu einem Dehnungsunterschied von 0,36 mm. Diesen muß die Klebschicht ausgleichen, wenn sie nicht versagen soll. Bild 4 zeigt, daß der Klebstoff EP 3 für eine derartige Verbindung nicht geeignet ist, da seine Bruchdehnung maximal 0,07 mm beträgt. Die Klebstoffe Redux und Tegocoll können diese Dehnungen ertragen, allerdings nur bei Schichtdicken oberhalb von 0,32 mm (Tegocoll) bzw. 0,49 mm (Redux). Das Beispiel zeigt, daß zum Ausgleich von Wärmespannungen dickere Klebschichten erforderlich sind. Dickere Klebschichten haben jedoch sowohl bei statischer wie auch bei dynamischer Langzeitbelastung eine geringere Tragfähigkeit. Deshalb fordern die Konstruktionsregeln für Klebverbindungen dünne Klebschichten um 0,1 mm. Das Problem der Wärmespannungen beim Kleben unterschiedlicher Werkstoffe bleibt hierbei unberücksichtigt.
Dehnung nur in Dickenrichtung
Die Verbindung versagt nicht, wenn bei guter Haftung ein Teil so weich ist, daß die Wärmedehnung nur noch in Dickenrichtung erfolgt. Dies ist in der Regel bei Beschichtung mit PVC-weich und ähnlichem der Fall.
Dynamische Belastung durch Temperaturwechsel
Jede Erwärmung oder Abkühlung einer Klebverbindung aus unterschiedlichen Werkstoffen erzeugt Spannungen. So führen Temperaturwechsel zu einer dynamischen Belastung ohne äußere Last. Die Höhe der Belastung ergibt sich für eine bestimmte Klebschichtverformung aus dem Schubspannungs-Gleitungs-Diagramm des Klebstoffes. Bild 5 zeigt, daß in einer dünnen Klebschicht von 0,05 mm Dicke bereits die geringe Verschiebung von 0,05 mm (bei dem Al-Fe-Teil reicht hierfür eine Temperaturdifferenz von 20 °C) zu den hohen Belastungen von 25 N/mm² führt. Derart hohe dynamische Belastungen verkürzen aber die Lebensdauer des Bauteils spürbar. Eine Verminderung der Belastung ist nur durch eine Erhöhung der Schichtdicke machbar; bei 1 mm dicker Schicht beträgt sie nur noch 14 N/mm².
Bild 5 zeigt weiter, daß erst wesentlich dickere Schichten größere Verformungen in der Klebschicht zulassen, ohne daß dabei hohe Spannungen induziert werden. Dies ist der Grund, warum die Scheiben beim Pkw mit dicken Schichten, ca. 5 mm, eingeklebt werden.
E mav 289
Literaturhinweise:
  • 1 Marwinsky, Beate und Rasche, Manfred; Kleben in der Feinwerktechnik, Feinwerktechnik und Meßtechnik 95 (1987) 6, S. 401-403.
  • 2 N.N.; Kleben ja oder nein, Adhäsion 39 (1995) 1-2, S. 11-12.
  • 3 Brockmann, Walter; Neue Aspekte zum Verständnis der Adhäsion, 10. Internationales Symposium Swissbonding, 1996, Print service, Mülheim, 1996.
  • 4 N.N.; Weltmarkt Kleb- und Dichtstoffe – 1995, Adhäsion 41 (1997) Heft 1-2, S. 12.
  • 5 Burchardt, Bernd; Scheibenkleben im Automobilbau, Sonderdokumentationsreihe Seminar 10/1988: Strukturelles Kleben und Dichten im Fahrzeugbau, München, 1988.
  • 6 Habenicht, Gerd und Koch, Stephan; Elastisches Kleben im Fahrzeugbau (Teil 1 ), Adhäsion 41 (1997) 10, S. 35-38.
  • 7 Logthenberg, E.H.P und Driesten van, S.J.; Adhesive Application – Bonding in Truck Coaches Construction, Tagungsband 10. Internationales Symposium Swissbonding, 1996, Print service, Mülheim, 1996.
  • 8 Elsner, H. und Seitz, G.; Strukturelles Kleben am Beispiel eines Fachwerkwagenkastens für ein Regionalschienenfahrzeug, 11. Internationales Symposium Swissbonding, 1997, Print service, Mülheim, 1996.
  • 9 Kühnlein, Gerd; Elektrisch leitfähige Klebstoffe für die Halbleitertechnik, Sonderdokumentationsreihe Seminar 11/1989: Verbund- und Vergußtechnik in der Elektrotechnik, Elektronik und Optik, München, 1989.
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