Kleben KT4
Kunststofftechnik 4
Kunststofftechnik 4
Abbindmechanismen: (2)
- Physikalisch
- Chemisch (Reaktionsklebstoffe)
Physikalisch abbindende Klebstoffe: (4 Klebstoffarten)
- Lösungsmittelklebstoffe (in organischen Mitteln gelöst) --> Verdunsten
- Dispersionsklebstoffe (in Wasser dispergiert) --> Verdunsten
- Schmelzklebstoffe (plastifizierte Masse) --> Erstarren
- Kontaktklebstoffe (mit oder ohne Lösungsmittel)
Chemisch abbindende Klebstoffe: (2 Klebstoffarten)
- 1-Komponentenklebstoffe
Wärme- oder Feuchtigkeitsreagierend
- 2-Komponentenklebstoffe
Reaktionsmittel und Binder (Härter & Harz)
Härtung durch: Polymerisation, -addition, oder -kondensation
Reaktionsverlauf 2-K Klebstoffe:
abhängig von: (4)
- Temperatur
- Mischverhältnis
- Ansatzmenge
- Qualität der Durchmischung
Hinweise für die Verklebung von PE, PP:
- Ungünstige Klebeeigenschaften (mit Sekundenkleber (1-K) oder Epoxydkleber (2-K) möglich)
- ansonsten nur klebbar wenn intensive Oberflächenbehandlung erfolgte
Hinweise für Verklebung von PA:
- gut klebbar, auch ohne Vorbehandlung
- Übliche Kleber: Epoxid (2-K), Sekundenkleber (1-K), PUR-basierte (1-K)
Vorteile Klebverbindungen: (8)
- fast alle Werkstoffe miteinander klebbar
- grossflächige Kraftverteilung in Wirkfläche --> Ausnutzung Werkstoffeigenschaften, gleichmässige Kraftverteilung
- kleine, dünne, komplizierte Geometrien klebbar
- Zusatznutzen: el./ therm./Korosoions- Isolation, schwingungsdämpfend, abdichtend,
- leicht zu erlernen
- flexible Anpassung beim Fertigungsablauf, bei geringen Stückzahlen keine besonderen Geräte erforderlich
- materialschonende Verarbeitungstemperaturen
- Möglichkeiten für Konstruktionselemente im Leichtbau (Sandwichbauweise)
Nachteile Klebverbindungen: (4)
- Aushärtezeit
- begrenzte therm. Belastbarkeit
- Festigkeit der Verklebung hauptsächlich von Oberflächengüte der zu verklebenden Teile abhängig (Zum Teil aufwendige Vorbehandlung nötig)
- Festigkeit der Verklebung nimmt über Zeit ab
Aufbau von Klebverbindungen:
siehe Bild
Klebepraktikum: Wieso hält die einfache Überlappung besser, als die einfache Lasche?
Faustformel: Mehrfache, einseitige Richtungsänderung des Kraftverlaufes wirkt sich negativ auf die Festigkeit aus.
Hinweise für die Konstruktion:
- Vermeidung der linienförmigen Krafteinwirkung
- gut: Zugscher-, Druck- und Zugbeanspruchung --> Kraft wirkt auf grosse Klebefläche
- schlecht: Schäl- und Spaltbeanspruchung --> nur linienförmige Verklebung (geringe Festigkeit)
Berechnung:
Belastung von Kunststoffpaarung:
Spannungsspitzen an den Überlappungsenden der Klebung mindern die Tragfähigkeit einer Klebverbindung.
- Kunststoffpaarung: Belastbar nur 10 - 60 %
Abminderungsfaktoren für unterschiedliche Belastungsfälle:
- ungefähre Berechnung der zulässigen Spannung
.
Prüfmethoden zum Ermitteln von Kunststoffklebungen: (5)
+ Belastungsart der Klebung
+ für welche Klebungen geeignet
- Zugscherversuch (Flächenbelastung - steife Bauteile)
- Rollschälversuch (Linienbelastung - flexible und steife Bauteile)
- T-Peel Test (Linienbelastung - flexible Bauteile)
- Druckscherprüfung (Flächenbelastung - steife Kunststoffklebungen)
- Stirnabreissversuch (Flächenbelastung)
Strukturelles Kleben:
- gleichmässige Spannungsverteilung von Klebungen --> möglichst steifes Bauteil
- verwendet im Leichtbau
- spannungsgerechte Verbindungen zwischen verschiedenen Werkstoffen
Kombination von Dichten und Kleben:
- Spalten geringer statischer Belastung --> plastisch verformbare Klebstoffe
- Spalten mit grossen Bewegungen --> elastisch verformbare Kunststoffe
Funktion: Dichten, Kleben, Korrosionsschutz
Verfahrenskombination:
- Durchsetzfügen und Kleben
- Durch zusätzliche Fixierung (Niete) --> Aushärtung zeitunabhängiger
- Abdichtung --> reduzierung Korrosionsanfälligkeit
- Erhöhung dynamischer Stabilität und Schalldämmung
Kleben on Demand:
- Integration der Klebstoffschicht in das Bauteil (Mehrkomponentenspritzgiessen)
- Thermische Aktivierung des Haftvermittlers/ Schmelzklebers (elektrisches Wechselfeld)
- Fügen mit dem Substrat (Kunststoff, Alu, Edelstahl)
Anwendungen im Automobilbereich:
- Ziel
Ziel: Verbesserung
- der Sicherheit
- des Fahrverhalten
- des Fahrtkomfort
Anwendungen im Automobilbereich:
- Einsatz
- 15 kg Klebstoff bei Limousine
im Karosseriebau:
- Steifigkeit der Konstruktion
- Verbesserung des Crashverhaltens
- Geräusche und Vibrationen dämpfen
- Gewicht einsparen
Doppelseitige Klebebänder auf Acrylbasis (Anstelle von Klebstoff, Clips, Klemmprofilen)
- Vorbereitung beim Zulieferer
- Montage: nur Schutzfolie entfernen
- demontierbar
Definition Klebstoff:
nichtmetallischer Werkstoff verbindet Körper durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion)
Definition Kleben:
Herstellung einer festen Verbindung zweier Teile durch synthetischen Werkstoff:
- physikalisches Abbinden oder chemische Reaktion (Aushärten)
- Oberflächenhaftung (Adhäsion) und zwischenmolekulare Kräfte (Kohäsion)
Definition Klebverbindung:
feste, meist unlösbare, stoffschlüssige Verbindung (homogene und heterogene Werkstoffpaarung).
Auf alle Kunststoffgruppen anwendbar!
3 Brucharten:
- Adhäsionsbruch: Kleber haftet schlecht
- Kohäsionsbruch: Kleber bricht mittig auf
- Fügeteilbruch: Bauteil bricht
4 Einflussparameter auf Klebefestigkeit:
- Werkstoff
- Klebstoff
- Fertigung
- Beanspruchung
5 Alterungsprozesse:
- mech. Einflüsse
- chem. Einflüsse (Öle, Fette, Reinigungsmittel..)
- therm. Einflüsse
- Strahlung (Sonneneinstrahlung..)
- Wanderung der Additive (Additive im Kunststoff wandern in Klebstoff oder sammeln sich zwischen Klebstoff und Kunststoff)
3 Haftmechanismen:
- Mechanische Haftung (Verklammerung, Formschluss)
- Gegenseitige Durchdringung der Polymerketten (-molekülen)
- Bindung der Klebstoffmolekülen an der Fügeoberfläche (Van der Waals Kräfte, Kovalente Bindungen (Atombindung), Wasserstoffbrücken, Ionische Bindung)
3 Haftmechanismen:
- Mechanische Haftung (Verklammerung, Formschluss)
- Gegenseitige Durchdringung der Polymerketten (-molekülen)
- Bindung der Klebstoffmolekülen an der Fügeoberfläche (Van der Waals Kräfte, Kovalente Bindungen (Atombindung), Wasserstoffbrücken, Ionische Bindung)
Benetzung und Haftung:
Oberflächenspannung des Klebstoffs muss kleiner sein als die des Bauteils!
- glatte und unpolare Oberflächen verringern die Benetzbarkeit der Klebstoffe auf dem Bauteil
Oberflächenspannung:
Reihe folgende Werkstoffe richtig ein (kleinste Oberflächenenergie zuerst):
ABS, PA, PC, PE, PET, PMMA, PP, PBT, PTFE, LCP, Kupfer, Eisen
PTFE (18.5 mN/m)
PP
PE
LCP, PC
PMMA, PBT, ABS
PET
PA (49...57 mN/m)
Kupfer (1300)
Eisen (1650)
Bestimmung Oberflächenspannung:
2 Verfahren
- Schnelltest mit Tinte verschiedener bekannter Oberflächenspannungen
- Liegender Tropfen -> Messen des Winkels der Tangente am Tropfenrand
- statisch: ruhender Tropfen
- dynamisch: mit Kanüle, Messung beim Austreten/ Absaugen
Wahre Kleb-Oberfläche abhängig von: (2)
- Wirksame Oberfläche (Viskosität und Oberflächenspannung des Klebstoffs hat Einfluss auf Eindringtiefe in Oberfläche)
- Oberflächenstruktur (Abhängig von Oberflächenbehandlung: spanende, spanlose Formgebung)
+ Anpressen erhöht die wirksame Oberfläche
Oberflächen Vorbehandlung: (7)
- Reinigung
- Mechanisch
- Primer, Haftvermittler
- Chemikalien
- Beflammen
- Plasma
- Corona
Aufgabe Reinigung:
- Entfetten
- Entfernen von Schmutzpartikel
- Reinigungsmittel darf Bauteil nicht angreifen!
Aufgabe Mechanisch:
- hartnäckiger Schmutz entfernen
- Oberfläche vergrössern
- Oberflächenstruktur ändern
Aufgabe Primer, Haftvermittler:
- Durch Zwischenschicht gute Haftung zwischen Bauteil-Primer-Klebstoff
Aufgabe flüssiger/ gasförmiger Chemikalien:
- chemische Zusammensetzung der Oberfläche wird verändert
- Oberflächenstruktur gegebenfalls auch
Aufgabe Beflammen:
- hohe Temperatur beseitigt Schmutz und verflüssigt oberste Oberflächenschicht
--> chemische Zusammensetzung der Oberfläche und Oberflächenstruktur wird verändert
Aufgabe Plasma:
- durch hochfrequenten Wechselstrom entsteht Plasma (Wechselfeld zwischen Elektroden)
--> Oberflächenzusammensetzung wird verändert
Aufgabe Corona:
- gerichtete elektrische Entladung (Elektroden) werden auf Oberfläche geschossen
--> Polymerketten werden aufgebrochen --> Radikale --> Radikale reagieren mit Umgebung --> neue Oberfläche
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Cartes-fiches
Definition Klebstoff:
nichtmetallischer Werkstoff verbindet Körper durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion)
Definition Kleben:
Herstellung einer festen Verbindung zweier Teile durch synthetischen Werkstoff:
- physikalisches Abbinden oder chemische Reaktion (Aushärten)
- Oberflächenhaftung (Adhäsion) und zwischenmolekulare Kräfte (Kohäsion)
Definition Klebverbindung:
feste, meist unlösbare, stoffschlüssige Verbindung (homogene und heterogene Werkstoffpaarung).
Auf alle Kunststoffgruppen anwendbar!
3 Brucharten:
- Adhäsionsbruch: Kleber haftet schlecht
- Kohäsionsbruch: Kleber bricht mittig auf
- Fügeteilbruch: Bauteil bricht
4 Einflussparameter auf Klebefestigkeit:
- Werkstoff
- Klebstoff
- Fertigung
- Beanspruchung
5 Alterungsprozesse:
- mech. Einflüsse
- chem. Einflüsse (Öle, Fette, Reinigungsmittel..)
- therm. Einflüsse
- Strahlung (Sonneneinstrahlung..)
- Wanderung der Additive (Additive im Kunststoff wandern in Klebstoff oder sammeln sich zwischen Klebstoff und Kunststoff)
3 Haftmechanismen:
- Mechanische Haftung (Verklammerung, Formschluss)
- Gegenseitige Durchdringung der Polymerketten (-molekülen)
- Bindung der Klebstoffmolekülen an der Fügeoberfläche (Van der Waals Kräfte, Kovalente Bindungen (Atombindung), Wasserstoffbrücken, Ionische Bindung)
3 Haftmechanismen:
- Mechanische Haftung (Verklammerung, Formschluss)
- Gegenseitige Durchdringung der Polymerketten (-molekülen)
- Bindung der Klebstoffmolekülen an der Fügeoberfläche (Van der Waals Kräfte, Kovalente Bindungen (Atombindung), Wasserstoffbrücken, Ionische Bindung)
Benetzung und Haftung:
Oberflächenspannung des Klebstoffs muss kleiner sein als die des Bauteils!
- glatte und unpolare Oberflächen verringern die Benetzbarkeit der Klebstoffe auf dem Bauteil
Oberflächenspannung:
Reihe folgende Werkstoffe richtig ein (kleinste Oberflächenenergie zuerst):
ABS, PA, PC, PE, PET, PMMA, PP, PBT, PTFE, LCP, Kupfer, Eisen
PTFE (18.5 mN/m)
PP
PE
LCP, PC
PMMA, PBT, ABS
PET
PA (49...57 mN/m)
Kupfer (1300)
Eisen (1650)
Bestimmung Oberflächenspannung:
2 Verfahren
- Schnelltest mit Tinte verschiedener bekannter Oberflächenspannungen
- Liegender Tropfen -> Messen des Winkels der Tangente am Tropfenrand
- statisch: ruhender Tropfen
- dynamisch: mit Kanüle, Messung beim Austreten/ Absaugen
Wahre Kleb-Oberfläche abhängig von: (2)
- Wirksame Oberfläche (Viskosität und Oberflächenspannung des Klebstoffs hat Einfluss auf Eindringtiefe in Oberfläche)
- Oberflächenstruktur (Abhängig von Oberflächenbehandlung: spanende, spanlose Formgebung)
+ Anpressen erhöht die wirksame Oberfläche
Oberflächen Vorbehandlung: (7)
- Reinigung
- Mechanisch
- Primer, Haftvermittler
- Chemikalien
- Beflammen
- Plasma
- Corona
Aufgabe Reinigung:
- Entfetten
- Entfernen von Schmutzpartikel
- Reinigungsmittel darf Bauteil nicht angreifen!
Aufgabe Mechanisch:
- hartnäckiger Schmutz entfernen
- Oberfläche vergrössern
- Oberflächenstruktur ändern
Aufgabe Primer, Haftvermittler:
- Durch Zwischenschicht gute Haftung zwischen Bauteil-Primer-Klebstoff
Aufgabe flüssiger/ gasförmiger Chemikalien:
- chemische Zusammensetzung der Oberfläche wird verändert
- Oberflächenstruktur gegebenfalls auch
Aufgabe Beflammen:
- hohe Temperatur beseitigt Schmutz und verflüssigt oberste Oberflächenschicht
--> chemische Zusammensetzung der Oberfläche und Oberflächenstruktur wird verändert
Aufgabe Plasma:
- durch hochfrequenten Wechselstrom entsteht Plasma (Wechselfeld zwischen Elektroden)
--> Oberflächenzusammensetzung wird verändert
Aufgabe Corona:
- gerichtete elektrische Entladung (Elektroden) werden auf Oberfläche geschossen
--> Polymerketten werden aufgebrochen --> Radikale --> Radikale reagieren mit Umgebung --> neue Oberfläche
Vorbehandlung, Kriterien zum Erfolg: (2)
- Nach Vorbehandlung direkt weiterverarbeiten !Nicht Lagern! (Wirkung nimmt mit der Zeit ab)
- kein Kontakt mit unerwünschten Stoffen (Fett, Dreck, Staub...) - Nicht anfassen
Ablauf Kleben: (4)
1. Entfetten
2. Oberflächen Vorbehandlung
3. Fügen und Pressen
4. Aushärten, Abbinden
Abbindmechanismen: (2)
- Physikalisch
- Chemisch (Reaktionsklebstoffe)
Physikalisch abbindende Klebstoffe: (4 Klebstoffarten)
- Lösungsmittelklebstoffe (in organischen Mitteln gelöst) --> Verdunsten
- Dispersionsklebstoffe (in Wasser dispergiert) --> Verdunsten
- Schmelzklebstoffe (plastifizierte Masse) --> Erstarren
- Kontaktklebstoffe (mit oder ohne Lösungsmittel)
Chemisch abbindende Klebstoffe: (2 Klebstoffarten)
- 1-Komponentenklebstoffe
Wärme- oder Feuchtigkeitsreagierend
- 2-Komponentenklebstoffe
Reaktionsmittel und Binder (Härter & Harz)
Härtung durch: Polymerisation, -addition, oder -kondensation
Reaktionsverlauf 2-K Klebstoffe:
abhängig von: (4)
- Temperatur
- Mischverhältnis
- Ansatzmenge
- Qualität der Durchmischung
Hinweise für die Verklebung von PE, PP:
- Ungünstige Klebeeigenschaften (mit Sekundenkleber (1-K) oder Epoxydkleber (2-K) möglich)
- ansonsten nur klebbar wenn intensive Oberflächenbehandlung erfolgte
Hinweise für Verklebung von PA:
- gut klebbar, auch ohne Vorbehandlung
- Übliche Kleber: Epoxid (2-K), Sekundenkleber (1-K), PUR-basierte (1-K)
Vorteile Klebverbindungen: (8)
- fast alle Werkstoffe miteinander klebbar
- grossflächige Kraftverteilung in Wirkfläche --> Ausnutzung Werkstoffeigenschaften, gleichmässige Kraftverteilung
- kleine, dünne, komplizierte Geometrien klebbar
- Zusatznutzen: el./ therm./Korosoions- Isolation, schwingungsdämpfend, abdichtend,
- leicht zu erlernen
- flexible Anpassung beim Fertigungsablauf, bei geringen Stückzahlen keine besonderen Geräte erforderlich
- materialschonende Verarbeitungstemperaturen
- Möglichkeiten für Konstruktionselemente im Leichtbau (Sandwichbauweise)
Nachteile Klebverbindungen: (4)
- Aushärtezeit
- begrenzte therm. Belastbarkeit
- Festigkeit der Verklebung hauptsächlich von Oberflächengüte der zu verklebenden Teile abhängig (Zum Teil aufwendige Vorbehandlung nötig)
- Festigkeit der Verklebung nimmt über Zeit ab
Aufbau von Klebverbindungen:
siehe Bild
Klebepraktikum: Wieso hält die einfache Überlappung besser, als die einfache Lasche?
Faustformel: Mehrfache, einseitige Richtungsänderung des Kraftverlaufes wirkt sich negativ auf die Festigkeit aus.
Hinweise für die Konstruktion:
- Vermeidung der linienförmigen Krafteinwirkung
- gut: Zugscher-, Druck- und Zugbeanspruchung --> Kraft wirkt auf grosse Klebefläche
- schlecht: Schäl- und Spaltbeanspruchung --> nur linienförmige Verklebung (geringe Festigkeit)
Berechnung:
Belastung von Kunststoffpaarung:
Spannungsspitzen an den Überlappungsenden der Klebung mindern die Tragfähigkeit einer Klebverbindung.
- Kunststoffpaarung: Belastbar nur 10 - 60 %
Abminderungsfaktoren für unterschiedliche Belastungsfälle:
- ungefähre Berechnung der zulässigen Spannung
.
Prüfmethoden zum Ermitteln von Kunststoffklebungen: (5)
+ Belastungsart der Klebung
+ für welche Klebungen geeignet
- Zugscherversuch (Flächenbelastung - steife Bauteile)
- Rollschälversuch (Linienbelastung - flexible und steife Bauteile)
- T-Peel Test (Linienbelastung - flexible Bauteile)
- Druckscherprüfung (Flächenbelastung - steife Kunststoffklebungen)
- Stirnabreissversuch (Flächenbelastung)
Strukturelles Kleben:
- gleichmässige Spannungsverteilung von Klebungen --> möglichst steifes Bauteil
- verwendet im Leichtbau
- spannungsgerechte Verbindungen zwischen verschiedenen Werkstoffen
Kombination von Dichten und Kleben:
- Spalten geringer statischer Belastung --> plastisch verformbare Klebstoffe
- Spalten mit grossen Bewegungen --> elastisch verformbare Kunststoffe
Funktion: Dichten, Kleben, Korrosionsschutz
Verfahrenskombination:
- Durchsetzfügen und Kleben
- Durch zusätzliche Fixierung (Niete) --> Aushärtung zeitunabhängiger
- Abdichtung --> reduzierung Korrosionsanfälligkeit
- Erhöhung dynamischer Stabilität und Schalldämmung
Kleben on Demand:
- Integration der Klebstoffschicht in das Bauteil (Mehrkomponentenspritzgiessen)
- Thermische Aktivierung des Haftvermittlers/ Schmelzklebers (elektrisches Wechselfeld)
- Fügen mit dem Substrat (Kunststoff, Alu, Edelstahl)
