Kleben
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DIN 8593-8 |
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| Bereich | Fertigungsverfahren Fügen |
| Titel | Kleben |
| Kurzbeschreibung: | Einordnung, Unterteilung, Begriffe |
| Letzte Ausgabe | 2003-09 |
| ISO |
Kleben bezeichnet ein Fertigungsverfahren aus der Hauptgruppe Fügen. Wie Schweißen und Löten gehört auch das Kleben zu den stoffschlüssigen Fügeverfahren der Fertigungstechnik. Durch Kleben werden Fügeteile mittels Klebstoff stoffschlüssig verbunden.
Grundlagen
Der Klebstoff haftet an der Fügeteiloberfläche durch physikalische (selten auch chemische) Wechselwirkungen. Dieses Phänomen der Haftung wird auch Adhäsion genannt. Anders als Schweißen oder Löten gehört die Klebtechnik zu den wärmearmen Fügeverfahren. Auch findet beim Kleben kein Diffusionsprozess zwischen Zusatzwerkstoff und Fügeteil statt. Daher weisen Klebverbindungen immer geringere Festigkeiten als Lötverbindungen auf. Diese auf den ersten Blick nachteilige Eigenschaft kann jedoch durch großflächige Klebungen kompensiert werden. Dies bedingt eine dem Kleben angepasste Konstruktion und Gestaltung der Klebestelle.
Technisch betrachtet ist das Kleben ein Fügeverfahren, welches nahezu alle Werkstoffe miteinander und untereinander verbinden kann. Dabei ist die Klebtechnik besonders schonend, da sie keiner großen Hitze bedarf, welche Verzug, Abkühlspannungen oder Gefügeveränderung der Fügeteile zur Folge haben kann. Zum Kleben werden auch keine schwächenden Löcher in den Fügeteilen benötigt, wie etwa beim Schrauben oder Nieten. Außerdem wird beim Kleben die Kraft flächig vom einen zum anderen Fügeteil übertragen.
Die technische Umsetzung des Klebens ist anspruchsvoll. Das hat folgende Gründe: Die mechanische Belastbarkeit der Haftung in der Grenzschicht zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche sowie die Beständigkeit derselben und andere qualitätsbestimmende Eigenschaften können nicht zerstörungsfrei geprüft werden. Daher muss der Klebprozess technisch so gut beherrscht werden, dass man sich auf das Ergebnis ohne vollständige Prüfung verlassen kann. Besonders erfolgsrelevant ist die Fähigkeit, auf dem Fügeteil einen haftungsfreundlichen, verlässlichen und reproduzierbaren Oberflächenzustand erzeugen zu können.
Fügeverfahren
Eine Klebverbindung besteht aus den beiden Fügeteilen und der dazwischen liegenden Klebschicht. An den Phasengrenzflächen kommt es nach der Benetzung, die eine bedeutende Rolle spielt, zu Wechselwirkungen (Physisorption, Chemisorption) und mechanischem Formschluss. Zusammengenommen sind diese drei Effekte für die Haftkraft (Adhäsion) verantwortlich. Für eine optimale Benetzung muss der Klebstoff während des Fügevorgangs flüssig sein. Seine innere Festigkeit (Kohäsion) gewinnt er schließlich durch physikalische Abbindevorgänge oder durch chemische Reaktion. Eine Besonderheit stellt die Gruppe der Haftklebstoffe dar, welche ständig flüssig bleiben und nicht aushärten, allerdings zäh werden.
Die Kombination von Klebverbindungen mit thermischen oder mechanischen Fügeverfahren (beispielsweise Punktschweißen, Nieten, Durchsetzfügen) wird als Hybridfügen bezeichnet.
Vorbehandlung, Klebstoffauswahl und Prüfung
Die richtige Vorbehandlung der Klebstellen z.B. durch Entfetten, die werkstoffgerechte Auswahl eines Klebstoffes sowie die anschließende Prüfung von Klebeverbindungen sind wichtige Arbeitsschritte für eine erfolgreiche Klebung.
Vorteile des Klebens gegenüber herkömmlichen Verbindungsverfahren
- großflächige Verbindungen (zur Herstellung von Laminaten oder zur Bauteilversteifung) gegenüber anderen Fügeverfahren vergleichsweise einfach herstellbar
- gleichmäßige Spannungsverteilung und Kraftübertragung über die gesamte Klebfläche bei klebgerechter Gestaltung der Verbindung. Wirksam bei statischer und dynamischer Belastung. Beim Schrauben und Nieten entstehen Spannungsspitzen an den Verbindungselementen, während der Raum dazwischen kaum zur Kraftübertragung beiträgt.
- unveränderte Oberfläche und Gefügestruktur: Durch die beim Schweißen auftretenden Temperaturen kann es zu Änderungen der Gefügestruktur und der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe kommen. Ebenso wird beim Nieten und Schrauben die sichtbare Oberfläche verändert. Beim Kleben bleibt die Oberfläche unverändert, was zu optimalen optischen und aerodynamischen Eigenschaften führt. Durch die Verbindung auf der ganzen Fläche und der Elastizität des Klebstoffs ist die Schwingungsdämpfung einer Klebfuge besser als bei geschweißten, geschraubten oder genieteten Verbindungen.
- Gewichtsersparnis: Besonders im Leichtbau werden Klebstoffe gerne eingesetzt, da hier Teile von geringer Stärke (bis 0.5 mm) verbunden werden können. Dies ist durch thermische Fügeverfahren problematisch bis unmöglich.
- dichtende Verbindungen: Klebstoffe können auch gleichzeitig als Dichtstoff für Gase und Flüssigkeiten dienen. Die Klebstoffschicht verhindert das Eindringen von Kondenswasser und eine damit verbundene Korrosion.
- Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe: Durch Klebstoffe können Werkstoffe gefügt werden, die einem thermischen Fügeverfahren nicht zugänglich sind (Glas-Metall, Holz-Metall, Aluminium-Stahl). Durch die (üblicherweise) elektrische und thermische Isolation durch den Klebstoff wird die Bildung von Lokalelementen und die damit verbundene Kontakt-Korrosion bei Metallen verhindert.
- Zu verbindende Werkstücke werden nicht beschädigt: Eine Klebverbindung erfordert keine Veränderung der Werkstücke und kann in vielen Fällen ohne Beschädigung der Werkstücke rückgängig gemacht werden.
- keine Erwärmung der zu verbindenden Werkstücke erforderlich
- Kein Wärmeverzug oder -spannungen in den verbundenen Werkstücken
- Zusätzlicher Freiheitsgrad: Die Auswahl des Klebstoffes trägt entscheidend zum mechanischen Verhalten des Bauteils bei.
- Vibrationsdämpfung
- Ölabsorption bei der Heißhärtung
Nachteile des Klebens
- Anspruchsvolle Umsetzung: Die Herstellung einer Klebverbindung erfordert einen im Vergleich zu den anderen Verfahren höheren Aufwand, um eine gute Verbindung zu erzielen. Der Klebstoff und die Oberflächenvorbehandlung müssen auf die zu verbindendenen Werkstoffe abgestimmt werden, die zu erwartenden Beanspruchungen müssen bekannt sein. Wirkt auf ein geklebtes Bauteil dauerhaft eine statische Belastung ein, kann es aufgrund der geringen Zeitstandfestigkeit einiger Klebstoffe zum Kriechen und so zum Versagen kommen. Des Weiteren sind die vorgegebenen Verarbeitungsschritte exakt einzuhalten.
- Alterung: Wie jedes organische Material unterliegt auch der Klebstoff einer Alterung, welche die Gebrauchsdauer einer Klebung einschränken kann. Für die Alterung sind mechanische (statische und dynamische Kräfte), chemische (Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Reinigungsmittel, Salze, Sauerstoff, ...), physikalische (Wärme, UV- und andere Strahlung) und biologische (Schimmelpilze) Einflüsse verantwortlich.
- Kontrollverfahren. Für eine bestehende Klebverbindung gibt es kein Verfahren, um zum Beispiel Festigkeit oder Verformbarkeit zerstörungsfrei zu prüfen. Diese Eigenschaften sind nur durch zerstörende Prüfverfahren an Referenzproben, die unter gleichen Bedingungen hergestellt wurden, zugänglich.
- Klebung ist temperaturbegrenzt: Bei tiefen Temperaturen Versprödung, bei hohen Temperaturen zunächst Erweichung, bei weiterer Erwärmung schließlich Schmelzen (bei unvernetzten Polymeren) oder Degradation (bei vernetzten Polymeren).
- Viele Klebstoffe und Betriebsstoffe (z.B. Reinigungsmittel, Haftvermittler u.a.), die im Klebprozess zum Einsatz kommen, sind Gefahrstoffe.
Technische Anwendungen (Auswahl)
- Fenstergläser und Windschutzscheibe in KFZ, damit wird das Glas eine mechanische Komponente der Karosserie
- mit dem Rumpf verklebte Tragwerke bei Flugzeugen. Klebungen wurden erstmals in der Fokker F-27 in den 1960er Jahren eingesetzt.
- bei Zahnersatz: Verkleben von Brücken, Kronen, Verblendschalen und Inlays
- oberflächenmontierte, elektronische Bauelemente Surface Mounted Device (SMD) werden erst auf die Platine geklebt und dann verlötet
- kupferkaschierte Leiterplatten (Platinen)
- in Form von Klebebändern
- Schäften von Holzteilen
Kleben in Industrie und Handwerk
Mit dem zunehmenden Einsatz der Klebtechnik in Industrie und Handwerk entstand, ähnlich wie dies bei anderen Fügeverfahren mit hohen Anforderungen an die Prozessführung der Fall ist, ein Bedarf an qualifizierenden Weiterbildungsmaßnahmen für Personal, welches an Entwicklung, Herstellung und Reparatur geklebter Produkte beteiligt ist. Diesem Bedarf wurde mit der Einführung eines dreistufigen Weiterbildungskonzeptes begegnet. Die Weiterbildung zum Klebpraktiker, zur Klebfachkraft und zum Klebfachingenieur ist in harmonisierten Richtlinien des DVS (für Deutschland) bzw. des EWF (für Europa) festgelegt. Mit der im Jahre 2003 erschienenen DVS-Richtlinie DVS-3310 werden die betrieblichen Anforderungen bei der Durchführung klebtechnischer Prozesse geregelt.
Im Jahr 2007 trat mit der Veröffentlichung der DIN 6701 (Kleben von Schienenfahrzeugen und -fahrzeugteilen) erstmals eine Vorschrift in Kraft, nach welcher für eine ganze Branche die Qualitätsstandards klebtechnischer Anwenderbetriebe festgelegt, Konstruktionsvorgaben gemacht sowie Ausführungsregeln und die Qualitätssicherung von Klebprozessen festgeschrieben wurden.
Kleben im Alltag
Im Büroalltag ist das Kleben eine gebräuchliche Praxis, um
- Papierausschnitte neu zusammenzufügen
- Papier oder anderes klebfähiges Material an Türen, Wänden und anderen Stellen zu befestigen.
Dies kann mit Hilfe von Flüssigklebstoffen oder mit einem Klebeband geschehen.
Weiterhin ist das Laminieren eine Fertigungstechnik im Büroalltag, die auf dem Kleben basiert.
Literatur
- Walter Brockmann u.a.: Klebtechnik. Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren, Wiley-VCH, Weinheim 2005, ISBN 3-527-31091-6
- Wilhelm Endlich: Kleb- und Dichtstoffe in der modernen Technik. Praxishandbuch der Kleb- und Dichtstoffanwendung, Vulkan-Verlag, Essen 1998, ISBN 3-8027-2183-7
- Gerhard Gierenz, Frank Röhmer: Klebstoffe. Arbeitsbuch Kleben und Klebstoffe, Cornelsen-Verlag, Düsseldorf 1991, ISBN 3-590-12939-5
- Gerd Habenicht Kleben. Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Springer, Heidelberg 2005, ISBN 3-540-26273-3
- Gerd Habenicht Kleben - erfolgreich und fehlerfrei, Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-24969-2
- Industrieverband Klebstoffe e. V.: Handbuch Klebtechnik, Vieweg, Wiesbaden
- 2004/2005, 2004, ISBN 3-528-56004-5
- Elastisches Kleben ISBN 3-478-93192-4 Verlag moderne Industrie*
- Elastisches Kleben auf dem Bau ISBN 3-478-93245-9 Grundwissen mit dem Know-how führender Unternehmen*
- DICHTUNGSTECHNIK JAHRBUCH 2007, ISBN 978-3-9811509-0-2, Kiefer/Berger
- BOND it - Nachschlagewerk zur Klebtechnik, 2007, ISBN 978-3-00-020649-8, DELO Industrie Klebstoffe
- DVS-3310 Qualitätsanforderungen in der Klebtechnik, Februar 2012, DVS Media GmbH (Richtlinie)
- DIN 6701 Kleben von Schienenfahrzeugen und -fahrzeugteilen, 2007, Beuth-Verlag, Berlin (Norm)
- Detlef Symietz; Andreas Lutz: Strukturkleben im Fahrzeugbau. Eigenschaften, Anwendungen und Leistungsfähigkeit eines neuen Fügeverfahrens in Die Bibliothek der Technik, S. 7-13, S. 27, S. 37, S. 68, Verlag Moderne Industrie, 2006, ISBN 978-3-937889-43-6