22.07.2011, Düsseldorf

 

Strukturklebstoffe im Überblick

 

 
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Name Evelyn Necker
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Auswahl entscheidet – optimale Klebung für industrielle Konstruktionen

In den letzten Jahrzehnten haben sich Strukturklebstoffe zu einer effektiven und zuverlässigen Alternative zu herkömmlichen Fügeverfahren wie etwa Schrauben, Nieten und Schweißen entwickelt. Strukturklebstoffe können zur Klebung von nahezu allen für die industrielle Fertigung relevanten Werkstoffen eingesetzt werden. Wichtig dabei ist, die richtige Klebelösung für die unterschiedlichen Konstruktionen auszuwählen. Doch welche Klebstofflösungen gibt es und was muss beachtet werden, um optimale Klebergebnisse zu erzielen?

Strukturklebstoffe werden eingesetzt, um unterschiedliche Materialen effektiv zu verbinden und mechanische Belastungen und Schwingungskräfte optimal zu verteilen. Das Anwendungsgebiet reicht von der Klebung medizinischer Einwegartikel bis hin zu Schwergeräten. Um die strukturelle Widerstandsfähigkeit der Klebverbindungen sicherzustellen, sollten das Konstruktionsdesign der zu verbindenden Materialien sowie die Auswahl der Klebstofftechnologie genau evaluiert werden. Denn unterschiedliche Konstruktionsdesigns erfordern unterschiedliche strukturelle Klebverbindungen.

Berücksichtigung des Konstruktionsdesigns
Die Festigkeit und Langzeitbeständigkeit einer strukturellen Klebverbindung hängt insbesondere vom verwendeten Klebstoff, dem Werkstoff sowie der Belastung der Konstruktion ab. Die Belastungen, also die äußeren Kräfte, die auf eine Konstruktion wirken, können auf fünf Arten von Spannungen zurückgeführt werden: Zugkraft, Druckkraft, Scherkraft, Schälkraft und Spaltkraft. Für jede Belastungsart gibt es eine Klebstofftechnologie, die die Beständigkeit gegen die auf ein Bauteil wirkenden Kräfte optimiert.

Zugkraft ist die Kraft, welche auf eine geklebte Verbindung einwirkt, wenn das Bauteil senkrecht zur Klebfuge und zum angrenzenden Trägermaterial gezogen wird. Bei reiner Zugbelastung ist die Spannungsverteilung in der Klebfuge relativ gleichmäßig. Auf jeden Teil der Klebfläche wirkt somit die gleiche Belastung. Das Gleiche gilt für Druckbelastungen. Bei Druckkraft wirkt eine äußere Kraft auf eine Verbindung, wenn die geklebten Materialien zusammengepresst werden. Tatsächlich sind reine Zug- und Druckbelastungen eher selten, in der Regel tritt auch ein gewisses Maß an Schälbelastung auf.

Bei industriellen Konstruktionen kommen am häufigsten Scher-, Schäl- und Spaltkräfte vor. Scherkraft ist die Kraft, welche auf eine Verbindung wirkt, wenn die beiden miteinander geklebten Bauteile parallel voneinander auseinander gezogen werden. Schäl- und Spaltkraft sind einander sehr ähnlich und am wenigsten erwünscht in einer strukturellen Klebeverbindung. Diese zwei Spannungskräfte entstehen durch eine Belastung an einem Ende der Klebfuge; wenn mindestens eines der Teile leicht verformbar ist, kommt es hauptsächlich zu einer Schälwirkung.

Auch wenn Scherbelastungen sehr viel wünschenswerter sind als Schäl- oder Spaltbelastungen, sind die auftretenden Spannungen bei allen drei Belastungsarten ungleichmäßig im Klebspalt verteilt. Klebverbindungen, die durch Scherung belastet werden, haben Spannungsspitzen an beiden Enden der Klebfuge, während der Klebstoff im mittleren Bereich der Klebefuge weniger belastet wird. Dies ist wahrscheinlich die häufigste Belastungsart, insbesondere bei Überlappungsfugen, dem üblichsten Verbindungstyp beim Kleben. Bei einer Schälbelastung formieren sich jedoch hohe Lastspitzen an einem Ende der Klebeverbindung. Hat sich der Klebstoff erst einmal von der Kante der Klebfuge gelöst, verbreiten sich die kleinen Brüche in der ganzen Verbindung. Eine effektive Klebverbindung zeichnet sich also zum einen durch eine gleichmäßige Spannungsverteilung aus, zum anderen durch den für die Konstruktion optimalen Klebstoff.

Klebstofftechnologien – eine Übersicht
In der industriellen Herstellung einer Vielzahl von Produkten spielen Klebstoffe eine zunehmend wichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus, die herkömmliche Fügemittel nicht bieten können. Gegenüber traditionellen Verfahren sind Klebverbindungen bei dynamischer Beanspruchung vor allem durch ihren flexiblen Charakter überlegen. Nieten oder Schrauben ermöglichen nur eine punktförmige Kraftübertragung, während die Spannung bzw. Kraftübertragung bei Klebungen über die gesamte Klebfläche verteilt ist. Zudem werden die zu verbindenden Werkstücke nicht durch die Bohrung von Löchern geschwächt.

Die geringe Wärmeentwicklung ist darüber hinaus ein wichtiges Kriterium, wenn es um die Verarbeitung von Fügeteilen geht, die bereits eine endgültige Oberflächenausführung aufweisen, wie zum Beispiel verchromter Stahl. Als nichtleitendes Material wirken ausgehärtete Klebstoffe zudem isolierend und verhindern so das Auftreten von Kontaktkorrosion.

Das Material und die Anforderung an die Konstruktion sind entscheidend für die Auswahl des Klebstoffes. Je nach Anwendungsfeld stehen für strukturelle Klebungen verschiedene Klebstofftechnologien mit spezifischen Produkteigenschaften zur Verfügung.

Epoxidharzklebstoffe
Zu den am weitesten verbreiteten Klebstoffen für strukturelle Klebungen gehören die Epoxidharzklebstoffe. Sie werden im Fahrzeug- und Flugzeugbau ebenso wie im Bausektor verwendet. Ihr großer Vorteil liegt darin, dass sie sich für Metall- ebenso wie für Kunststoffklebungen eignen. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine hohe Langzeitbeständigkeit, eine geringe Neigung zum Kriechen sowie geringen Härtungsschrumpf aus. Je nach Typ halten sie einer Temperaturbelastung von 100 bis 200 Grad Celsius auf Dauer stand. Ein weiterer Vorteil ist die sehr gute Beständigkeit, wobei sie im Allgemeinen eher steife Klebefugen bilden. Die Topfzeit der Epoxidharzklebstoffe kann zwischen fünf Minuten und zwei Stunden variabel eingestellt werden. Eine lange Topfzeit kann von Vorteil sein, wenn es viel Zeit benötigt, die Bauteile zusammenzuführen oder wenn diese nach dem Fügen neu positioniert werden müssen.

Epoxidharzklebstoffe sind als ein- oder zweikomponentige Systeme verfügbar. Bei einkomponentigen Systemen werden die Harz- und Härtekomponente schon bei der Herstellung im korrekten Verhältnis miteinander vermischt und reagieren erst bei Temperaturerhöhung. Die zweikomponentigen Systeme bestehen aus einer Harz- und einer Härter-Komponente, die erst bei der Anwendung gemischt werden. Bei Verwendung der zweikomponentigen Systeme muss beachtet werden, dass die chemische Aushärtungsreaktion sofort nach dem Zusammenmischen beginnt.

Polyurethanklebstoffe
Polyurethanklebstoffe sind sowohl als ein- als auch als zweikomponentige Systeme erhältlich. Sie zeichnen sich durch eine Vielzahl an Flüssigkeitsgraden, Aushärtungszeiten und Beständigkeiten aus. Der Grad der Vernetzung und somit die Festigkeit wird dabei durch die unterschiedlichen Rohstoffe bestimmt, die die Klebstoffsysteme enthalten. Ihr wichtigster Vorteil ist daher wohl ihre Anpassbarkeit an praktisch jede mechanische Anforderung, von sehr steifen Verbindungen bis hin zu extrem flexiblen Klebverbindungen. Darüber hinaus zeigen sie eine gute Beständigkeit gegen viele Lösungsmittel. Angesichts dieses Leistungsprofils finden Polyurethanklebstoffe eine breite Anwendung bei Klebungen in der Industrie, beispielsweise bei der Klebung von Windschutzscheiben in Autokarosserien oder von Rotorblättern in Windkraftanlagen.

Acrylatbasierte Klebstoffe
Acrylatbasierte Klebstoffe bieten ein breites Anwendungsspektrum. Sie sind für eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate geeignet, einschließlich der meisten thermoplastischen Werkstoffe, und schaffen eine gute Balance zwischen hoher Festigkeit und einer gewissen Flexibilität. Dies macht sie zum Produkt der Wahl bei vielen Verbindungen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Eine weitere interessante Eigenschaft dieser Chemikalienklasse ist ihre schnelle Aushärtung, die zusätzliche Möglichkeiten zur Kostensenkung im Produktionsprozess eröffnet. Da sie jedoch in der Regel einen intensiven Geruch entwickeln, sollten große Klebstoffmengen nur in gut belüfteten Bereichen verarbeitet werden.

Acrylatbasierte Klebstoffe sind entweder als einkomponentige Produkte mit separatem Aktivator oder als zweikomponentige Klebstoffsysteme erhältlich. Die einkomponentigen Klebstoffe müssen nicht angemischt werden. Der Klebstoff wird auf das eine Substrat aufgetragen, der Aktivator auf das andere, und der Aushärtevorgang beginnt erst, wenn die zwei Oberflächen zusammengebracht werden. Bei zweikomponentigen Systemen werden Aktivator und Klebstoff mithilfe einer Mischdüse gemischt und dann auf eine der Klebeflächen aufgebracht.

Silikonklebstoffe
Im Gegensatz zu den oben genannten Klebstoffsystemen, die alle auf Basis organischer Rohstoffe aufgebaut sind, haben Silikonklebstoffe ein anorganisches Gerüst. Silikone bleiben, im Gegensatz zu organischen Klebstoffen, auch bei tiefen Temperaturen bis zu minus 90 Grad Celsius hochelastisch. Sie zeichnen sich außerdem durch eine hohe Dauergebrauchstemperatur bis 200 Grad Celsius und durch hohe UV-Beständigkeit aus. Als Klebstoff werden sie dort eingesetzt, wo eine hohe Flexibilität und eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen gefordert sind. Sie zeigen gute Beständigkeit gegen aggressive chemische Substanzen und eine hervorragende Feuchtigkeits- und Witterungsbeständigkeit.

Silikonklebstoffe sind als ein- und zweikomponentige Systeme erhältlich. Das Einsatzgebiet von einkomponentigen Silikonen reicht vom Fügen bei der Herstellung von Bügeleisen über den Fahrzeugbau und die Elektrotechnik bis hin zu Spezialanwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik. Zweikomponentige Silikone finden in der Elektroindustrie, der Produktion von Haushaltsgeräten und in der Fahrzeugindustrie Verwendung. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo die vorhandene Luftfeuchtigkeit nicht ausreicht, um den Härtungsprozess von einkomponentigen Silikonen vollständig ablaufen zu lassen, oder wenn der Produktionsprozess beschleunigt werden soll.

Silanmodifizierte Polymerklebstoffe
Silanmodifizierte Polymerklebstoffe, oft auch MS-Polymer Klebstoffe genannt, zeigen sehr gute Haftungseigenschaften auf einer Vielzahl von Substraten. Die Klebungen verfügen über eine thermische Dauerbeständigkeit von ca. 80 bis 100 Grad Celsius, eine hohe Elastizität – also eine gute Verformungsbeständigkeit auch bei tiefen Temperaturen – und eine hohe UV-und Witterungsbeständigkeit. Klebstoffe auf Basis von MS-Polymeren werden unter anderem für Klebungen im Waggon- und Containerbau, im Apparatebau, in der Metall- und Blechverarbeitung, der Solartechnik, bei Fassaden- und Fensterklebungen, der Klima- und Lüftungstechnik sowie in der Reinraumtechnik und in sonstigen Bauanwendungen eingesetzt. Der Vorteil dieser Klebstoffgruppe ist, dass sie frei von Silikonölen ist und sich deshalb bei der Weiterverarbeitung geklebter Teile keine Probleme mit der Lackierung ergeben.

Henkel AG & Co. KGaA