Kleben - Allgemein, Werkstofftechnik, Fertigungstechnik PDF

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Allgemein, Werkstofftechnik, Fertigungstechnik...

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Kleben Als Kleben bezeichnet man das stoffschlüssige Verbinden zweier gleicher oder unterschiedlicher Stoffe durch einen dritten Stoff, den sogenannten Klebstoff. Dieser wird zunächst flüssig zwischen die beiden zu verklebenden Stoffe gebracht und härtet dort aus. Während der flüssigen Phase verteilt sich der Klebstoff über die Fügefläche wobei er durch Adhäsion eine starke Verbindung zur Werkstoffoberfläche aufbaut. Während des Aushärtens erhöht sich die Kohäsion innerhalb der Klebeschicht, was zur Ausbildung einer stark belastbaren Klebestelle führt. Allerdings ist die Haltbarkeit von Klebestellen abhängig von der Art der einwirkenden Belastungen. So sind Schälbeanspruchungen beispielsweise nicht zulässig, da die Klebeschicht hierdurch leicht aufreißen und sich lösen kann. Um Zugkräften zu widerstehen, muss die Klebung sorgfältig und ausreichend großflächig ausgeführt werden. Die Klebestellen müssen dazu sauber, trocken, staub- und fettfrei sein. Die größte Belastbarkeit, weisen Verklebungen bei Scherbeanspruchung auf. Trotz dieser punktuellen Nachteile entwickelt sich das Kleben zu einer der wichtigsten Techniken. um Werkstoffe miteinander zu verbinden. In der Flugzeug- und Autoindustrie und auch in der Raumfahrt werden an zahlreichen Stellen auch hochbelastete Verbindungen durch Kleben hergestellt und bewähren sich im Praxiseinsatz besser als die konventionellen Techniken wie Verschrauben, Verschweißen und ähnliche. Def. Kleben: Verbinden von Fügenteilen mittels eines Klebstoffs. Def. Klebstoff nach DIN 16920: Klebstoff ist ein nichtmetallischer Werkstoff, der Körper durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann, ohne dass sich das Gefüge der Körper wesentlich ändert

Adhäsion: mechanische Verklammerung und Van der Waals Kräfte, wirkt an der Grenzfläche fester Stoffe, kurze Reichweite, ohne Klebstoff keine Haftung Kohäsion: mech. Verwirrungen und fadenförmige Moleküle und Vernetzung, hohes Molekulargewicht, hohe Polarität = hohe Klebwirkung Beeinflussung der Klebwirkung: dünn auftragen, Werkstoffoberflächenbehandlung, Aushärtetemperatur, Aushärtezeit Ziel: Kohäsion = Adhäsion

Die meisten Produkte des täglichen Lebens bestehen aus mehreren Teilen, häufig aus mehreren Materialien. Um diese Teile zusammenzuhalten sind in den letzten Jahrhunderten verschiedene Fügeverfahren wie Schrauben, Schweißen, Löten und Kleben entwickelt worden. Ohne diese Fügeverfahren wären viele Produkte des heutigen Lebens nicht vorstellbar. Traditionelle Fügeverfahren wie Nähen, Nageln und Schrauben sind nur für bestimmte Anwendungen und Materialien einsetzbar. Mit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert wurde besonders das Nieten ein wichtiges Fügeverfahren, da es den Bau großer, stabiler Metallkonstruktionen ermöglichte (z. B. der Eifelturm im Jahre1889). Im 20. Jahrhundert löste das Schweißen das Nieten für hochfeste Metallkonstruktionen ab (z. B. das erste vollgeschweißte Schiff im Jahre 1919).

Einteilung der Verbindungstechniken

Die traditionellen Verbindungstechniken haben wohl bekannte Nachteile. Mechanische Verfahren wie Nieten oder Schrauben ermöglichen nur eine punktförmige Kraftübertragung; außerdem muss man in die zu verbindenden Werkstücke Löcher bohren, den Werkstoff also „verletzen“ und damit u. U. schwächen. Bei thermischen Verfahren, wie dem Schweißen verändert der Werkstoff innerhalb einer Wärmeeinflusszone seine spezifischen Eigenschaften. Es ist daher nicht

verwunderlich, dass sich von allen Fügetechniken das Kleben in den letzten Jahrzehnten am schnellsten weiterentwickelt hat. Be- sonders im Bereich der Massenfertigung lassen vollautomatisierte Fügeverfahren mit der Hilfe von Klebstoffen ein rationelles und damit kostengünstiges Produzieren zu. Die Entwicklung neuer Werkstoffe mit ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten schaffen neue Herausforderungen an die Verbindungstechnik, insbesondere wenn verschiedene Werkstoffe zu Bauteilen gefügt werden, um ihre unterschiedlichen vorteilhaften Eigenschaften auch im Verbund zu nutzen. Das Kleben ist hier das am häufigsten eingesetzte Fügeverfahren. Die Klebtechnik wird besonders aus vier wesentlichen Gründen zukünftig in Industrie und Handwerk eine Schlüsselstellung einnehmen: •

Bei fachgerechtem Einsatz können klebtechnisch nahezu alle Werkstoffe in beliebigen Kombinationen langzeitbeständig miteinander verbunden werden.

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Durch den Fertigungsprozess „Kleben“ werden die Werkstoffeigenschaften der Fügeteile in der Regel erhalten: Der Klebprozess ist im Vergleich zum Schweißen oder Löten wärmearm, eine Schwächung der Fügeteile wie beim Nieten oder Schrauben findet nicht statt.

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In der Produktherstellung besteht die Möglichkeit, die spezifischen Werkstoffeigenschaften für ein Bauteil optimal zu nutzen. Durch neue Materialkombinationen lassen sich z.B. die Forderungen nach Stabilitätsgewinn und Gewichtsreduktion gleichzeitig erfüllen.

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Durch die Klebtechnik ist es möglich, über das eigentliche Verbinden hinausgehende Eigenschaften in das Bauteil zu integrieren, z. B. Isolation, Abdichtung gegen Gase und Flüssigkeiten, Schwingungsdämpfung, Korrosionsschutz, Aus- gleich unterschiedlicher Fügeteildynamiken usw. !

Kleben ist daher heute in allen Bereichen ein unverzichtbares Fügeverfahren geworden, um zwei oder mehrere Substrate miteinander zu verbinden. Durch dieses Verfahren können Verbundwerkstoffe geschaffen werden, die den Umgang (den Transport und die Lagerung) mit Nahrungsmitteln und allen Produkten des täglichen Lebens erleichtern, die Mobilität und Kommunikation ermöglichen, Gesundheit und Hygiene sichern, die Wohnqualität verbessern und die Herstellung innovativer Produkte in vielen Fällen erst möglich machen. Auf Grund dieser Vorteile ist es nicht verwunderlich dass das Kleben als Verbindungstechnik hat in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung stark zugenommen hat.

Aushärtung der Klebstoffe in drei Kunststoffklassen

Merkmale/Vorteile von Klebverbindungen: Gleichmäßiges Spannungsverhältnis auf den Oberflächen, Verbinden gleicher und verschiedener Werkstoffe, spaltfreie, isolierende und dichtende Verbindung, gleichmäßige Kraftverteilung, keine Querschnittsminderung, Gewichtsersparnis, große Toleranzen möglich, keine Kontaktkorrosion, isolierend oder auch leitend gegen Wärme und/oder Elektrizität, elastisch und schwingungsdämpfend Merkmale/Nachteile von Klebeverbindungen: Hitzebeständigkeit, Oberflächenvorbereitungen, lange Aushärtzeiten, Veränderung der Festiglkeit durch Alterung, Flächendruck und Wärme zum Aushärten nötig, bedingt empfindlich gegen Schlag, Stoß, zerstörungsfreies Prüfen oft nicht möglich Beanspruchungen: Torsion (wie bei Metallen), Zug sollte vermieden werden, Scherung (geeignete Beanspruchung), Schälung ist zu vermeiden, Spaltung (ein Teil der Fuge überlastet) Gestaltungsformen: einfache Lasche, doppelte Überlappung, doppelte Lasche, einfache Überlappung.

ANWENDUNGEN VON KLEBSTOFFEN Auf Grund der in der Einleitung erwähnten Vorteile des Klebens gegenüber vielen anderen Fügeverfahren ist es nicht erstaunlich, dass das Kleben heute in nahezu allen Produktionsprozessen zu finden ist. Aber auch im Handwerk und im Haushalt werden Klebstoffe für viele Verbindungen eingesetzt. Da es sich bei Produkten aus Papier und besonders bei Verpackungen sehr häufig um kurzlebige Güter handelt, die in großen Mengen hergestellt werden, verwundert es nicht, dass Klebstoffe für den Papier- und Verpackungsmarkt das größte Marktsegment der Klebstoffanwendungen bilden. Ein weiteres großes Marktsegment für Klebstoffe ist das Bauwesen. Das Verlegen von Wand - und Bodenbelägen ohne Klebstoffe wäre heute undenkbar.

Zusammenfassung: •

Fügen unter Verwendung eines Klebstoffes, d.h. eines nichtmetallischen Werkstoffes, ! der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit verbinden kann !

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Beispiele: geklebter Tankdeckel, Flügel eines Sportflugzeugs, Rohrverbindungen

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Unterscheidung der Klebstoffe - organische - anorganische - silikonhaltige

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Aushärtemechanismen

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physikalisch abbindende Klebstoffsysteme ! (Moleküle lagern sich zu Nahordnung zusammen)

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chemisch reagierende Klebstoffsysteme ! (kleinere Ausgangsmoleküle reagieren zu größeren Makromolekülen zusammen, Verfestigung des Klebstoffes) !

Festigkeit von Klebeverbindungen - Ursachen der Adhäsion (Kräfte an Grenzfläche von Fügeteil und Klebstoff) * mechanische Verklammerung der Oberfläche * physikalische Anziehungskräfte * chemische Bindung - Ursachen der Kohäsion (Zusammenhalt im Innern des Klebstoffes) * mechanische Verwirrung fadenförmiger Moleküle * chemische Bindung Aufbau

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Vorbehandlung der Oberfläche (durch Reinigung, abrasive Behandlung (Schleifen) und chemische Vorbehandlung) um Adhäsion zu verbessern !

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Beanspruchung einer Klebefuge • Scherbeanspruchung • Zugbeanspruchung • Schälbeanspruchung !

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Verbindung verschiedenster Werkstoffe möglich keine Verletzung der Bauteile

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gleichmäßige Spannungsverteilung

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Abdichtung

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glatte Oberfläche

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elektrisch isolierend

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leichte Ausrichtung der Fügeteile ! große Flächen können vollschlüssig verbunden werden

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Oberflächenbehandlung nötig

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ungünstiges Alterungsverhalten

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zerstörungsfreie Prüfung schwierig !

Wirkprinzip: Form- und Kraftschluss bei textilen Werkstoffen •

Fügen von (Garne, Fäden) oder mit (Nähen) textilen Werkstoffen

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Eigenschaften von Garnen: antistatisch, Abschirmung von! elektromagnetischen Wellen, antibakterielle Wirkung !

Hybride Fügeverfahren •

vereinen Eigenschaften und Vorteile verschiedener Wirkmechanismen! des Fügens durch Kombination der eingesetzten Fügetechnik

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Beispiele: Durchsetzfügen und Kleben, Punktschweißkleben, ! Schraube mit chemischer Schraubensicherung, Hydroverfahren

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Vergleich der Zugfestigkeit !

Fügen von Mikrobauteilen •

Durch Bonden (Verbinden von Halbleiterbauelementen oder von Schaltkreisen in Hybridschaltungen)

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Drahtbonden: Herstellen einer Verbindung zwischen z.B: Chip und den elektrischen Anschlüssen eines Gehäuses mittels dünner Drähte

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Verfahren: Thermokompressionsbonden, Ultraschallbonden, Badlöten (nur für hitzeunempfindliche Bauteile, SMD-Bauteile müssen durch Klebepunkte fixiert werden, die erst trocknen müssen), Reflow-Löten...