FT1_09

Klebtechnik

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M. P.

Kartei Details

Zusammenfassung	Diese Lernkarten behandeln auf Universitätsniveau die Techniken und Prinzipien des Klebens, mit Fokus auf Klebstoffe, Schichten und Adhäsionsbedingungen. Sie decken Themen wie Oberflächenvorbereitung, Benetzungsverhalten, Kohäsionskräfte und die Eigenschaften verschiedener Klebstoffe ab. Besonders nützlich sind sie für Studierende und Fachleute in der Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, die sich mit Klebetechnologien und deren Anwendungen vertraut machen möchten.
Karten	31
Lernende	4
Sprache	Deutsch
Kategorie	Technik
Stufe	Universität
Erstellt / Aktualisiert	29.06.2015 / 28.06.2017
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Kartenliste

Basisfunktionen des Fügeverfahrens Kleben

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- Lage bestimmen

- Kräfte übertragen

- Dichten

Zusatzfunktionen des Fügeverfahrens Kleben

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- Dämpfung
- Energieaufnahme
- Schraubensicherung

- Leiten und Trennen

- Elektrizität

- Wärme

- Licht

- Fluide

Vorteile von Klebungen

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- Gleichmäßige Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtung

-hohe dynamische Festigkeit und hohe Schwingungsdämpfung

- keine thermische Gefügebeeinflussung

- kein thermisch bedingter Bauteilverzug

- Verbindungsmöglichkeit für verschiedenste Werkstoffe und Werkstoffkombinationen

-Verbindungsmöglichkeit für ein großes Spektrum an Fügeteilgeometrien

- Sowohl manuell anwendbar als auch gut automatisierbar

- Gute Kombinierbarkeit mit anderen Fügeverfahren

- Funktionelle Aufgaben in die Klebschicht integrierbar

Nachteile von Klebungen

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- Einfluss der Zeit auf den Verfahrensablauf

- Oberflächenvorbehandlung der Fügeteile

- Begrenzte thermische Formbeständigkeit

- Sorgfältige Prozesskontrolle

- Alterungsabhängigkeit der Klebschicht und Grenzschicht Aufwendige Kontrollverfahren

- Geringe Schälwiderstände, Kriechneigung

-Begrenzte Reparatur- und Demontagemöglichkeit

-Aufwendige Festigkeitsberechnungen

unterschiedliche Polyreaktionen

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Bei den allgemein als Polyreaktionen bezeichneten Reaktionsmechanismen zur Bildung von Polymeren unterscheidet man zwischen der Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation.

Aufbau organischer Klebstoffe

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Monomere ---Polyreaktion--> Polymere

Duromere
amorph
eng vernetzte Moleküle

Elastomere
amorph
schwach vernetzte Mol.

Thermoplaste amorph Fadenmoleküle

Thermoplaste teilkristallin Fadenmoleküle

Einteilung von Klebstoffen nach dem Abbindemechanismus

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chemisch reagierend

physikalisch abbindend

Die Einteilung der Klebstoffe nach dem Abbindemechanismus unterliegt den folgenden Kriterien:

Molekülzustand zu Beginn des Klebens: Bei den chemisch reagierenden Systemen liegen reaktionsbereite Monomer- bzw. Prepolymermoleküle vor, welche z.B. unter Anwendung von Druck zeit- und/oder Temperaturabhängig reagieren, während die physikalisch abbindenden Systeme bereits aus Polymer-verbindungen bestehen, welche über Lösungsmittel oder erhöhte Temperaturen in einen benetzungsfähigen Zustand gebracht werden.

Anzahl der an der Reaktion beteiligten Komponenten: Bei den chemisch reagierenden Systemen bewirken in der Regel zwei miteinander gemischte Reaktionspartner die Klebschichtbildung, während physikalisch abbindende Systeme in der Regel nur aus einer Komponente, dem bereits im endgültigen Zustand befindlichen Polymer bestehen.

Wichtige physikalisch abbindende Klebstoffe

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Der Abbindevorgang physikalisch abbindender Klebstoffe beruht auf einer reversiblen „fest-flüssig“ Zustandsänderung. Daher kommen für diesen Prozess Thermoplaste zum Einsatz. Die Abbildung zeigt hier die Unterteilung in Dispersionsklebstoffe, Lösungsmittelklebstoffe und Schmelzklebstoffe, sowie den typischen Benetzungszustand und den Abbindemechanismus. Die einzelnen Klebstoffarten werden im Folgenden genauer beschrieben.

Anwendungsbeispiele Lösungsmittelklebstoffe

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Kontaktklebstoffe

- Abhängigkeit zwischen Kontaktklebezeit und Anfangsfestigkeit

- Im allgemeinen hohe Anfangsfestigkeit

Haftklebstoffe

- Permanente Klebrigkeit

- Anfangsfestigkeit = Endfestigkeit

Nassklebstoffe

- Geringe Anfangsfestigkeit (Justierung noch möglich)

- Keine Klebrigkeit nach max. Trockenzeit

Vorteile Schmelzklebstoffe

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- kurze Abbindezeiten --> hohe Produktionsgeschwindigkeiten

- Klebstoff leicht verarbeitbar

- Auftragsprozess gut automatisierbar

- Einfache Handhabung

- Hohe Anfangsfestigkeiten

- Lange Haltbarkeit des Rohmaterials

Chemisch abbindende Klebstoffe

Einflussgrößen

- Zeit

- Temperatur

- Druck

Chemisch abbindende Klebstoffe Eigenschaften

Im Gegensatz zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen ist der Abbindevorgang chemisch reagierender Klebstoffe ein irreversibler Prozess. Chemisch reagierende Klebstoffe zeichnen sich i.a. durch eine hohe Beanspruchbarkeit aus. Strukturelle Klebungen, welche in der Lage sind hohen mechanischen Belastungen zu widerstehen, werden unter anderem durch diese Klebstoffart realisiert. Die Aushärtung des Klebstoffes geschieht über Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation bei genauer Prozesskontrolle bezüglich der Parameter Zeit, Temperatur und Druck.

Epoxidharze

- hohe Festigkeit (80N/mm2) und gute Adhäsion
- gute Alterungsbeständigkeit
- Verarbeitungseigenschaften (z.B. Viskosität und Topfzeit) einstellbar

Universell einsetzbar insbesondere unter hohen Belastungen!

Aufbau einer Klebung

Der Aufbau einer Klebung bzw. einer Grenzschicht lässt sich grob in Fügeteiloberfläche, Adhäsionszone und Kohäsionszone unterteilen. In der Kohäsionszone liegt der Klebstoff in seinem üblichen Zustand vor. In der Adhäsionszone werden die Haftungskräfte des Klebstoffes mit der Fügeteiloberfläche ausgebildet. Sie weist eine modifizierte chemische Struktur und Zusammensetzung auf. Folglich weichen auch die makroskopischen Klebstoffeigenschaften von denen in der Kohäsionszone ab.

In der Übergangszone verändern sich Struktur, Zusammensetzung und makroskopische Eigenschaften des Klebstoffes kontinuierlich, wie zum Beispiel die Entmischung durch Diffusion kleiner Klebstoffbestandteile und die Ausrichtung der Molekülketten.

Kohäsion von Klebstoffen

Wirkmechanismen

chemische Bindungen innerhalb der Klebstoff-Polymere
chemische Bindungen die zur Vernetzung des Polymers führen
zwischenmolekulare Wechselwirkungen zwischen den Klebstoff-Molekülen
mechanische Verklammerung verschiedener Klebstoff-Moleküle

Adhäsion Wirkmechanismen:

mechanische Adhäsion

- Formschlüssige Verklammerung der Klebschicht im Fügeteil

- i.d.R.kaum relevanter Einfluss auf die Klebfestigkeit außer bei porösen Werkstoffen (Holz, Schäume, etc.)

spezifische Adhäsion

- chemische und zwischenmolekulare Bindungen

- i.d.R. irreversibler Prozess

Mechanische Adhäsion:

Hierbei handelt es sich vorwiegend um eine formschlüssige Verankerung der aus einer flüssigen Phase gebildeten Klebschicht in Poren, Kapillaren sowie Hinterschneidungen.

Spezifische Adhäsion:

Hierunter werden die auf chemischen, physikalischen und thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten beruhenden Adhäsionserscheinungen verstanden. Sie stellen die wesentliche Ursache für die Ausbildung der Adhäsionskräfte in Klebungen dar. Der Wirkungsbereich liegt bei ca. 0,2-1 nm.

Brucharten von Klebungen

- Adhäsionsbruch

- Kohäsionsbruch

- gemischter Adhäsions- und Kohäsionsbruch

- Schälung

Oberflächenaufbau von Fügeteilwerkstoffen

welche Schichten müssen vor dem Kleben entfernt werden?

Ausgehend von dem Grundwerkstoff mit seiner je nach Herstellungsbedingungen spezifischen Gefüge- bzw. Polymer-struktur und Festigkeit sind zu unterscheiden:

Die Grenzschicht, mit gegenüber dem Grundwerkstoff veränderten physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften, z.B. verursacht durch eine nachträgliche Verformung.

Die Reaktionsschicht, entstanden durch eine natürliche oder künstliche chemische Veränderung der Grenzschicht.

Die Adsorptionsschicht, gebildet durch Aufnahme artfremder Moleküle (z.B. Wasser, Gase). Im Gegensatz zu der Reaktionsschicht handelt es sich hierbei um eine weitgehend reversible Schichtbildung.

Verunreinigungen, die sich in nicht zu definierender Schichtdicke in Form fester (Staub, Schmutz) oder flüssiger (Öle, Fette, Feuchtigkeit) Substanzen auf der Oberfläche befinden können.

Oberflächenvorbereitung

Das Ziel der Oberflächenvorbereitung ist die Herstellung klebbarer Flächen, die Oberflächenvorbehandlung dient zur Verbesserung der Adhäsionsbedingungen während die Oberflächennachbehandlung zur Erhaltung oder sogar zur weiteren Verbesserung der Adhäsionsbedingungen angewendet wird.

Säubern

Unter Säubern ist das Entfernen von anhaftenden Schichten wie Schmutz, Rost, Lacken etc. zu verstehen. Die Säuberung wird meist über mechanische Verfahren (Bürsten, Schleifen) realisiert.

Klebfläche herstellen

Das wesentliche Ziel dieses Schrittes ist das Erreichen gleichmäßiger Klebschichtdicken bzw. paralleler Klebfugen. Dies geschieht z.B. durch Entfernen von Graten oder Richten der Fügeteile.

Entfetten

Nur fettfreie Oberflächen ermöglichen eine einwandfreie Benetzung des Klebstoffs. Auch bei Durchführung einer mechanischen Oberflächenvorbehandlung ist ein vorheriges Entfetten erforderlich. Gängige Entfettungsverfahren sind beispielsweise der Auftrag von Lösungsmittel oder eine Dampf-Entfettung.

diverse Oberflächenvorbehandlungsmöglichkeiten

Mechanisch
- Strahlen, Schleifen

- Bürsten, Skelettieren

Physikalisch
- Corona-Verfahren

- Niederdruck-,Atmosphärenplasmabehandlung

Chemisch
- Beizen, Trockenätzen

- Ozonisieren, Fluorieren

pyhsikalisch-chemisch

- Ionenätzen

- Beflammen

Klimatisierung
- Klimaanlagen

- Klimaschränke

Haftvermittler

- Silane

Primer (Konservierung)

- Abdeckfolien

- Lösungen

Verbesserung der Adhäsionsbedingungen

Grundsätze der konstruktiven Gestaltung von Klebverbindungen

- Kleben braucht Fläche

- Zentrischen Kraftangriff anstreben

- Spannungsspitzen vermeiden

Vermeidung unzulässig hoher Schälbeanspruchung

- zusätzliches Nieten/ Schrauben

- Umfalzen

- Flächenvergrößerung

- Steifigkeitserhöhung

Welche Belastungsarten treten auf und wie gut können Klebverbindungen diese Belastung aushalten?

Scherung (exzentrisch) --> sehr gut

Scherung (zentrisch) --> sehr gut

Schälung --> schlecht

Spaltung --> schlecht

Torsion --> sehr gut

Zug --> okay

Welche Maßnahmen müssen ergriffen werden vor einer Klebung?

• Oberflächenvorbereitung
• Oberflächenvorbehandlung
• Oberflächennachbehandlung

Benetzungsverhalten

Im Gegensatz zu Metallen besitzen Kunststoffe eine niedrige Oberflächenenergiedifferenz zu Klebstoffen. Dies führt zu einer schlechten Benetzungsfreudigkeit der Kunststoffe.

Oberflächenvorbehandlungsmethoden von Kunststoffen

- Nasschemisches Beizen

-Corona Verfahren

- Beflammen

- Skelletieren

- Niederdruck Plasma

- Atmosphären Plasma

Nennen Sie die 4 wesentlichen Wirkmechanismen, die für die Ausbildung der Kohäsionskräfte verantwortlich sind und ordnen Sie diese den entsprechenden Ziffern zu!

guckst du...

Erläutern Sie, warum für die Ausbildung der spezifischen Adhäsionskräfte eine gute Benetzung der Fügeteiloberflächen von besonderer Bedeutung ist!

Eine Annäherung zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche auf molekularer Ebene ist aufgrund der kurzen Reichweite chemischer und physikalischer Bindungsarten die notwendige Voraussetzung für die Ausbildung ausreichender Haftungskräfte.

Da einem armen Maschinenbau-Studenten sein BAFÖG gekürzt wurde, arbeitet er

nebenbei für eine Werbeagentur und hat die Aufgabe an sämtlichen Nachtklubs in Aachen Werbeaufkleber für das neueste Bier-Mix Getränk aufzukleben. An der aus verzinktem Stahl bestehenden Tür des Nachtklubs „Starfuchs B7“ scheinen die Aufkleber allerdings nicht zu halten. Aus der Vorlesung „Schweißtechnik I“ lernt er nun, dass der Oberflächenaufbau von Fügeteilwerkstoffen aus mehreren Schichten besteht. Einige dieser Schichten müssen für die „Herstellung von klebbaren Flächen“ entfernt werden.

Nennen sie diese Schichten und kreuzen sie an, ob die genannten Schichten für das „Herstellen von klebbaren Flächen“ entfernt werden müssen.

Verunreinigungen X

Adsorptionsschicht X

Reaktionsschicht (X)

Grenzschicht

Grundgefüge

Reaktionsschicht der verzinkten Tür muss nicht zwangsläufig entfernt werden, da Oxidstruktur gute Haftung zum Grundmaterial besitzt.

Zwei Wochen nach dem erfolglosen Versuch des Studenten, beauftragt ihn die Werbefirma erneut Aufkleber des Bier-Mix Getränkes an sämtlichen Nachtklubs zu befestigen. Nach einer erfolgreichen Oberflächenvorbereitung hält der Aufkleber auch an der Problemtür.

Der Nachtklubbesitzer ist verärgert über Werbeaufkleber, welche regelmäßig und unerlaubt an der Glastür seines Klubs angebracht werden. Um den Vandalen den Spaß zu verderben beschichtet der passionierte Kunststoffexperte seine Tür mit Polypropylen. Erläutern sie, warum die Klebbarkeit nun erneut deutlich abnimmt.

Polypropylen hat eine sehr geringe Oberflächenenergie --> schlechte Benetzung

Polypropylen ist sehr unpolar --> schlechte Haftkräfte

Der Student fühlt sich nun herausgefordert. Wie könnte er die Adhäsionsbedingungen auf der mit Polypropylen beschichteten Oberfläche verbessern.

Oberflächenvorbehandlung durchführen. Zum Beispiel:
Plasmabehandlung, Nasschemisches Beizen, Corona-Verfahren, Skelletieren

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