Unter Kleben versteht man das Verbinden gleicher oder verschiedener Werkstoffe mit Hilfe von organischen oder anorganischen Zusätzen (Klebstoff), die bei Raumtemperatur oder mäßiger Erwärmung aushärten. Der Klebeprozess lässt sich sowohl bei metallischen als auch bei nicht metallischen Werkstoffen anwenden.
Bei Klebungen handelt es sich um Verbundsysteme, deren Festigkeit neben der Beanspruchung und der geometrischen Gestaltung durch drei wesentliche Einzelfestigkeiten bestimmt wird:
Das Klebeverfahren nützt hierbei zwei physikalische Vorgänge, nämlich die Adhäsion verschiedener Stoffe untereinander und die Kohäsion des verfestigten Klebstoffes. Zusätzlich spielt die Benetzung der zu klebenden Oberflächen eine Rolle.
Adhäsion: Unter dem Begriff Adhäsion fasst man die Haftkräfte an den Kontaktflächen zweier verschiedener oder auch gleicher Stoffe zusammen. Um die optimale Adhäsion einer Klebeverbindung zu erreichen, sind sowohl die spezifische Adhäsion (= Summe aller chemischen und physikalischen Adhäsionserscheinungen, die auf Haupt- und Nebenvalenzkräften beruhen und hauptsächlich von den Van der Waals´schen Kräften verursacht werden.) sowie die mechanische Adhäsion (= Summe der mechanischen Verklammerungskräfte der Klebeschicht in Poren, Kapillaren, Vertiefungen und Unebenheiten der Werkstoffoberfläche.) zu berücksichtigen, da sie in ihrer Gesamtheit die Adhäsionskraft ergeben.
Kohäsion: Unter Kohäsion versteht man das Wirken von
Anziehungskräften zwischen gleichartigen Atomen bzw. Molekülen ein und
desselben Stoffes. Aufgrund dieses Zusammenhalts der Masseteilchen eines
Körpers nennt man sie auch „innere Festigkeit“. Die unter dem Begriff Kohäsion
vereinten Kräfte setzen sich aus den Van der Waal´schen Anziehungskräften und
den Gravitationskräften (Massenanziehungskräften) zusammen. Bezogen auf
eine Klebeverbindung wird als Kohäsion die Summe der Bindungskräfte zwischen
den einzelnen Molekülen des ausgehärteten Klebstoffes bezeichnet.
Die
beste Klebeverbindung, bezogen auf die Festigkeit, wird erreicht, wenn
Adhäsion und Kohäsion sich in etwa die Waage halten.
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass auch eine optimale Benetzung der Oberfläche durch den Kleber eine Grundvoraussetzung für die Haftung darstellt, d. h. dass sich der Klebstoff auf möglichst brauchbare Weise auf dem zu fügenden Teil verteilt, haften bleibt und nicht verläuft.
Das Kleben soll die herkömmlichen Verfahren im Bereich der Fügetechnik ergänzen und zusätzlich neue Möglichkeiten für die Fertigung schaffen. Dabei ist es sinnvoll, vor einer Verklebung deren Vor- und Nachteile gegenüber anderen, konventionellen Methoden sorgfältig abzuschätzen.
Vorteile der Klebetechnik:
Nachteile der Klebetechnik:
Mischen der Klebstoffe: Viele Klebstoffe müssen vor der Verarbeitung erst gebrauchsfertig zubereitet (gemischt) werden. Ein Verarbeitungskriterium ist dabei die Topfzeit, die die Gebrauchsdauer des Klebers bei Raumtemperatur angibt. Beim Mischen können die physikalischen Eigenschaften eines Klebemittels durch die Zugabe von Füllstoffen und/oder Lösungsmitteln gezielt verändert werden. Auch kann auf die chemische Reaktion der Aushärtung des Klebers Einfluss genommen werden.
Auftragen der Klebstoffe: Das Auftragen kann durch:
Das Auftragen des Klebstoffes kann manuell oder vollautomatisch erfolgen. Alle genannten Verfahren haben den Zweck gemeinsam, den Klebstoff möglichst gleichmäßig aufzutragen.
Abbinden der Klebstoffe: Die Struktur der Klebeschicht und somit deren Eigenschaften ist abhängig von den Bedingungen des Abbindens, also in welcher Zeit, bei welcher Temperatur und unter welchem Druck ein Kleber aushärtet. Ein Abbinden bei erhöhter Temperatur führt zu kürzerer Abbindezeit und einer verbesserten Klebefestigkeit. Die Anwendung von Druck während des Abbindens erfolgt, um die Adhäsion und die Haftung zu verbessern, die Festigkeit durch eine Vergrößerung der wirksamen Oberfläche zu erhöhen sowie um die Fügeteile zu fixieren und eine gleichmäßige Klebeschichtdicke zu erzielen.
Klebeverbindungen haben ihre eigenen Gesetzmäßigkeiten, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Um eine einwandfreie Klebeverbindung zu erreichen, müssen besondere Maßnahmen hinsichtlich Beanspruchung, Krafteinleitung und Kraftanschluss beachtet werden:
Physikalisch härtende Klebstoffe: Die physikalischen Verfestigungsprozesse basieren entweder auf der Verdunstung von Lösungs- bzw. Dispersionsmitteln, die im Klebstoff enthalten sind oder auf der Abkühlung (Erstarrung) des bei der Verarbeitung geschmolzenen Klebstoffs. Typische Vertreter dieser Klebstoffart sind Schmelzklebestoffe und Klebelösungen.
Chemisch härtende Klebstoffe: Höchste Festigkeit und Beständigkeit von geklebten Verbindungen lassen sich mit chemisch härtenden Klebstoffen erreichen. Sie werden im niedrigmolekularen Zustand in die Klebefuge eingebracht und verfestigen sich dort durch chemische Reaktion zu einer zumindest teilweise vernetzten makromolekularen Substanz. Diese ist nicht schmelzbar und nicht durch herkömmliche Lösungsmittel lösbar. Ihre Wärmebeständigkeit ist erheblich größer als die Verarbeitungstemperatur. Einkomponentenklebstoffe mit Energiezufuhr, die meisten Klebstofffolien sowie Mehrkomponentenklebstoffe gehören zu der Klasse der chemisch härtenden Klebstoffe.
