Kleben als Fügetechnik

Basiswissen zum Kleben als Fügetechnik 

Das Kleben bezeichnet eine Fügetechnik, durch die gleiche oder unterschiedliche, metallische oder nichtmetallische Werkstoffe miteinander verbunden werden können. Die Verbindung erfolgt mithilfe von Klebstoffen, die bei Raumtemperatur aushärten oder mäßig erwärmt werden.

Wie der Klebeprozess durchgeführt wird, worauf es zu achten gilt und welche Vor- und Nachteile er bietet, erklärt die folgende Übersicht mit Basiswissen zum Kleben:  

Auf welchen chemischen und physikalischen Grundlagen basiert das Kleben?

Durch das Kleben entstehen Verbundsysteme, bei denen mehrere Faktoren über die Festigkeit bestimmen. Zu diesen Faktoren gehören zum einen die jeweiligen Einzelfestigkeiten der beiden gefügten Teile, der beiden Grenzschichten und der Klebeschicht selbst und zum anderen die geometrische Gestaltung und die Beanspruchung.

Dabei macht sich das Klebeverfahren zwei physikalische Vorgänge zunutze:

1.       Adhäsion.

Die Adhäsion beschreibt die Haftkräfte an den Kontaktflächen von zwei Stoffen. Dabei spielen bei einer Klebeverbindung sowohl die spezifische als auch die mechanische Adhäsion eine Rolle. Die spezifische Adhäsion umfasst alle chemischen und physikalischen Erscheinungen der Adhäsion, die aus Valenzkräften resultieren und ihre Ursache in erster Linie in den Van-der-Waals-Kräften haben.

Die mechanische Adhäsion beinhaltet alle mechanischen Verklammerungskräfte, die die Klebeschicht in Poren, Vertiefungen und Unebenheiten auf den Oberflächen der Werkstoffe aufweist. Die gesamte Adhäsionskraft ergibt sich aus der Summe der spezifischen und der mechanischen Adhäsion.

2.       Kohäsion.

Die Kohäsion wird auch als innere Festigkeit bezeichnet und beschreibt die Anziehungskräfte, die zwischen gleichen Atomen oder Molekülen eines Stoffes wirken. Bei diesen Kräften handelt es sich zum einen um die Massenanziehungskräfte und zum anderen um die Van-der-Waals-Kräfte.

Im Zusammenhang mit Klebeverbindungen umfasst die Kohäsion alle Bindungskräfte, die zwischen den Molekülen des Klebstoffes vorhanden sind, nachdem der Klebstoff ausgehärtet ist.Damit eine Klebeverbindung eine möglichst optimale Festigkeit aufweist, sollten die Adhäsion und die Kohäsion in einem ausgewogenen Gleichgewicht zueinander stehen.

Eine weitere Voraussetzung für eine sichere und haltbare Klebeverbindung ist aber auch, dass die Oberflächen, die verklebt werden sollen, optimal mit Klebstoff benetzt werden. 

Wie wird das Klebeverfahren durchgeführt?

Das Herstellen einer Klebeverbindung gliedert sich, abgesehen von der Vorbehandlung der Werkstoffoberflächen, im Wesentlichen in drei Arbeitsschritte:

1.       Den Klebestoff mischen.

In vielen Fällen werden Klebstoffe verwendet, die erst unmittelbar vor dem Gebrauch angemischt werden. Ein wichtiges Kriterium im Hinblick auf die Verarbeitung ist dabei die sogenannte Topfzeit. Diese gibt an, wie lange der Klebstoff bei Raumtemperatur verarbeitet werden kann.

Bei der Zubereitung des Klebstoffes können verschiedene Füllstoffe und Lösungsmittel beigemischt werden, um so die physikalischen Eigenschaften und das Verhalten beim Aushärten auf die jeweiligen Bedürfnisse abzustimmen.

2.       Den Klebstoff auftragen.

Um den Klebstoff auf die Werkstückoberflächen aufzutragen, kommen mehrere manuelle und automatische Verfahren in Frage. So kann der Klebstoff per Druckluftverfahren aufgespritzt, mithilfe einer Schmelzklebstoffpistole aufgetropft oder aufgegossen, aufgewalzt oder mittels Pinsel, Rakel oder Stempel aufgebracht werden.

Möglich ist außerdem auch, die Werkstücke in ein Klebstoffbad zu tauchen. Unabhängig vom angewandten Verfahren ist entscheidend, dass der Klebstoff möglichst gleichmäßig aufgetragen wird, um so eine optimale Haftung sicherzustellen.

3.       Das Aushärten.

Die Bedingungen, unter denen der Klebstoff abbindet, entscheiden über die Struktur und die Eigenschaften der Klebeschicht. Dabei spielen im Wesentlichen drei Faktoren eine Rolle, nämlich die Temperatur, die Zeit und der Druck.

Durch eine höhere Temperatur reduziert sich die Zeit, die der Klebstoff zum Aushärten benötigt, was wiederum die Festigkeit verbessert. Durch die Anwendung von Druck können die Werkstücke fixiert, die wirksame Oberfläche vergrößert und eine gleichmäßig dicke Klebstoffschicht erzielt werden. Außerdem erhöht Druck die Adhäsion und die Haftung.  

Welche Richtlinien gelten beim Kleben?

Voraussetzung für eine sichere und stabile Klebeverbindung ist, dass die Konstruktion unter Berücksichtung der späteren Beanspruchung und Krafteinwirkungen ausgeführt wird. Hierzu gehört, dass die Klebeverbindung so gestaltet wird, dass die Beanspruchung im Betrieb nur auf Druck oder Schub erfolgt.

Außerdem sollten Klebeverbindungen biegesteif und möglichst flächig mit größeren Überlappungen der Werkstücke ausgeführt werden. Werden dünnwandige Werkstücke miteinander verklebt, muss eine ausreichend große Klebefläche durch Eckversteifungen oder entsprechende Abkantungen gewährleistet sein.  

Welche Arten von Klebstoffen gibt es?

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Klebstoffe, die sich jedoch grundsätzlich in zwei große Gruppen einteilen lassen. Die erste Gruppe bilden physikalisch härtende Klebstoffe, zu denen beispielsweise Klebelösungen und Schmelzklebstoffe gehören. Diese Klebstoffe verfestigen sich dadurch, dass die enthaltenen Lösungs- oder Dispersionsmittel verdunsten oder dadurch, dass der im geschmolzenen Zustand verarbeitete Klebstoff auskühlt und erstarrt.

Die zweite Gruppe bilden chemisch härtende Klebstoffe. Hier ist eine chemische Reaktion dafür zuständig, dass sich die Klebstoffe verfestigen. Klebeverbindungen mit chemisch härtenden Klebstoffen kennzeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Beständigkeit gegenüber Wärme und Lösungsmitteln.

Zu den chemisch härtenden Klebstoffen gehören Mehrkomponentenkleber, Einkomponentenkleber mit Energiezufuhr sowie ein Großteil der Klebstofffolien. 

Welche Vorteile und Nachteile bietet das Kleben?

Grundsätzlich handelt es sich beim Kleben um ein Verfahren, dass konventionelle Fügetechniken wie beispielsweise das Schweißen und das Löten ergänzt und dadurch weitere Fertigungsmöglichkeiten eröffnet. Verglichen mit anderen Verfahren bietet das Kleben dabei einige Vor-, aber auch Nachteile.

Zu den Vorteilen des Klebens gehört, dass unterschiedliche Stoffe miteinander verbunden werden können, ohne dass das Material durch beispielsweise Löcher geschwächt wird. Zudem ist keine oder eine nur sehr geringe Wärmezufuhr notwendig und die Gefahr von einer elektrochemischen Kontaktkorrosion besteht nicht.

Die Kraft verteilt sich gleichmäßig in der Klebefuge und es entsteht eine Gasen und Flüssigkeiten gegenüber dichte Verbindung. Diesen Vorteilen stehen jedoch auch Nachteile gegenüber. So weist eine Klebeverbindung eine nur verhältnismäßig geringe Wärmefestigkeit auf.

Hinzu kommt, dass die Oberflächen häufig recht umfangreich mechanisch, chemisch oder elektrochemisch vorbehandelt werden müssen und auch die Festigkeitsberechnung und die Kontrollverfahren recht aufwändig ausfallen. Ein weiterer Minuspunkt ist, dass bei Klebeverbindungen Reparaturen nur bedingt möglich sind.

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