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Innovationen durch vielseitige Fügetechnik

Eine alte Kunst, aber eine junge Wissenschaft ist das Kleben. Während unsere Vorfahren Eigelb, Stärke oder Fischhaut benutzten, existieren heute Tausende spezieller Klebstoffe für die verschiedensten Anwendungen. Alle nutzen die Adhäsion, das durch molekulare Kräfte verursachte Aneinanderhaften zweier Stoffe, und die Kohäsion, die innere Festigkeit des Bindemittels selbst.

Ob beim Bau von Flugzeugen oder Hochgeschwindigkeitszügen, bei der Bestückung von Leiterplatten in der Elektronikindustrie oder bei der Schuhherstellung – fast immer müssen Einzelteile zu einem Bauteil, einem Produkt oder einem System zusammengesetzt werden. Das Kleben gehört heute zu den wichtigsten Fügetechniken, insbesondere wenn moderne Werkstoffe miteinander zu verbinden sind.

Wenngleich Klebvorgänge in Natur und Technik bereits eine lange Tradition haben (siehe Kasten auf Seite 87), war der Flugzeugbau sicherlich Vorläufer der modernen Klebtechnik. Hier inspirierte die Forderung nach Gewichtseinsparung zu neuen Bauweisen und Konstruktionswegen. Ganze Flugzeuggenerationen wie die Airbus-Familie wären ohne Kleben nicht denkbar.

Immer häufiger setzt man die Klebtechnik auch bei Automobilen ein (Bild 1). Optimierte Konstruktionen mit verbesserten Fahreigenschaften, geringerem Gewicht und reduzierter Korrosionsanfälligkeit sind das Ergebnis. In der Elektronik ergänzt man das dort klassische Fügeverfahren, das Löten, gleichfalls zunehmend durch die Klebtechnik, um beispielsweise höchstintegrierte Bauelemente spannungsfrei zu verbinden.

In den vergangenen Jahrzehnten wurden für die verschiedensten Einsatzbereiche immer neue Spezialwerkstoffe entwickelt; außer den klassischen Metallen kam eine Vielzahl von spezifischen Legierungen, Kunststoffen, aber auch Keramiken und Gläsern zum Einsatz. Die Zukunft wird zweifellos den aus verschiedenartigen Werkstoffen zusammengesetzten Verbundsystemen gehören.

Die traditionellen Verbindungstechniken haben wohlbekannte Nachteile. Bei thermischen Verfahren wie dem Schweißen verändert der Werkstoff innerhalb einer Wärmeeinflußzone seine spezifischen Eigenschaften. Mechanische Verfahren wie Nieten oder Schrauben wiederum ermöglichen nur eine punktförmige Kraftübertragung; außerdem muß man in die zu verbindenden Werkstücke auch noch Löcher bohren, den Werkstoff also verletzen und damit schwächen. Die Klebtechnik dagegen läßt die zu fügenden Teile unversehrt. Gerade wenn man verschiedenartige Werkstoffe miteinander verbinden will, ist dies ein entscheidender Vorzug.

Grundbedingung: Adhäsion

Entscheidend für das Anhaften eines Klebstoffs am Fügeteil – die Adhäsion – sind molekulare Wechselwirkungen an der Kontaktfläche. Sie werden maßgeblich von den Oberflächeneigenschaften des Substrats beeinflußt. Wichtig ist außerdem der Zusammenhalt des Klebstoffes in sich: die Kohäsion. Sie hängt in erster Linie von seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften ab. Beide Faktoren bestimmen Festigkeit und Langzeitbeständigkeit einer Klebung (Bild 2).

Obwohl Adhäsionsphänomene an allen Grenzflächen auftreten, sind in unserem Zusammenhang im wesentlichen nur solche zwischen einem flüssigen Klebstoff und einem festen Fügeteil von Bedeutung. Sie beruhen auf physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen von Klebstoff und Fügeteil oder auf chemischen Reaktionen zwischen beiden. Die Reichweiten dieser Wechselwirkungen sind kleiner als 0,5 Nanometer (millionstel Millimeter; Bild 3) und liegen damit um Größenordnungen unter den Rauhigkeiten selbst polierter Oberflächen, die immerhin noch mehrere hundert Nanometer betragen. Klebstoffe überbrücken diese Lücke, wenn sie die Substratoberfläche benetzen, das heißt in molekularen Dimensionen einen innigen Kontakt zu den zu verklebenden Flächen herstellen.

Der industrielle Einsatz der Klebtechnik erfordert sichere, reproduzierbare Erkenntnisse über Klebstoffe und ihre adhäsiven Wechselwirkungen mit den jeweiligen Werkstoffen. In unserem Institut forschen wir seit einigen Jahren auf diesem Gebiet. Um die Adhäsion zwischen Klebstoffen und Fügeteilen genauer zu untersuchen, verwenden wir eine Reihe von Analysentechniken wie die Infrarot- und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie sowie die abbildenden Verfahren der Transmissionselektronenmikroskopie, der Raster-Tunnelmikroskopie und der Raster-Kraftmikroskopie. Insbesondere in Kombination liefern diese Untersuchungsmethoden wichtige Beiträge zum Verständnis der Haftvorgänge.

Noch aussagekräftiger werden die Ergebnisse, wenn man definierte Systeme untersucht. So haben wir auf einkristallinen Oberflächen oder Siliciumscheiben Substanzen aufgebracht, die als Ausgangsmoleküle (Monomere) für Klebstoffe (Polymere) dienen. Indem wir dafür sorgten, daß die Moleküle sich reproduzierbar in ein- oder mehrlagigen Schichten anordneten, konnten wir mit den obigen Verfahren besonders hoch aufgelöste Bilder erhalten. Mit solchen Arbeiten gelingt es, die Komplexität der Polymer/Metall-Grenzschichten zu erfassen und Verallgemeinerungen für die klebtechnische Anwendung abzuleiten.

Oberflächenvorbehandlung

In der Technik werden Substratoberflächen häufig für den Klebstoffauftrag vorbereitet. Eine solche Vorbehandlung dient zwei Zielen: die Oberflächen definiert zu gestalten und ihre Hafteigenschaften zu optimieren. Insbesondere ist sicherzustellen, daß die Klebstoffmoleküle so dicht an die Substratoberfläche gelangen können, daß Adhäsionskräfte wirksam werden.

Da Metallen wegen unterschiedlicher Verarbeitungsschritte oft Walzöle, Staub und Schmutz anhaften, sind ihre Oberflächen erst einmal zu reinigen. Anschließend werden sie mechanisch oder chemisch weiterbehandelt. Zu den mechanischen Verfahren zählen das Schleifen, Bürsten und Strahlen. Dabei hat sich das Strahlen für viele metallische Werkstoffe als besonders gute mechanische Haftgrundvorbereitung erwiesen. Es bewirkt nicht nur eine hohe Anfangsfestigkeit, sondern auch eine gute bis sehr gute Langzeitbeständigkeit bei Fügeteilen aus Stahl, Aluminium oder Titan; zudem ermöglicht es sehr gleichmäßige Klebergebnisse. Naßchemische Verfahren (Beizen oder Anodisieren, das heißt elektrochemisches Oxidieren) werden überwiegend in der Luft- und Raumfahrtindustrie für Aluminium- und Titanlegierungen eingesetzt. Sie sind zwar sehr aufwendig, liefern aber bis heute die besten Ergebnisse.

Kunststoffe sind im allgemeinen wesentlich glatter, schlechter benetzbar und weniger oberflächenaktiv als Metalle. Außerdem können sie meist in gewissem Ausmaß Flüssigkeiten – insbesondere organische Lösungsmittel – aufnehmen und enthalten herstellungs- oder anwendungsbedingt eine Vielzahl von Zusätzen wie Stabilisatoren, Weichmacher oder Gleitmittel, die das Klebverhalten beeinflussen. Die Benetzbarkeit hängt von der Differenz der Oberflächenenergien des Substrats und der jeweiligen Flüssigkeit ab. Da die meisten Klebstoffe eine ziemlich ähnliche Oberflächenenergie wie Kunststoffe haben, muß man gewöhnlich durch Vorbehandeln die Energie der Kunststoffoberfläche erhöhen; das kann bei Polyethylen, Polypropylen und Polybutylenterephthalat beispielsweise durch Fluorierung geschehen, bei Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer und Polyoxymethylen durch Lichtbogenentladung zwischen zwei Elektroden (Corona- oder Ional-Behandlung) und bei Polyphenylensulfid und kohlenstoff- faserverstärktem Polyetherketon durch Aktivierung mit einem Plasma (einem ionisierten Gas).

Unsere Arbeiten haben gezeigt, daß durch eine solche Vorbehandlung selbst bei Kunststoffen, die als nicht klebbar galten, hervorragende Klebfestigkeiten erzielt werden können. Etliche Kunststoffe – zum Beispiel die löslichen – lassen sich allerdings mit lösungsmittelhaltigen Klebstoffen auch ohne Vorbehandlung kleben.

Die Entwicklung der Verfahren zur Vorbehandlung von Oberflächen geht dahin, die Umweltverträglichkeit zu erhöhen, ohne die Qualität der Klebung zu beeinträchtigen. Aus diesem Grunde werden heute naßchemische Verfahren, bei denen schädliche Abwässer anfallen, immer mehr durch trockenchemische oder hochenergetische ersetzt.

Ziel beim Kleben von Metallen und Kunststoffen – insbesondere in der Großserie – ist freilich der Verzicht auf jegliche Vorbehandlung. Tatsächlich sind, wie umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Metallklebtechnik gezeigt haben, auch unter diesen Umständen strukturelle, das heißt selbsttragende Klebungen möglich. Bei der Großserienfertigung liegen die denkbar ungünstigsten Voraussetzungen für die Klebtechnik vor. Eine Vorbehandlung der Bleche ist hier nicht praktikabel; außerdem müssen die Fügeteile während des Fertigungsprozesses noch mit Korrosionsschutzölen überzogen sein, die erst vor der Endveredlung entfernt werden können. Dennoch ist auch unter diesen Bedingungen, allerdings nur mit speziell entwickelten, heißhärtenden Klebstoffen, strukturelles langzeitbeständiges Kleben möglich.

Die Klebstoffe

Das Anforderungsprofil für technische Klebstoffe ist sehr hoch: Sie müssen dauerhaft und zuverlässig am Fügeteil haften und durch ihre innere Festigkeit die Klebung zu einem kräfteübertragenden Verbund machen. Dabei sind die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von Fügeteilen und Klebstoff, die Art der Fertigung sowie Randbedingungen für die Härtung zu berücksichtigen. Bei Metallklebungen soll der Klebstoff zudem meist noch elektrochemisch isolierend, das heißt korrosionshemmend wirken.

Um eine dauerhafte Adhäsion zwischen organischem Klebstoff und Fügeteil zu erzielen, benutzt man oft eine spezielle organische Zwischenschicht, die beständige Wechselwirkungen mit der Fügeteiloberfläche eingeht. Dieser Haftvermittler oder Primer wird sehr dünn aufgetragen, so daß er die mechanischen Eigenschaften der Klebung nicht beeinträchtigt. Die Haftung zwischen ihm und dem Klebstoff erfolgt über artgleiche Moleküle. Indem der Haftvermittler einen Teil des Anforderungsprofils übernimmt, kann der Klebstoff für die verbleibenden Aufgaben optimiert werden.

Bei allen heute technisch eingesetzten organischen Klebstoffen handelt es sich um Kunststoffe: Makromoleküle (Polymere), die durch chemische Reaktionen aus kleineren Molekülen (Monomeren, Oligomeren oder Präpolymeren) hervorgehen. Entsprechend ihrem chemischen Aufbau unterscheiden sie sich in ihren technologischen Eigenschaften. Einteilen kann man sie beispielsweise nach dem Mechanismus der Kohäsionsbildung in physikalisch abbindende und chemisch härtende Klebstoffe (Bild 4) oder nach der Anzahl der Komponenten in Ein- und Zweikomponenten-Klebstoffe (Bild 6).

Physikalisch abbindende Klebstoffe enthalten bereits das fertige Polymer. Der für die Adhäsion notwendige flüssige Zustand wird durch physikalische Prozesse wie Schmelzen oder Lösen beziehungsweise Dispergieren erzeugt. Der Klebstoff bindet ab, indem die Schmelze erstarrt oder das Lösungs- beziehungsweise Dispersionsmittel entweicht. Auch hier geht der Trend zu lösungsmittelfreien und damit umweltfreundlichen Systemen wie Klebstoffdispersionen oder Schmelzklebstoffen.

Außergewöhnlich feste und beständige Verbindungen erhält man mit chemisch härtenden Klebstoffen. Sie liegen im Ausgangszustand zähflüssig vor – normalerweise in monomerer oder präpolymerer Form – und verfestigen sich auf chemischem Wege; durch Verknüpfung reaktiver Molekülteile entsteht dabei eine (zumindest teilweise) vernetzte makromolekulare Substanz (Bild 5). Die vernetzten Polymere sind dann nicht mehr schmelzbar und normalerweise auch nicht löslich. Lediglich die Cyan-acrylate (sogenannte Sekundenklebstoffe) bilden ein nicht vernetztes, thermoplastisches Polymersystem.

Die chemische Reaktion darf selbstverständlich erst in der Klebfuge ablaufen. Bei Zweikomponentensystemen erreicht man dies durch Trennung der Reaktionspartner in Klebstoffharz und -härter. Bei Einkomponentensystemen dagegen dienen je nach Klebstoffbasis erhöhte Temperaturen, Bestrahlung, Zugabe von Feuchtigkeit oder Metallkontakt und Sauerstoffausschluß als Auslöser für die Reaktion. Hier nehmen die warmhärtenden Epoxidharze bis heute eine Spitzenstellung ein.

Warmhärtende Einkomponentenklebstoffe werden unter Anpreßdruck in der Klebfuge ausgehärtet, und die abgekühlte Klebung kann anschließend voll belastet werden. Diese Klebstoffe setzt man überall dort ein, wo höchste Belastungen zu erwarten sind. Beispiele sind das Einkleben von nassen Laufbuchsen in Dieselmotoren, das Aufkleben von Spurkränzen an Lokomotivrädern oder von Beschlägen an Glas, das Kleben von Magnetblechen in Linearmotoren sowie die Fertigung von Fahrradrahmen mittels Muffen-Rohr-Klebung. Vollständig geklebte Stahlblechkarosserien für Fahrzeuge sind in der Entwicklung und zum Teil schon verwirklicht. Neueste Untersuchungen zeigen, daß man mit speziellen warmhärtenden Epoxidharz- und Polyurethan-Klebstoffen selbst verölte Stahlbleche unter Großserienbedingungen strukturell langzeitbeständig verbinden kann, wobei die Stahlbleche zusätzlich elektrochemisch isoliert werden.

Besonders faszinierend sind anaerobe Klebstoffe. Sie werden als Gemisch aus Basisharz und Härtungsinitiator geliefert und bleiben flüssig, solange sie mit Sauerstoff beziehungsweise Luft in Berührung stehen. Erst wenn die Klebschicht im Fügespalt vom Luftsauerstoff abgeschlossen wird, härten sie aus, wobei Metalloberflächen diesen Vorgang katalysieren. Erst in jüngerer Zeit wurden diese Klebstoffe zu Konstruktionsklebstoffen weiterentwickelt – unter anderem durch unsere Arbeiten im Rahmen des Verbundvorhabens „Fertigungstechnologie Kleben“, das durch das Bundesministerium fur Forschung und Technologie gefördert wird. Ein interessantes Beispiel ist die geklebte Nockenwelle für den Automobilmotor, die inzwischen in Versuchsfahrzeugen erfolgreich getestet wurde (Bild 1).

Unter den meist kalthärtenden Mehrkomponenten-Klebstoffen gibt es ebenfalls hochfeste und nach der Härtung unschmelzbare und unlösliche – also elastomere oder duromere – Strukturklebstoffe. Einige werden inzwischen auch für hochbeanspruchte tragende Konstruktionsteile im Maschinenbau und ohnehin im Leichtbau wie dem Flugzeugbau eingesetzt.

Zu den neueren Systemen zählen Klebstoffe auf Basis von Polyaromaten wie Polyimiden, Bismaleinimiden oder Polybenzimidazolen. Sie zeichnen sich durch starke Vernetzung und hohe Wärmebeständigkeit aus: Im Dauereinsatz vertragen sie Temperaturen bis 260 und kurzfristig sogar bis 350 Grad Celsius. Die Aushärtung erfolgt in einem mehrstufigen Prozeß bei höheren Temperaturen. Da hierbei – ähnlich wie beim Phenolharz-Klebstoff – Kondenswasser frei wird, sind hohe Anpreßdrücke erforderlich. Gerade die Hochtemperaturbeständigkeit wird für Klebungen immer wichtiger. Dies macht die an unserem Institut entwickelten Polycyanurate besonders interessant. Dabei handelt es sich um vernetzte Polymere, die aufgrund eines speziellen Mechanismus vergleichsweise einfach auszuhärten sind. Obwohl ihr Entwicklungspotential bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist, zeigen sie bereits heute akzeptable Festigkeiten auch bei hohen Temperaturen.

Weitere interessante Neuentwicklungen sind die lichthärtenden beziehungsweise lichtaktivierbaren Klebstoffe. Bei ersteren muß mindestens ein Fügeteil für das die Polymerisation startende Licht durchlässig sein; bei lichtaktivierbaren Klebstoffen genügt es dagegen, den Rand der Klebfuge zu bestrahlen.

Die Klebfuge

Im Gegensatz zu Schraub- und Nietverbindungen werden bei Klebungen die Kräfte flächig und damit erheblich gleichmäßiger übertragen. Bei fachgerechtem Einsatz bleiben die Werkstoffeigenschaften des Fügeteils also nahezu unverändert und können maximal genutzt werden.

Im wesentlichen unterliegen Klebverbunde drei Arten mechanischer Beanspruchung: Zug-, Schäl- und Schubbeanspruchung (beim Zug wirkt die Kraft senkrecht, beim Schub parallel zur Klebfläche). Da Klebstoffe eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit haben und gerade gegenüber Schälkräften empfindlich sind, muß man solche Beanspruchungen konstruktiv vermeiden oder durch zusätzliche Verbindungsverfahren ausgleichen. Vergleichsweise gut halten Klebverbindungen dafür Schubkräften (man nennt sie auch Zugscherkräfte) stand, da hier die Kräfte sich über die gesamte Klebfläche relativ gleichmäßig verteilen. Da der Klebstoff eine gewisse Elastizität hat, treten an den Überlappungsenden der Klebfuge, an denen die Ausdehnungsunterschiede der Fügeteile unter Last am ausgeprägtesten sind, niedrigere Spannungsspitzen auf als bei anderen Fügeverfahren wie beispielsweise dem Nieten oder Schrauben.

Für Aluminium und Hochleistungs-Faserverbundkunststoffe werden heute mit speziellen Klebsystemen Zugscherfestigkeitswerte von 30 bis 40 Megapascal erreicht; in diesem Fall genügt eine Klebfläche von rund 3 Quadratzentimetern, um ein Gewicht von einer Tonne kurzfristig zu halten. Bei Industrieklebstoffen betragen die Werte etwa 10 bis 25 (zum Beispiel bei Stahl) und bei Low-level-Klebstoffen immerhin bis zu 10 Megapascal. Als Kunststoff neigt der Klebstoff allerdings dazu, Lastspitzen durch Kriechen auszugleichen. Deshalb erfordert eine hohe Langzeitbeständigkeit, daß Spannungsspitzen nicht zur Dauerbelastung werden, was durch Konstruktionsmaßnahmen erreicht wird.

Langzeitbeständigkeit

Die Beständigkeit konventionell gefügter Verbindungen hängt im wesentlichen nur von der mechanischen Beanspruchung ab. Bei geklebten Verbindungen wirken dagegen zusätzlich Umwelt-einflüsse, welche die Festigkeitseigenschaften des Materialverbundes mit der Zeit verändern können. Man muß deshalb vorab ermitteln, inwieweit etwa die Aufnahme von Wasser oder die Korrosion des Fügewerkstoffes (bei Metallen) Festigkeit und Adhäsion beeinflussen.

Wie bei anderen polymeren Werkstoffen kann auch beim Klebstoff Feuchtigkeit eindringen und das Material plastifizieren. Bedingt durch die außerordentlich geringe Diffusionsgeschwindigkeit des Wassers in der Klebfuge und die Möglichkeit der Rücktrocknung ist dieser Einfluß in der Praxis jedoch zu vernachlässigen. Die Kohäsion von Klebstoffen in der Klebfuge, die ungeschützt dem Wetter ausgesetzt sind, wird darum erfahrungsgemäß relativ wenig beeinflußt.

Die Feuchtigkeit wirkt aber auch auf die Adhäsion in der Grenzschicht zwischen Werkstoffoberfläche und Klebstoff ein und verändert sie in einem langsam verlaufenden Prozeß, so daß es unter Umständen schließlich zu einem Adhä-sionsbruch kommt. Bei einer Metallklebung kann das eingedrungene Wasser zugleich die Fügeteilekorrosion beeinflussen. In diesem Falle versagt die Klebung schon nach kurzer Zeit – besonders dann, wenn mit dem Wasser noch andere korrosionsfördernde Stoffe eingedrungen oder diese im Klebstoff selbst enthalten sind. Wenn man die gesamten Fügeteile und insbesondere deren Kanten schützt, ist dieser Einfluß in vielen Fällen jedoch zu beherrschen. Aus all diesen Gründen ist es jedenfalls unbedingt erforderlich, beim Prüfen von Klebungen nicht nur das Festigkeitsverhalten, sondern auch die Bruchbilder zu analysieren. Schließlich beeinflussen auch mechanische Belastungen die Wasseraufnahme. Wenn die Klebung über das zulässige Maß hinaus belastet wird, bilden sich irreversible Mikrorisse im Polymerverbund. Dadurch kann, wie Versuche mit Epoxidharzen gezeigt haben, die Feuchtigkeit schneller und in größeren Mengen eindringen und die Alterungsvorgänge beschleunigen.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich das Kleben, obwohl es eine noch junge Fügetechnik ist, bereits in vielen Bereichen der industriellen und handwerklichen Fertigung durchgesetzt hat. Sein großer Vorteil ist, daß man damit gleiche wie auch verschiedenartige Werkstoffe sicher und dauerhaft miteinander verbinden kann, ohne die technologischen Eigenschaften der Fügeteile zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht die Entwicklung völlig neuer Produkte. Generell geht der Trend in Richtung Spezialklebstoffe für den spezifischen Anwendungsfall, wobei gerade ökologische Aspekte immer mehr an Bedeutung gewinnen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1993, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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