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Konstruktionsbetrachtungen bei Klebeverbindungen

Loctite Worldwide Design Handbook

Die Festigkeit und Langzeitbeständigkeit von Klebeverbindungen wird vorrangig durch folgende Parameter beeinflusst:

  • Klebstoff
  • Werkstoff
  • Einsatzbedingungen
  • Klebefugengeometrie
  • Belastung

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Klebstoffs bestimmen Adhäsionsvermögen und die innere Festigkeit von Klebeverbindungen. Ebenso hängt die Langzeitbeständigkeit stark von der Art des Klebstoffs ab. Die unterschiedlichen Klebstofftechnologien stellen nicht nur unterschiedliche Festigkeitsklassen und Elastizitätsmodule zur Auswahl, sondern bieten auch die Wahl der besten Adhäsionseigenschaften.

Häufig stellen die Werkstoffe und ihre Oberflächenbeschaffenheit die ersten Auswahlkriterien hinsichtlich des optimalen Klebstoffs oder der Klebefugengestaltung dar, aber auch die Steifigkeit der Bauteile und die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe sind wichtige Kriterien für die Auswahl des am besten geeigneten Klebstoffs.

Die Einsatzbedingungen der Klebeverbindung (Temperatur, Chemikalien, Lösungsmittel und Feuchtigkeit) beeinflussen die Klebstoffauswahl unmittelbar. Hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit sind die Einsatzbedingungen und die einwirkenden Kräfte die wichtigsten Parameter.

Die Klebefugengestaltung wird als wichtigster Parameter für den optimalen Einsatz eines Klebstoffs angesehen. Die Gestaltung muss den Limitationen des Klebstoffs angepasst (z. B. Durchhärtetiefe, Spaltfüllung) werden. Dadurch vermeidet man ungünstige Belastungen für die Klebeverbindung (Spalt- und Schälbeanspruchung).

Kräfte und resultierende Beanspruchungen

Die auf Klebeverbindungen einwirkenden Kräfte führen zu unterschiedlichen Arten von Spannungen, normalerweise angegeben in N/mm². Im Fall reiner Zug- und Druckbelastung ist die Spannungsverteilung in der Klebefuge sehr gleichmäßig. Somit wirkt auf jeden Teil der Klebefläche dieselbe Belastung und zur Berechnung der Spannungen wird die Kraft einfach durch die Klebefläche geteilt. In der Realität treten reine Zug- und reine Druckbeanspruchungen nur sehr selten auf, aber Scher-, Spalt- und Schälbeanspruchungen treten häufiger in Erscheinung. Die daraus resultierende Spannungsverteilung in der Klebefuge ist ungleichmäßig und daher für eine bestimmte Stelle der Verbindung schwieriger zu kalkulieren. Scherbeanspruchungen verteilen sich in der Klebefuge auf eine Weise, dass Spannungsspitzen auftreten. Die Endpunkte der Klebung müssen einer höheren Belastung standhalten als deren Mitte. Werden Klebeverbindungen Spalt- oder Schälbeanspruchungen ausgesetzt, konzentriert sich der größte Teil der Belastung an einem Endpunkt.

Konstruktion von Klebeverbindungen

Ziel einer optimalen Klebefugengestaltung ist es, eine gleichförmige Spannungsverteilung zu erzielen. Aus diesem Grund müssen Konstrukteure gute Kenntnisse darüber besitzen, wie in Klebefugen die Spannungsverteilung erfolgt. Bei der Konstruktion von Klebeverbindungen sind einige Leitlinien zu beachten.

Die Spalt- und Schälbeanspruchung ist auf ein Mindestmaß zu reduzieren

Die Spannungsverteilung in Abb. 93 lässt erkennen, dass Schäl- und Spaltbeanspruchungen nach Möglichkeit auszuschließen sind.

Abb. 94 zeigt einige Vorschläge, wie Schäl- oder Spaltbelastungen in günstigere Belastungen umgewandelt werden können.

Abb. 93: Die häufigsten Belastungsarten und ihre Spannungsverteilung in der Klebefuge
Abb. 94: Schälbeanspruchungen und konstruktive Gegenmaßnahmen
Die Klebefläche ist bis zum Höchstmaß zu vergrößern

Ein weitere einfache, aber sehr wichtige Möglichkeit Klebefugen zu verbessern oder eine Konstruktion so zu verändern, dass sie sich für das Kleben eignet, ist, die Klebefläche zu vergrößern. Häufig ist die Klebefläche so klein, dass eine zu hohe Schäl- oder Spaltbelastung entsteht. Die Steifigkeit der Bauteile und des Klebstoffs beeinflusst die Bruchlast von Klebeverbindungen. Im Allgemeinen gilt: Je steifer ein Bauteil, desto geringer der Einfluss der Klebefugengeometrie auf die Festigkeit der Klebung.

Abb. 95: Günstige und weniger günstige Beanspruchungen von Klebeverbindungen. Je größer die Klebefläche, desto besser.

Optimierung überlappter Klebefugen

Exzentrische Krafteinleitungen sind zu vermeiden:

Eine einfach überlappte Klebeverbindung zeigt aus verschiedenen Gründen keine gleichmäßige Schubspannungsverteilung. Ein Grund sind die exzentrisch angreifenden Kräfte, die bei einer solchen Verbindung ein Biegemoment verursachen. Dieses Biegemoment ruft zusätzliche Zugspannungen hervor, insbesondere an den Endpunkten der Klebung. Wie Abb. 97 zeigt, lassen sich die negativen Auswirkungen des Biegemoments auf unterschiedliche Weise verringern.

Erhöhung der Klebefugenbreite:

Die Schubspannungsverteilung wird durch die Verbreiterung der Klebefuge nicht verändert. Dies bedeutet, dass die Bruchlast von überlappten Klebeverbindungen proportional mit der Klebefugenbreite zunimmt. Das heißt, eine doppelte Klebefugenbreite führt zur Verdoppelung der Bruchlast, wie es in Abb. 98 dargestellt ist.

Optimierung der Überlappung:

Eine Optimierung der Fugenüberlappung bedeutet nicht einfach, die Klebefuge auf ein Höchstmaß zu verlängern, da sich die Bruchlast nicht proportional mit der Klebefugenlänge oder der Klebefläche erhöht. Aus der Verteilungskurve der Scherbeanspruchung ist ersichtlich, dass die Enden einer Klebung einer höheren Beanspruchung standhalten als die Mitte der Klebefuge. Wird die Überlappungslänge deutlich erhöht, hat dies möglicherweise nur geringe oder gar keine Auswirkungen auf die Bruchlast. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Klebefuge an der Spannungsspitze am Endpunkt der Überlappung, dort wo die Adhäsions- oder Kohäsionsfestigkeit des Klebstoffs überschritten wird, zu brechen beginnt.

Abb. 96: Deformation einer einfach überlappten Verbindung durch exzentrisch wirkende Kräfte
Abb. 97: Verschiedene Möglichkeiten zur Beseitigung von Problemen aufgrund exzentrisch wirkender Kräfte

Klebeschichtdicke:

Mit größerer Klebstoffschichtstärke können Klebeverbindungen gegenüber Scherbeanspruchungen besser elastisch nachgeben. Die zusätzliche Dicke verteilt die Scherbelastung über einen größeren Bereich. Dies führt zu einer geringeren spezifischen Verformung des Klebstoffs und folglich zu einer Verringerung von Spannungsspitzen. Dies ist mit der Verwendung eines Klebstoffs mit geringerem E-Modul vergleichbar; in beiden Fällen entsteht eine stärker elastisch nachgebende Klebeverbindung.

Abb. 99 zeigt, dass mit Erhöhung der Überlappungslänge der Durchschnittswert der Schubspannung verringert wird und dies führt zu einer nichtproportionalen Erhöhung der Bruchlast. Sind größere Klebeflächen erforderlich, um die Belastung zu tragen, ist es sinnvoller, die Breite der Klebefuge zu vergrößern als deren Überlappungslänge.

Abb. 98: Die Bruchlast erhöht sich proportional mit der Vergrößerung der Klebefugenbreite.
Abb. 99: Eine Erhöhung der Überlappungslänge führt zu einer nichtproportionalen Erhöhung der Bruchlast.
_____ = reale Spannungsverteilung
– – – – – = Mittelwert der Spannung

Besondere Anforderungen an das Kleben von Kunststoffteilen

Unter den Begriff „Kunststoff“ fallen viele synthetische Werkstoffe. Für deren Klassifizierung gibt es einige Möglichkeiten.

Die wohl einfachste ist eine grobe Unterteilung in drei Grundtypen:
  • Duroplaste
  • Thermoplaste
  • Elastomere
Diese einfache Unterteilung ist jedoch ungeeignet für eine Abgrenzung der Klebbarkeit. Der unterschiedliche chemische Aufbau der jeweiligen Kunststoffe und die daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften sind die entscheidenden Einflußgrößen für die Klebetechnik.

Wie bei allen zu klebenden Werkstoffen müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

  1. Der Klebstoff muss den Kunststoff benetzen können, das heißt, die Oberflächenenergie des Kunststoffs muss größer oder gleich der Oberflächenspannung des Klebstoffs sein.
  2. Die Oberfläche des Kunststoffs muss adhäsionsfreundliche Eigenschaften aufweisen, das heißt, eine chemische und physikalische Wechselwirkung in der Grenzschicht zwischen Klebstoff und Oberfläche zeigen.

Wird eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, ist der betreffende Kunststoff häufig für das Kleben ungeeignet. Wird keine der Bedingungen erfüllt, kann der Kunststoff nicht ohne eine Vorbehandlung geklebt werden.

Einfluss von Kunststoffoberflächen

Bei Kunststoffen besteht oft das Problem, dass die Volumeneigenschaften (die Eigenschaften des Basismaterials an sich) nicht den Oberflächeneigenschaften entsprechen. Dies kann auf die Rezeptur des Kunststoffs und/oder den Herstellungsprozess zurückzuführen sein. Eine energiearme Oberflächenschicht hat eine geringe Festigkeit der Klebeverbindung zur Folge, unabhängig vom verwendeten Klebstoff.

Kunststoffe mit niedermolekularen Bestandteilen

Zahlreiche Kunststoffe enthalten niedermolekulare Bestandteile. Hierzu zählen Stabilisatoren, nichtreaktionsfähige Bestandteile, Lösungsmittelrückstände, Weichmacher und verschiedene Füllstoffe. All diese Bestandteile können das Kleben beeinflussen, wenn sie auf der Oberfläche vorhanden sind. Viele von ihnen neigen dazu, an die Oberfläche zu wandern (Migration) und sich dort anzusammeln. Auf diese Weise bildet sich eine separate Schicht auf der Oberfläche des Basismaterials, welche die potentielle Festigkeit der Klebung deutlich verringert oder eine Klebung sogar verhindert.

Interne und externe Formtrennmittel

Interne und externe Formtrennmittel werden eingesetzt, um ein einfaches Entformen von gespritzten oder gepressten Kunststoffteilen zu gewährleisten. Formtrennmittel werden als „intern“ bezeichnet, wenn sie dem Granulat bereits beigemischt sind und während der Verarbeitung des Kunststoffs ihre Wirkung entfalten. Sie erzeugen häufig Oberflächen, die nur schwer oder gar nicht geklebt werden können. Diese Formtrennmittel können im gesamten Kunststoff verteilt sein, sodass ein Abschleifen der Oberfläche möglicherweise wirkungslos ist.
„Externe“ Formtrennmittel hingegen werden in die offene Form gesprüht. Sie basieren auf Paraffinen, Seifen und Ölen (z. B. Silikonöl). Diese Formtrennmittel können sich nicht nur auf der Oberfläche sondern auch in Schichten nahe der Oberfläche befinden. Mechanisches Aufrauen (z. B. Schmirgeln) stellt die wirksamste Vorbehandlung für solche Oberflächen dar.

Verarbeitungsbedingte Oberflächeneigenschaften

Während des Formens von Kunststoffteilen können Oberflächenstrukturen und somit „Oberflächeneigenschaften“ entstehen, die sich von den Eigenschaften des „Basismaterials“ unterscheiden. Sie werden als Spritzhaut bezeichnet. Es handelt sich dabei um glatte, verdichtete Oberflächen, normalerweise mit inneren Spannungen. Je stärker eine Spritzhaut ausgeprägt ist, umso schlechter sind ihre Klebeeigenschaften. Ihre Wirkung ist mit einer den Grundwerkstoff bedeckenden Schutzbeschichtung vergleichbar. Die einfachste und wirksamste Art der Vorbehandlung besteht in der Zerstörung dieser Oberflächenschicht durch mechanisches Entfernen, z. B durch Schmirgeln oder Schleifen.

Spannungsrissbildung bei thermoplastischen Kunststoffen

Amorphe, thermoplastische Kunststoffe ohne Füllstoff neigen bei Kontakt mit bestimmten Flüssigkeiten (Lösungsmitteln) zur Rissbildung. Dies wird häufig auch als „Spannungsrisskorrosion“ bezeichnet. Die anfälligsten Kunststoffe sind Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) und Polystyrol (PS). Es kommt zur Rissbildung durch das Zusammenwirken zweier Umstände:

Im Werkstück müssen gewisse Spannungen vorhanden sein. In den meisten Kunststoffteilen sind sie aufgrund der Verarbeitung bereits in Form von „eingefrorenen“ Spannungen vorhanden oder sie entstehen durch das Einwirken externer Kräfte.
Ein niedermolekulares Medium wirkt auf das Teil ein (z. B. Aceton oder Alkohol).
Auch Klebstoffe können, solange sie im flüssigen Zustand sind, Spannungsrisskorrosion verursachen.

Unerwünschte Eigenschaften bei Klebevorgängen
Verfahren der Oberflächenbehandlung
Niedermolekulare Bestandteile an der Oberfläche
  • Reinigen mit geeigneten Lösungsmitteln bzw. Reinigern
  • Mechanisch entfernen (Schmirgeln oder Schleifen)
Interne Formtrennmittel an der Oberfläche
  • Reinigen mit wässrigen, basischen Reinigern
Externe Formtrennmittel an der Oberfläche
  • Mechanisch entfernen (Schmirgeln oder Schleifen)
  • Mit geeigneten Reinigern entfernen
Spritzhaut
  • Mechanisch entfernen

Möglichkeiten zur Vermeidung von Rissbildung

Durch folgende Maßnahmen oder durch die Wahl eines anderen Kunststoffs kann die Rissbildung bei Kunststoffen während des Klebevorgangs weitgehend vermieden werden:

  • Tempern der Kunststoffteile, wodurch interne Spannungen abgebaut werden.
  • Teile beim Fügen nicht klemmen, pressen oder deformieren; dies erzeugt Spannungen von außen.
  • Einsatz schnellhärtender Klebstoffe, die das lösungsmittelartige Einwirken des flüssigen Klebstoffs reduzieren, womit die Spannungsrisskorrosion minimiert wird.
  • Bei Einsatz von Cyanacrylaten sparsame Dosierung des Klebstoffs, sodass sich kein Klebstoffüberschuss an den Rändern der Klebefuge bildet, oder Verwendung eines Aktivators, um überschüssigen Klebstoff auszuhärten.
  • Bei Einsatz von UV-aushärtenden Klebstoffen ist zu gewährleisten, dass die Aushärtung in der Klebefuge durch UV-Licht unmittelbar nach dem Auftragen des Klebstoffs erfolgt. Schattenbereiche, in denen der Klebstoff flüssig bleibt, sind zu vermeiden.
  • Anaerobe Klebstoffe sind für ungefüllte amorphe thermoplastische Werkstoffe ungeeignet.

Zusammenfassung der Problemlösungen für das Kleben von Kunststoffteilen

Oft können mehrere störende Effekte gleichzeitig auftreten. In vielen Fällen haben sich mechanische Oberflächenbehandlungen als die wirksamste und umfassendste Lösung erwiesen. Das Verfahren ändert die Oberflächenstruktur auf eine für die Klebung positive Art und Weise und die effektive Klebefläche vergrößert sich durch ihre Rauigkeit.

Physikalische und chemische Verfahren der Oberflächenvorbehandlung werden in Fällen eingesetzt, in denen sich das Kleben von Kunststoffen als schwierig oder unmöglich erwiesen hat, um eine bessere Verbindung zwischen Klebstoff und Oberfläche zu erzielen.

Kleben mit Loctite-Klebstoffen

Loctite-Klebstoffe sind Reaktionsklebstoffe. Sie werden in flüssiger Form aufgetragen und reagieren unter geeigneten Bedingungen zu Feststoffen (Aushärtung). Der ausgehärtete Klebstoff ist ein Kunststoff. Loctite-Klebstoffe besitzen folgende Aushärtemechanismen und daraus resultierende Eigenschaften:

Anaerobe Klebstoffe:

Sie reagieren unter Sauerstoffausschluss und Metallkontakt. Die Klebefläche muss mindestens 5 mm breit sein, um den Ausschluss von Sauerstoff zu gewährleisten. Anaerobe Klebstoffe von Loctite beweisen ihre Qualität beim Schraubensichern, bei Welle-Nabe-Verbindungen und beim Dichten. Bei Klebeanwendungen werden sie gewählt, wenn die zu klebenden Bauteile verwindungssteif sind und die Klebefuge auf weniger als 0,5 mm beschränkt ist. Aufgrund des Aushärtemechanismus werden sie vorwiegend bei Metallen verwendet.

Modifizierte Acrylate:

Sie härten bei Sauerstoffausschluss und Kontakt mit einem Aktivator aus. Bei diesen Klebstoffen treten keine Probleme hinsichtlich der Topfzeit wie bei gemischten Komponenten oder der „offenen Zeit“ auf, da der Klebstoff nur bei Kontakt mit einem Aktivator aushärtet. Die Klebefläche muss mindestens 5 mm breit sein, um den Ausschluss von Sauerstoff zu gewährleisten. Verglichen mit anaeroben Klebstoffen besitzen sie eine bessere Schlagzähigkeit und Schälfestigkeit sowie zudem eine gute Adhäsion zu zahlreichen Werkstoffen.

UV-aushärtende Loctite-Klebstoffe:

Sie reagieren bei Bestrahlung mit UV-Licht. Eine wichtige Voraussetzung dabei ist, dass das UV-Licht die gesamte Klebefläche erreichen kann. Hierzu muss mindestens ein Fügeteil für die geeignete Wellenlänge des UV-Lichtes durchlässig sein. UV-Lampen von Loctite sind hinsichtlich Intensität und Strahlungsspektrum auf die Klebstoffe abgestimmt. Die wichtigsten Highlights dieser Klebstofffamilie sind sehr schnelles Aushärten, gutes Spaltfüllvermögen und Adhäsion zu zahlreichen Werkstoffen.

Cyanacrylate:

Sekundenkleber härtet zwischen zwei eng anliegenden Klebeflächen sehr schnell aus. Die kondensierte Feuchtigkeit auf den Fügeflächen initiiert die Aushärtereaktion, die von der Werkstoffoberfläche zur Mitte des Klebespaltes verläuft. Cyanacrylate werden für das Kleben kleiner Teile ausgewählt, und um äußerst kurze Fixierzeiten zu erzielen. Wegen ihres eingeschränkten Spaltfüllvermögens (max. 0,25 mm) erfordern sie genau passende Oberflächen. Ihre Adhäsion zu den meisten Werkstoffen ist ausgezeichnet und die Klebefestigkeit bei Scher- und Zugbelastung ist sehr gut. Sie sind weder auf Glas noch bei Teilen zu verwenden, die über längere Zeiträume Wasser ausgesetzt sind.

Urethane:

Einkomponentige Urethan-Klebstoffe härten durch Luftfeuchtigkeit zu einem Elastomer aus. Die Polymerisation wird durch die Reaktion der Feuchtigkeit mit einem Isocyanat-Komplex ausgelöst. Hierdurch wird die Durchhärtetiefe auf ca. 10 mm beschränkt. Der ausgehärtete Klebstoff ist äußerst zäh-elastisch, verfügt über mittlere bis hohe Kohäsionsfestigkeit und ist überlackierbar.

Silikone:

Sie härten typischerweise durch Reaktion mit Luftfeuchtigkeit aus, obwohl auch Formulierungen verfügbar sind, die durch Bestrahlung mit UV-Licht aushärten. Silikone unterscheiden sich aufgrund der Spaltprodukte, die beim Aushärten durch die Reaktion mit Luftfeuchtigkeit entstehen (z. B. Essigsäure, Alkohol oder Oxim). Das ausgehärtete Silikon ist ein sehr flexibles Material mit ausgezeichneter Adhäsion zu zahlreichen Werkstoffen. Die Witterungsbeständigkeit ist hervorragend; unpolare Lösungsmittel rufen jedoch leicht einen Quellvorgang hervor.

Oberflächenvorbereitung

Geklebte Verbindungen werden durch einen unvollständigen Kontakt von Klebstoff und Werkstoff nachteilig beeinflusst. Eine angemessene Vorbehandlung der Oberflächen und die richtige Wahl des Klebstoffs stellen den Erfolg der Klebung sicher. Unterschiedliche Vorbehandlungsprozesse, von der einfachen mechanischen Reinigung und der chemischen Entfettung bis zur komplexen physikalischen Oberflächenbehandlung, sind möglich.

Die Oberflächenvorbereitung ist der kritischste Schritt beim Herstellen einer Klebeverbindung. Bei unzureichender Oberflächenvorbereitung kommt es zwangsläufig zu einem nicht vorhersehbaren Versagen der Klebeverbindung in der Grenzfläche von Fügeteil und Klebstoff. Bei zweckdienlicher Oberflächenvorbereitung können Klebungen hergestellt werden, die der angegebenen Festigkeit des Klebstoffs und/oder der Primerkombination entsprechen. Außerdem ist die Oberflächenvorbehandlung sowohl für die Anfangsfestigkeit einer Klebeverbindung als auch für ihre Langzeitbeständigkeit unter den Einsatzbedingungen ein Schlüsselfaktor.

Als Mindestanforderung müssen Verfahren der Oberflächenvorbereitung Öl, Fett oder sonstige Schichten entfernen, deren Haftfestigkeit zum Grundwerkstoff geringer als die der Klebeverbindung ist. Bei zahlreichen Fügeteilen aus Metall und Kunststoff bedient man sich des einfachen Abschleifens und/oder des Abwischens mit Lösungsmitteln. Bei einigen Metallen ist diese einfache Oberflächenbehandlung jedoch unzureichend, um eine gute Adhäsion oder eine Langzeitbeständigkeit zu erzielen.

Beständigkeit

Bei der Wahl eines Klebstoffs für einen bestimmten Anwendungsfall ist einer der wichtigsten Faktoren die Umgebung, in der die Klebeverbindung eingesetzt werden soll. Natürlich ist die von der Verbindung aufzunehmende Kraft der wichtigste Faktor, da die Klebeverbindung der erwarteten maximalen Beanspruchung (ohne übermäßiges Kriechen) standhalten und die dynamischen Dauerbelastungen aufnehmen muss. Wechselbeanspruchungen, vor allem langsame, schaden einer Klebeverbindung sehr viel mehr als eine konstante Dauerlast. Der für ausgewählte Klebstoff muss diesen Lasten und Beanspruchungen standhalten können, und zwar nicht nur zu Beginn, sondern auch nach anhaltender Einwirkung der härtesten Betriebsbedingungen, die während ihrer Lebensdauer auftreten können. Wärme und Feuchtigkeit stellen in der Regel die schädlichsten Umwelteinflüsse für die meisten Klebeverbindungen dar.

Spannungen aufgrund sehr unterschiedlicher Wärmeausdehnung zweier Materialien, wie dies z. B. bei Kunststoff-Metall-Klebeverbindungen der Fall sein kann, erfordern zäh-elastische (nicht spröde) Klebstoffe mit niedrigem E-Modul, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Andere Faktoren, die die Beständigkeit von Klebeverbindungen beeinflussen, sind Lösungsmittel und UV-Licht. Es empfiehlt sich, grundsätzlich einen Klebstoff zu wählen, der gegen diese Faktoren beständig ist. Es sollte davon abgesehen werden, die Klebefuge mit einer Schutzschicht zu überziehen, die rissig oder mit der Zeit durchlässig für Lösungsmittel oder Feuchtigkeit werden kann.

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