Univ.Univ.--Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Paul Ludwig GeißIng. Paul Ludwig GeißTechnische Universität KaiserslauternTechnische Universität KaiserslauternArbeitsgruppe WerkstoffArbeitsgruppe Werkstoff-- und und OberflächentechnikOberflächentechnik

Industrieworkshop Kleben Industrieworkshop Kleben –– schneller fester genauer, Jena schneller fester genauer, Jena 19.11.200919.11.2009

Klebtechnik Klebtechnik -- ein Überblick: ein Überblick: Grundlagen, Tendenzen und besondere Stärken Grundlagen, Tendenzen und besondere Stärken

GrundlagenGrundlagen

3

Kleben im Wettbewerb der Kleben im Wettbewerb der FügetechnikenFügetechnikenEinordnung in die Systematik Fertigungsverfahren (DIN 8580) und Einordnung in die Systematik Fertigungsverfahren (DIN 8580) und FügetechnikenFügetechniken (DIN 8593)(DIN 8593)

Hauptgruppen

Gruppen

Urformen Umformen Trennen

4.1Zusammen-

setzen

4.2Füllen

4.3AnpressenEinpressen

4.4Fügendurch

Urformen

4.5Fügendurch

Umformen

4.6Fügendurch

Schweißen

4.7FügendurchLöten

4.8.1PhysikalischabbindendeKlebstoffe

4.8.2Chemisch

abbindendeKlebstoffe

4.8Kleben

4.9TextilesFügen

Fügen(DIN 8593)

Beschichten Stoffeigenschaftändern

Fertigungsverfahren(DIN 8580)

4

Adhäsion und KohäsionAdhäsion und Kohäsion

Fügeteil Fügeteil 11

Fügeteil Fügeteil 22

KlebstoffKlebstoff

AdhäsionAdhäsion

KohäsionKohäsion

5

Kovalente BindungKovalente Bindung ((Homöopolare BindungHomöopolare Bindung))

Eine Eine kovalentekovalente Bindung (Atombindung, Bindung (Atombindung, homöopolarehomöopolare Bindung, Bindung, Elektronenpaarbindung) ist eine Elektronenpaarbindung) ist eine Hauptvalenzbindung, in der zwei Hauptvalenzbindung, in der zwei Elektronen ein bindendes Orbital besetzen Elektronen ein bindendes Orbital besetzen und die Elektronendichte symmetrisch und die Elektronendichte symmetrisch verteilt ist.verteilt ist.Die Orbitale der beteiligten Atome Die Orbitale der beteiligten Atome überlappen sich und bilden ein überlappen sich und bilden ein gemeinsames Molekülorbital (MO) mit gemeinsames Molekülorbital (MO) mit delokalisierten delokalisierten gemeinsamen Elektronen.gemeinsamen Elektronen.

H H

H2

6

Chemische AdhäsionswechselwirkungenChemische AdhäsionswechselwirkungenBeispielBeispiel: : SilanhaftvermittlerSilanhaftvermittler

Als Haftvermittler eingesetzte Als Haftvermittler eingesetzte OrganosiloxaneOrganosiloxaneoder oder OrganosilaneOrganosilane sind sind bifunktionellebifunktionelleSiliziumverbindungen mit drei organische Siliziumverbindungen mit drei organische Restgruppen am SiRestgruppen am Si––Atom.Atom.Zur Anbindung an die OHZur Anbindung an die OH--Gruppen der Gruppen der Substratoberfläche durch Wasserstoffbrücken Substratoberfläche durch Wasserstoffbrücken oder Sioder Si--OO--SiSi--Bindungen müssen diese Bindungen müssen diese funktionellen Gruppen durch Hydrolyse zunächst funktionellen Gruppen durch Hydrolyse zunächst in OHin OH--Gruppen umgewandelt werden. Gruppen umgewandelt werden. Diese Reaktion muss vor dem Einsatz als Diese Reaktion muss vor dem Einsatz als Haftvermittler verhindert werden. Deshalb wird Haftvermittler verhindert werden. Deshalb wird das das SilanSilan zunächst mit organischen Restgruppen zunächst mit organischen Restgruppen (OR) blockiert.(OR) blockiert.Am anderen Ende der Am anderen Ende der bifunktionellenbifunktionellenSiliziumverbindungen befindet sich über eine Siliziumverbindungen befindet sich über eine Kohlenstoffkette fest an das Silizium gebunden Kohlenstoffkette fest an das Silizium gebunden ein organisches, meist kettenförmiges Molekülteil ein organisches, meist kettenförmiges Molekülteil (Y), welche die reaktive Gruppe zur Anbindung (Y), welche die reaktive Gruppe zur Anbindung mit dem Polymernetzwerk enthält.mit dem Polymernetzwerk enthält.

7

Koordinative BindungKoordinative Bindung, , MetallkomplexierungMetallkomplexierung

KovalenteKovalente Bindung: Jedes Atom trägt ein Bindung: Jedes Atom trägt ein Elektron zur Bindung bei.Elektron zur Bindung bei.Koordinative Koordinative Bindung in Komplexen: Ein Bindung in Komplexen: Ein Elektronenpaar eines Elektronenpaar eines LigandenLiganden wechselwirkt wechselwirkt mit mit einem leeren Orbital des Zentralatoms. In einem leeren Orbital des Zentralatoms. In speziellen Fällen können Mehrzentrenbindungen speziellen Fällen können Mehrzentrenbindungen auftreten.auftreten.Bei Komplexen hat ein Element (meist ein Bei Komplexen hat ein Element (meist ein MetallkationMetallkation) mehr Bindungspartner, als es ) mehr Bindungspartner, als es seiner maximalen seiner maximalen BindigkeitBindigkeit (Valenz) entspricht. (Valenz) entspricht. Dieses Dieses ZentralionZentralion wird von einer bestimmten wird von einer bestimmten Anzahl an Anzahl an Liganden komplexiertLiganden komplexiert. Sie sind über . Sie sind über koordinativekoordinative Atombindungen an das Atombindungen an das ZentralionZentraliongebunden und verhelfen diesem zu einer gebunden und verhelfen diesem zu einer stabileren Elektronenkonfigurationstabileren ElektronenkonfigurationMan bezeichnet das Molekül mit ElektronenMan bezeichnet das Molekül mit Elektronen--mangelmangel als als Akzeptor Akzeptor (=Lewis(=Lewis--Säure), dasjenige Säure), dasjenige mit freien Elektronen als mit freien Elektronen als DonatorDonator (=Lewis(=Lewis--Base)Base)

Chelatkomplexe (Modellvorstellung)

R O CH2

CH

OH

R

R

CH2

N

R O CH2

CH

OH

R

R

CH2

NMex+

Metalloxidoberfläche

O

CH2

OH

Resol

Mex+

Aminhärtende Epoxidharze

Phenolharze

8

WasserstoffbrückenbindungWasserstoffbrückenbindungenen

Eine WasserstoffEine Wasserstoff--Brücke entsteht, Brücke entsteht, wenn sich ein partiell positiv geladenes wenn sich ein partiell positiv geladenes WasserstoffWasserstoff--Atom in einem Atom in einem bestimmten Abstand zwischen zwei bestimmten Abstand zwischen zwei elektronegativen Atomen wie Fluor, elektronegativen Atomen wie Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff befindet. Sauerstoff oder Stickstoff befindet. Die Anziehungskraft zwischen Die Anziehungskraft zwischen WasserstoffWasserstoff--Atom und Atom und AkzeptoratomAkzeptoratomist eine elektrostatische Dipolist eine elektrostatische Dipol--DipolDipol--Wechselwirkung und unterliegt dem Wechselwirkung und unterliegt dem CoulombCoulomb--Gesetz.Gesetz.Die Voraussetzungen für die Bildung Die Voraussetzungen für die Bildung einer Wasserstoffeiner Wasserstoff--Brücke sind ein oder Brücke sind ein oder mehrere freie Elektronenpaare beim mehrere freie Elektronenpaare beim WasserstoffWasserstoff--AkzeptoratomAkzeptoratom und eine und eine PositivierungPositivierung des Wasserstoffdes Wasserstoff--Atoms Atoms durch das elektronegative durch das elektronegative WasserstoffWasserstoff--DonatoratomDonatoratom..

H HOδ-

H

HO

δ+

δ-

Wasserstoff-Brücken-bindung 0,177 nm

Kovalente Bindung0,096 nm

Wasserstoff-Donator

Wasserstoff-Akzeptor

9

Nebenvalenzbindungen Nebenvalenzbindungen --Wechselwirkungen zwischen zwei TeilchenWechselwirkungen zwischen zwei Teilchen

Das Das LennardLennard--JonesJones--PaarpotenzialPaarpotenzialAnnahme: Zwei AtomeAnnahme: Zwei AtomeAnziehende Kraft: GravitationAnziehende Kraft: GravitationAbstoßende Kraft: sich gegenseitig Abstoßende Kraft: sich gegenseitig durchdringende Elektronenwolkendurchdringende Elektronenwolken

Das Potenzial entspricht der Arbeit, dieDas Potenzial entspricht der Arbeit, diebenbenöötigt wird, um die tigt wird, um die

Teilchen auf den Abstand DTeilchen auf den Abstand D ==∞∞ zu zu bringenbringen

–– A: Teilchenparameter fA: Teilchenparameter füür die r die AnziehungAnziehung

–– B: Teilchenparameter fB: Teilchenparameter füür die r die AbstoAbstoßßungung

–– ΦΦ: resultierendes Potenzial: resultierendes Potenzial

126)( DB

DA

D +−=Φ

10

van der van der WaalsWaals--Wechselwirkungen Wechselwirkungen (Johannes (Johannes DiderikDiderik van van der der WaalsWaals, * 23. November 1837 in Leiden, erhielt 1910 den Nobelpreis für, * 23. November 1837 in Leiden, erhielt 1910 den Nobelpreis fürPhysik)Physik)

–– DipolDipol--DipolDipol–– DipolDipol--induzierter Dipolinduzierter Dipol–– Fluktuierende DipoleFluktuierende Dipole

–– Vereinfachung: Vereinfachung: Anziehende Wechselwirkung zwischen Anziehende Wechselwirkung zwischen zwei Teilchenzwei Teilchen

6)( DCAB

D −=Φ

dispinddipdipdipAB CCCC ++= −−

CAB : Wechselwirkungskonstante

Nebenvalenzbindungen Nebenvalenzbindungen --WechselwirkungWechselwirkungsartensarten

11

Übertragung auf GrenzflächenadhäsionÜbertragung auf Grenzflächenadhäsion

Teilchen-Teilchen Körper -Teilchen Körper - Körper

3)( 6 DCABB

SurfMol ⋅⋅⋅

−=Φ −ρπ

6)( DCAB

D −=Φ 2)(

12 DA

AHSurfSurf

⋅⋅−=

Φ −

π

Die Die HamakerHamaker--Konstante A ist eine Konstante A ist eine Größe für die Kraft zwischen Teilchen, Größe für die Kraft zwischen Teilchen, zwischen denen van der zwischen denen van der WaalsWaals--Kräfte Kräfte wirken. Sie wird definiert durch:wirken. Sie wird definiert durch:

BAABH CA ρρπ ⋅⋅⋅= 2

12

35

Dj1

Dj2

Dj3

Dj4

Dj5

12

Kovalente Bindung(Homöopolare B.)

0,1- 0,2 nm60 - 700 kJ/mol

Ionische Bindung(Heteropolare B.)

0,1 - 0,2 nm600 - 1000 kJ/mol

Chemische Primärbindungen(Hauptvalenzbindungen)

Dipolkräfte(Keesom Energie)

0,3 - 0,5 nm50 - 60 kJ/mol

Induktionskräfte(Debye Energie)

0,3 - 0,5 nm2 - 10 kJ/mol

Dispersionskräfte(London Energie)

0,3 - 0,5 nm5 - 10 kJ/mol

van der WaalsBindung

Wasserstoffbrücken-bindung

ZwischenmolekulareSekundärbindungen

(Nebenvalenzbindungen)

Bindungsarten

Übersicht der Bindungsarten in Übersicht der Bindungsarten in KlebungenKlebungen

13

AdhäsionstheorienAdhäsionstheorien

mechanischeAdhäsion

spezifischeAdhäsion

physikalische Wechselwirkungen chemische Reaktion 1960

Dipolcharakter der Moleküle-Dipolanziehung

-InduktionWasserstoff-Brücken

Transport elektrischer Ladungen, elektrische Doppelschicht, elektrische Entladung

Beweglichkeit der Polymermoleküle führt zur Diffusion von Molekülseg-menten

Intermolekulare Kräfte,Thermodynamik der Phasengrenze-Dispersionskräfte-Dipolanziehung-Induktionskräfte

Chemische Bindung zwischen Klebstoff und Oberfläche

Polarisation 1935

Elektro-statische Theorie 1950

Diffusions-theorie 1960

Thermo-dynamische Adhäsion 1963

AdhAdhääsionssions--theorientheorien

14

Thermodynamische AdhäsionsmodelleThermodynamische Adhäsionsmodelle

Bringt man eine feste Oberfläche in Bringt man eine feste Oberfläche in Kontakt mit anderen Stoffen, seien sie Kontakt mit anderen Stoffen, seien sie gasförmig, flüssig oder fest, dann gasförmig, flüssig oder fest, dann nimmt die Energie der Atome an der nimmt die Energie der Atome an der Phasengrenze durch Absättigung ihrer Phasengrenze durch Absättigung ihrer freien Valenzen ab. freien Valenzen ab. Zu den energiereichen, chemisch Zu den energiereichen, chemisch reaktiven Oberflächen zählen die reaktiven Oberflächen zählen die Metalle. Kunststoffe und andere Metalle. Kunststoffe und andere organische Festkörper besitzen im organische Festkörper besitzen im Allgemeinen energiearme Oberflächen.Allgemeinen energiearme Oberflächen.

1γ

2γ

12γ

1221 γγγ −+=AdhW

15

Beispiel: Flüssigkeit / Festkörper:Beispiel: Flüssigkeit / Festkörper:

Falls kein Vakuum sondern mit Falls kein Vakuum sondern mit Flüssigkeitsdampf (Flüssigkeitsdampf (VV==vapourvapour) ) gesättigte Atmosphäre als dritte Phase:gesättigte Atmosphäre als dritte Phase:

Lγ

Sγ

SLγ

SLLSAdhW γγγ −+=

SLLVSVAdhW γγγ −+=

Thermodynamische AdhäsionsmodelleThermodynamische Adhäsionsmodelle

16

Spreitungsdruck:

Γ : Konzentration der adsorbierten Dampfphasep0 : Gleichgewichtsdruckp : Dampfdruck

Young-Gleichung:

∫Γ⋅=−=0

0

)(lnp

SVSS pdTRγγπ

SLVSLS πθγγγ +⋅+= cos

)cos1(cos θγθγγ +⋅=⋅+= LVLVLVAdhW

Thermodynamische AdhäsionsmodelleThermodynamische Adhäsionsmodelle

17

Oberflächenenergien unterschiedlicher Oberflächenenergien unterschiedlicher WerkstoffeWerkstoffe::

γd [mN/m] γp [mN/m] γ [mN/m]

Eisen - - 1400 Keramik - - 500-1500 Quecksilber - - 484 Glas - - 300 Glimmer 27,3 39,8 67,1 PA6 36,8 10,7 47,5 PVC 37,7 7,5 45,2 POM 36,0 6,1 42,1 PS 41,4 0,6 42 PETP 37,8 3,5 41,3 PE-HD 35,0 0,1 35,1 Epoxid 19,5 13,2 32,9 PP 30,5 0,7 31,2 Paraffinwachs 25,5 0 25,1

PTFE (Teflon) 18,6 0,5 19,1

18

Die Die nutzbarenutzbare mechanische Festigkeit einer mechanische Festigkeit einer Klebverbindung Klebverbindung entsteht durchentsteht durch AdhäsionsAdhäsions--, , VerformungsVerformungs-- und und BruchBrucharbeitarbeit

WW00: Thermodynamische Adhäsionsarbeit: Thermodynamische AdhäsionsarbeitG: Zum Trennen benötigte ArbeitG: Zum Trennen benötigte Arbeit

Polymerschmelze:Polymerschmelze:–– G = WG = W00 + + ηηsepsep ·· VV De De Gennes Gennes in Adsorption and in Adsorption and AdhesionAdhesion

Ed. Ed. PhysiquePhysique, 6 (1983), 6 (1983)

Schwache Bindung:Schwache Bindung:–– G = WG = W00 + + ηηsepsep ·· VVnn Barnes, Hutton, Walters in Barnes, Hutton, Walters in IntroductionIntroduction to to rheologyrheology

Elsevier, (1993)Elsevier, (1993)

Starke Bindung:Starke Bindung:–– G = GG = G00 + + ηηsepsep ·· VVnn BikermanBikerman in in TheThe J. of J. of AdhesionAdhesion, 4 (1972), 4 (1972)

KendallKendall in J. Phys. D: in J. Phys. D: ApplAppl. Phys., 6 182 (1973). Phys., 6 182 (1973)

–– VV: Trenngeschwindigkeit: Trenngeschwindigkeit–– ηηsepsep: viskose Komponente des Trennvorgangs (irreversibel): viskose Komponente des Trennvorgangs (irreversibel)–– nn:: ExponentExponent

19

Mineralische Mineralische BindemittelBindemittel

•• gebrannter Kalkgebrannter Kalk•• GipsGips•• ......

Bitumen Bitumen (Erdpech)(Erdpech)

•• natürliche natürliche VorkommenVorkommen

BaumharzeBaumharze

•• Dispersion Dispersion (Milchsaft)(Milchsaft)

•• Harze (Pinien)Harze (Pinien)

StärkeleimStärkeleim

•• StärkekleisterStärkekleister•• KleberKleber

ProteinleimProteinleim

•• KnochenleimKnochenleim•• HasenleimHasenleim•• FischleimFischleim•• GelatineGelatine•• CaseinCasein

z.B. z.B. FliesenklebstoffeFliesenklebstoffe

z.B.z.B.SchmelzklebstoffeSchmelzklebstoffe

z.B. Dispersionsz.B. Dispersions-- und und HaftklebstoffeHaftklebstoffe

z.B. Etikettenz.B. Etiketten--klebstoffeklebstoffe

z.B. medizinische z.B. medizinische KlebstoffeKlebstoffe

Klebstoffe aus der NaturKlebstoffe aus der NaturNachteil der Naturklebstoffe: Sprödigkeit oder mangelnde BeständNachteil der Naturklebstoffe: Sprödigkeit oder mangelnde Beständigkeit !igkeit !

20

Entwicklung synthetischer KlebstoffeEntwicklung synthetischer Klebstoffe

184118411872187219101910

19211921

19301930

19361936193719371938193819531953195719571967196719701970198019801984198419901990

Charles Goodyear entdeckt Vulkanisierbarkeit des KautschuksCharles Goodyear entdeckt Vulkanisierbarkeit des KautschuksGründung der ersten CelluloidGründung der ersten Celluloid--FabrikFabrikIndustrielle Nutzung von PhenolIndustrielle Nutzung von Phenol--FormaldehydFormaldehyd--Harzen durch Harzen durch Baekeland Baekeland (Bakelite)(Bakelite)

Grundlagen der KunststoffGrundlagen der Kunststoff-- und Klebstoffchemie durch Prof. und Klebstoffchemie durch Prof. Hermann StaudingerHermann StaudingerErste technische Herstellung von Erste technische Herstellung von PolymerisatenPolymerisatenEntdeckung und Herstellung synthetischer Klebstoffsysteme:Entdeckung und Herstellung synthetischer Klebstoffsysteme:

PolyesterharzePolyesterharzePolyurethanePolyurethane (PUR)(PUR)EpoxidharzeEpoxidharze (EP)(EP)

Anaerob härtende Anaerob härtende MethacrylateMethacrylateCyanacrylatCyanacrylat--KlebstoffeKlebstoffeTemperaturbeständige Temperaturbeständige PolyimidPolyimid--KlebstoffeKlebstoffeUVUV--lichthärtende lichthärtende AcrylatklebstoffeAcrylatklebstoffeReaktive SchmelzklebstoffeReaktive SchmelzklebstoffeEntwicklung leitfähiger KlebstoffeEntwicklung leitfähiger KlebstoffeSchlagzähmodifizierte crashfeste Klebstoffe für de PKWSchlagzähmodifizierte crashfeste Klebstoffe für de PKW--RohbauRohbau

21

Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Aushärtemechanismus (Kohäsion)Aushärtemechanismus (Kohäsion)

Klebstoffe

Chemisch abbindend

Physikalisch abbindend

Haftklebstoffe(PSAs)

Chemisch & physikalisch

Einkomponenten-klebstoffe

Zweikomponenten-klebstoffe

Chemisch abbindend

z.B. EpoxidharzePolyurethaneCyanacrylateSilikone

z.B. Thermoplastische SchmelzklebstoffeDispersionsklebstoffeLösemittelklebstoffe

z.B. Reaktive SchmelzklebstoffeNachvernetzende Dispersionsklebstoffe

z.B. EpoxidharzePolyurethaneMethacrylateSilikone

z.B. NaturkautschukSBCAcrylatSilikon

22

Ursprung der strukturellen KlebtechnikUrsprung der strukturellen Klebtechnik

Luftschiffträger aus verleimtem AspenholzBauart Schütte-Lanz um 1915 Quelle: W. Brockmann, P. L. Geiß, J. Klingen, B. Schröder: „Klebtechnik – Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren“, Wiley-VCH, Weinheim (2005)

Die AluminiumDie Aluminium--Klebtechnik Klebtechnik fand ihren Ursprung in fand ihren Ursprung in geklebten Leichtbau geklebten Leichtbau Holzstrukturen des Holzstrukturen des FlugzeugbausFlugzeugbaus

23

Übertragung der HolzÜbertragung der Holz--Klebtechnik auf Klebtechnik auf AluminiumstrukturenAluminiumstrukturen

Als Pioniere der strukturellen AluminiumAls Pioniere der strukturellen Aluminium--Klebtechnik gelten N. A. de Klebtechnik gelten N. A. de Bruyne Bruyne (Formulierung (Formulierung „„ReduxRedux“ 1942) und R. “ 1942) und R. Schliekelmann Schliekelmann (Fokker)(Fokker)

Fokker F27 „Fokker F27 „FriendshipFriendship“, “, Klebstoff: Klebstoff: ReduxRedux 775, 70% der 775, 70% der Gesamtstruktur (in etwa 550 Gesamtstruktur (in etwa 550 Teilen) waren mit Phenolharz Teilen) waren mit Phenolharz klebtechnisch verbunden, nach klebtechnisch verbunden, nach ca. 15 Jahren im Betrieb lag die ca. 15 Jahren im Betrieb lag die Zugscherfestigkeit der Klebungen Zugscherfestigkeit der Klebungen ca. 10% ca. 10% -- 20% über der 20% über der AnfangsfestigkeitAnfangsfestigkeitQuelle: W. Brockmann, P. L. Geiß, J. Quelle: W. Brockmann, P. L. Geiß, J. Klingen, B. Schröder: „Klebtechnik Klingen, B. Schröder: „Klebtechnik ––Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren“, Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren“, WileyWiley--VCH, Weinheim (2005)VCH, Weinheim (2005)

24

Kleben von Glas im FahrzeugbauKleben von Glas im Fahrzeugbau

Schema GummilagerungSchema Gummilagerung1 = Karosserieflansch1 = Karosserieflansch2 = Scheibe2 = Scheibe3 = Profilgummi3 = Profilgummi4 = Dichtlippe4 = Dichtlippe5 = Abdeck5 = Abdeck-- und Dichtlippeund Dichtlippe6 = Haltelippe6 = Haltelippe

Prinzip der DirektverglasungPrinzip der Direktverglasung1 = Dachhaut1 = Dachhaut2 = Scheibe2 = Scheibe3 = PU3 = PU--KlebstoffKlebstoff4 = Dachrahmenabdeckung4 = Dachrahmenabdeckung5 = Fensterflansch5 = Fensterflansch6 = Befestigungsclips für Zier6 = Befestigungsclips für Zier--

leisteleiste7 = Zier7 = Zier-- und Abdeckleisteund Abdeckleiste

Opel Admiral mit geklebter FrontscheibeQuelle: W. Brockmann

25

Einsatz neuer Strukturwerkstoffe Einsatz neuer Strukturwerkstoffe --GlasGlas--Verbundwerkstoff KlebverbundeVerbundwerkstoff Klebverbunde

KunststoffKunststoff--PrimerPrimer

KlebraupeKlebraupe

26

Beständigkeit und Beständigkeit und LangzeitverhaltenLangzeitverhalten

Vermeidung von Kerben und Vermeidung von Kerben und SpannungsspitzenSpannungsspitzen

Beständigkeit Beständigkeit ??

27

Schäden nach Alterung Schäden nach Alterung --Praxisbeispiele:Praxisbeispiele:

ZierleisteZierleiste(EPDM / Al)(EPDM / Al)

RotorenRotoren(GFK/CFK, 2K EP)(GFK/CFK, 2K EP)

Um eine Langzeitbeständigkeit von Klebverbindungen unter klimatiUm eine Langzeitbeständigkeit von Klebverbindungen unter klimatischer scher Einwirkung gewährleisten zu können, ist der Einsatz einer geeignEinwirkung gewährleisten zu können, ist der Einsatz einer geeigneten eten Oberflächenvorbehandlung und Beständigkeitsprüfung nach heutigemOberflächenvorbehandlung und Beständigkeitsprüfung nach heutigem Stand Stand unverzichtbarunverzichtbar

28

Bereits de Bereits de BruyneBruyne und und SchliekelmannSchliekelmann dokumentierten dokumentierten 1945, dass Aluminiumklebverbunde ohne geeignete 1945, dass Aluminiumklebverbunde ohne geeignete Oberflächenvorbehandlungsverfahren keine ausreichende Oberflächenvorbehandlungsverfahren keine ausreichende Beständigkeit besitzenBeständigkeit besitzen

Herausforderung: Zuverlässige Realisierung Herausforderung: Zuverlässige Realisierung korrosionskorrosions-- und langzeitbeständiger Klebungenund langzeitbeständiger Klebungen

Mechanismen der Mechanismen der Schädigung:Schädigung:

1. Veränderungen im 1. Veränderungen im Klebstoff hauptsächlich Klebstoff hauptsächlich durch Diffusion von Wasserdurch Diffusion von Wasser

2. 2. SolvolytischeSolvolytischeDegradation der Degradation der Metalloxide (in Gegenwart Metalloxide (in Gegenwart des Klebstoffs)des Klebstoffs)

3. Schwächung des 3. Schwächung des Verbundes in unzureichend Verbundes in unzureichend polymerisierten polymerisierten grenzschichtnahen grenzschichtnahen Klebstoffbereichen (Klebstoffbereichen (weak weak boundary layersboundary layers))

4. Klebflächenkorrosion 4. Klebflächenkorrosion ((bondbond line line corrosioncorrosion))

Quelle: „Untersuchungen zum Einfluss von Oberflächenchemie und –morphologie auf die Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminiumverbunde“, Dissertation Stefan Emrich, 2003, TU Kaiserslautern

29

Proben korundgestrahltProben korundgestrahltRestfestigkeit im Restfestigkeit im ZugscherversuchZugscherversuch

Quelle: Brockmann W., Emrich S.: „Wie lange halten vorbehandelte Aluminiumklebungen ? (Teil 1)“ Adhäsion Kleben u. Dichten 46 (2002) 5. S. 34 – 39

30

Korrosionsverhalten in Abhängigkeit des Korrosionsverhalten in Abhängigkeit des Substratmaterials (VDASubstratmaterials (VDA--Wechseltest)Wechseltest)

2 Wochen2 Wochen 8 Wochen8 Wochen 12 Wochen12 Wochen

1.43761.4376

1.43011.4301

31

0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3Monate

pH-W

ert

ohne Betamatemit BetamateNaCl Referenz

WechselwirkungenWechselwirkungen KlebstoffKlebstoff--SubstratSubstrat

NaCl-Lsg.

1 Monat NaCl-Lsg.

1.43761.4376

pHpH--WertWert

Quelle: VOGT, D. Durability of Adhesively Bonded Stainless Steel Joints under Accelerated Ageing Conditions. Dissertation Technische Universität Kaiserslautern,Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Band 4,Schriftenreihe Fügetechnik der AG Werkstoff- undOberflächentechnik Kaiserslautern (2009)

32

Korrosionsverhalten in Abhängigkeit der Korrosionsverhalten in Abhängigkeit der Oberflächenvorbehandlung (VDAOberflächenvorbehandlung (VDA--Wechseltest)Wechseltest)

12 Wochen (1.4376)12 Wochen (1.4376)

elektropoliertelektropoliert

entfettetentfettet

TendenzenTendenzen

Verbesserung der AlterungsbestVerbesserung der Alterungsbestäändigkeit von ndigkeit von Glasklebungen durch prozessintegrierte Glasklebungen durch prozessintegrierte

umweltvertrumweltverträägliche gliche OberflOberfläächenbehandlungsverfahrenchenbehandlungsverfahren

Abgeschlossenes Abgeschlossenes AiFAiF--Projekt Nr. 14776 BG/1 Projekt Nr. 14776 BG/1

Dr.Dr.--Ing. Sabine Ing. Sabine SändigSändig, , Dr. Dr. rerrer. nat. U. Basler, . nat. U. Basler, DiplDipl. Chem. Renate Luhn. Chem. Renate LuhnGünterGünter--KöhlerKöhler--Institut Institut für Fügetechnik undfür Fügetechnik undWerkstoffprüfung GmbH, JenaWerkstoffprüfung GmbH, Jena

UnivUniv..--Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. P.L. Geiß, Dipl.Ing. P.L. Geiß, Dipl.--Ing. Astrid Ing. Astrid WagnerWagnerTechnische UniversitätTechnische Universität KaiserslauternKaiserslauternArbeitsgruppe WerkstoffArbeitsgruppe Werkstoff-- undund OberflächentechnikOberflächentechnik(AWOK)(AWOK)

35

Bedarf an langzeitbeständigen GlasklebungenBedarf an langzeitbeständigen Glasklebungen

Isoliergläser undIsoliergläser undFahrzeugverglasungFahrzeugverglasungSicherheitsgläser,Sicherheitsgläser,SolarmoduleSolarmoduleRohrleitungsRohrleitungs-- undundAnlagenbauAnlagenbau

Herausforderung:Herausforderung: Alterungsbeständigkeit Alterungsbeständigkeit unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, Wärme unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, Wärme und UVund UV--StrahlungStrahlungAbhilfe:Abhilfe: Verbesserung durch klebtechnische Verbesserung durch klebtechnische Aktivierung und Stabilisierung der Aktivierung und Stabilisierung der Glasoberfläche vor dem KlebenGlasoberfläche vor dem Kleben

36

Verfahren für die Verfahren für die BeständigkeitsprüfungenBeständigkeitsprüfungen

korrosiv korrosiv (Bei Glas(Bei Glas--MetallMetall--Klebungen)Klebungen)

feuchtfeucht--warm, UVwarm, UV

37

0

50

100

150

200

0

50

100

150

200

Restbruchfestigkeit, UVRestbruchfestigkeit, UV--EpoxidharzklebstoffEpoxidharzklebstoff(Modul ungealtert=33 MPa, Bruchgleitung (Modul ungealtert=33 MPa, Bruchgleitung tantanγγ=0,15)=0,15)

Beste Beständigkeit Beste Beständigkeit nach VB nach VB PyrosilPyrosil und und Reinigung mit Reinigung mit Atmosphärenplasma bei Atmosphärenplasma bei niedriger Intensitätniedriger Intensität

IT40 Xeno

Plasma niedrige

Intensität

Isopropanol

Pyrosil

Silan 1%

Silan 0,1%

Plasma hohe Intensität

Polym. 1

Polym. 2

Isopropanol

Pyrosil

Silan 1%

Silan 0,1%

hohe Intensität

niedrigeIntensität

Polym. 1

Polym. 2

(4 Proben del.)

0

50

100

150

200

0

50

100

150

200

Substrat: Borosilikatglas

Kooperationspartner:Kooperationspartner:

3TVB3TVBTTeileilttransparente ransparente ttragende ragende

VVerbunderbundbbauteile aus Stahl und Glasauteile aus Stahl und Glas

39

Neue strukturelle Anwendungen im Neue strukturelle Anwendungen im BauwesenBauwesen

Quelle: Labor für Stahl- und Leichtmetallbau (LSL) der Hochschule München, AG Werkstoff- und Oberflächentechnik (AWOK) Technische Universität Kaiserslautern, „Teiltransparente tragende Verbundteile aus Stahl und Glas“ Forschung für die Praxis, P740,Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf(2009)

Technische UniversitTechnische Universitäät Kaiserslauternt KaiserslauternArbeitsgruppe WerkstoffArbeitsgruppe Werkstoff-- und und OberflOberfläächentechnik Kaiserslauternchentechnik KaiserslauternUniv.Univ.--Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Paul Ludwig GeiIng. Paul Ludwig Geißß

GGüünternter--KKööhlerhler--Institut fInstitut füür r FFüügetechnikgetechnik und Werkstoffprund Werkstoffprüüfung fung GmbHGmbHDr. Sabine Dr. Sabine SSäändigndig

„Klebtechnisches Verbinden von Hartstoffschneiden mit „Klebtechnisches Verbinden von Hartstoffschneiden mit Schneideinsatzträgern für Hochleistungswerkzeuge “Schneideinsatzträgern für Hochleistungswerkzeuge “

--ToolTool--Time Time ––Laufendes Laufendes AiFAiF--ProjektProjekt

41

Stand der Technik Stand der Technik Probleme mit thermischen FügeverfahrenProbleme mit thermischen Fügeverfahren

Stand der Technik:Stand der Technik: Induktionslötverfahren zur Befestigung von PKDInduktionslötverfahren zur Befestigung von PKD-- und und PCBNPCBN--Werkzeugen auf TrägerwerkzeugenWerkzeugen auf Trägerwerkzeugen

→→ Verzug von Träger und Schneide beim LötvorgangVerzug von Träger und Schneide beim Lötvorgang→→ Auftreten von thermisch bedingten Materialspannungen und Auftreten von thermisch bedingten Materialspannungen und

Haarrissbildungen, sowohl im Trägermaterial, als auch in den aufHaarrissbildungen, sowohl im Trägermaterial, als auch in den aufgesetzten gesetzten BlanksBlanks

→→ Ausschuss durch Risse beim Abkühlen, Schneidenlänge begrenztAusschuss durch Risse beim Abkühlen, Schneidenlänge begrenzt→→ hoher Zeithoher Zeit-- und Kostenaufwand für Nacharbeit (dauert 6 und Kostenaufwand für Nacharbeit (dauert 6 –– 10 h!)10 h!)→→ Materialpaarung eingeschränkt, Potenzial für LeichtbauwerkstoffeMaterialpaarung eingeschränkt, Potenzial für Leichtbauwerkstoffe / /

HybridsystemeHybridsysteme

„„LLöösbare sbare AdhAdhääsivsiv--BracketsBrackets ffüür die r die orthodontischeorthodontischeZahnbebZahnbebäänderungnderung““

„„ProdentProdent““

Gefördert von der Arbeitsgemeinschaft industrieller ForschungsveGefördert von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. reinigungen „Otto von Guericke“ e.V. ((AiFAiF) und betreut durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.) und betreut durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)V. (FOSTA)

Dipl.Dipl.--Ing. Sascha GramschIng. Sascha GramschUniv.Univ.--Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Paul L. Ing. Paul L. GeißGeißTechnischeTechnische Universität KaiserslauternUniversität KaiserslauternArbeitsgruppeArbeitsgruppe WerkstoffWerkstoff-- und und OberflächentechnikOberflächentechnik (AWOK)(AWOK)www.www.mvmv..uniuni--klkl.de/.de/awokawok

Dr. KlausDr. Klaus VogelsangVogelsangINNOVENT e.V.INNOVENT e.V. TechnologieentwicklungTechnologieentwicklung JenaJenaPrüssingstraße Prüssingstraße 27B27B07745 Jena07745 Jenawww.www.innoventinnovent--jenajena.de.de

Innovent Innovent e.V. e.V. Technologieentwicklung JenaTechnologieentwicklung Jena

43

MotivationMotivation

•• Zur Korrektur von Zahnfehlstellungen werden bei der ZahnbebänderZur Korrektur von Zahnfehlstellungen werden bei der Zahnbebänderung ung BracketsBrackets auf die Zahnoberfläche geklebtauf die Zahnoberfläche geklebt

•• Die Die BracketentfernungBracketentfernung nach nach BehandlungsabschlußBehandlungsabschluß erfolgt heute erfolgt heute überwiegend mechanisch oder thermischüberwiegend mechanisch oder thermisch–– beim thermischen Entfernen besteht ein hohes Risiko der Schädigubeim thermischen Entfernen besteht ein hohes Risiko der Schädigung ng

des Zahnnervs und damit Verlust des Zahnesdes Zahnnervs und damit Verlust des Zahnes–– Ein häufiges und ernsthaftes Problem der Ein häufiges und ernsthaftes Problem der

BracketadhäsivtechnikBracketadhäsivtechnik sind die sind die SchmelzausrisseSchmelzausrisse,,die durch das mechanische Entfernen der die durch das mechanische Entfernen der BracketsBracketsentstehen können, wenn die Festigkeit des entstehen können, wenn die Festigkeit des Verbundes Verbundes AdhäsivAdhäsiv / / BracketbasisBracketbasis höher ist als höher ist als die Eigenfestigkeit des Zahnschmelzesdie Eigenfestigkeit des Zahnschmelzes

44

AusgangssituationAusgangssituation

•• Strukturelle Klebverbunde Strukturelle Klebverbunde lassen sich definiert lösen, lassen sich definiert lösen, indem ein indem ein FügepartnerFügepartnerplastisch verformt wirdplastisch verformt wird

•• Die zum Lösen geforderte Die zum Lösen geforderte Dehnung hängt ab von:Dehnung hängt ab von:–– WerkstoffWerkstoff–– OberflächenOberflächen--

behandlung behandlung –– KlebstoffKlebstoff

00

55

1010

1515

2020

2525

3030

00--ProbeProbe verformt 1,0%verformt 1,0% verformt 2,5%verformt 2,5% verformt 5,0%verformt 5,0% verformt 7,5%verformt 7,5%

Bru

chde

hnu

ng [

MP

a]B

ruch

dehn

ung

[M

Pa]

00--ProbeProbe verformt 1,0%verformt 1,0% verformt 2,5%verformt 2,5% verformt 5,0%verformt 5,0% verformt 7,5%verformt 7,5%

Bru

chde

hnu

ng [

MP

a]B

ruch

dehn

ung

[M

Pa]

Material: rostfreier Stahl 1.4301Material: rostfreier Stahl 1.4301Klebstoff: 2KKlebstoff: 2K--EpoxidEpoxidVorbehandlung: USVorbehandlung: US--entfettetentfettetAlterung: ungealtert Alterung: ungealtert

Zugs

cher

fest

igke

it [M

Pa]

Zugs

cher

fest

igke

it [M

Pa]

00

55

1010

1515

2020

2525

3030

00--ProbeProbe verformt 1,0%verformt 1,0% verformt 2,5%verformt 2,5% verformt 5,0%verformt 5,0% verformt 7,5%verformt 7,5%

Bru

chde

hnu

ng [

MP

a]B

ruch

dehn

ung

[M

Pa]

00--ProbeProbe verformt 1,0%verformt 1,0% verformt 2,5%verformt 2,5% verformt 5,0%verformt 5,0% verformt 7,5%verformt 7,5%

Bru

chde

hnu

ng [

MP

a]B

ruch

dehn

ung

[M

Pa]

Material: rostfreier Stahl 1.4301Material: rostfreier Stahl 1.4301Klebstoff: 2KKlebstoff: 2K--EpoxidEpoxidVorbehandlung: USVorbehandlung: US--entfettetentfettetAlterung: ungealtert Alterung: ungealtert

Material: rostfreier Stahl 1.4301Material: rostfreier Stahl 1.4301Klebstoff: 2KKlebstoff: 2K--EpoxidEpoxidVorbehandlung: USVorbehandlung: US--entfettetentfettetAlterung: ungealtert Alterung: ungealtert

Zugs

cher

fest

igke

it [M

Pa]

Zugs

cher

fest

igke

it [M

Pa]

Geiß P. L., Turcinskas S.: „Strength and Durability of Bonded Joints after PlasticDeformation of the Adherent“, Proc. 3rd World Congress on Adhesion and Related Phenomena, WCARP-III, Beijing, PR China, 2006

Klebverbund delaminiert

Klebverbund delaminiert

45

Übertragung auf Metall/Zahn KlebungenÜbertragung auf Metall/Zahn Klebungen

•• Zahnschmelz anätzen mit 38 Zahnschmelz anätzen mit 38 –– 40 %40 %--igeriger PhosphorsäurePhosphorsäure•• Alterung in Anlehnung an ISO / TS 11405 (500 Zyklen)Alterung in Anlehnung an ISO / TS 11405 (500 Zyklen)•• Substratdehnung 1 %, 2 %, 3 %, 4 %Substratdehnung 1 %, 2 %, 3 %, 4 %•• Druckscherversuch Druckscherversuch →→ Klebfestigkeit Klebfestigkeit ττBB((εε))

Geätzter Bereich

*

FFüügeteilgeteil

KlebschichtKlebschichtZahnschmelzZahnschmelz

Pfad ZahnPfad Zahn

Pfad MetallPfad Metall

Besondere StärkenBesondere Stärken

47

Vorteile des Klebens im Vergleich zum Vorteile des Klebens im Vergleich zum Schweißen und Nieten Schweißen und Nieten

gleichmäßige Lastverteilunggleichmäßige Lastverteilungkein Querschnittsverlust durch Bohrlöcherkein Querschnittsverlust durch Bohrlöchergeringe Temperaturbelastung beim Fügen, keine geringe Temperaturbelastung beim Fügen, keine Gefügeänderung wie in der WEZGefügeänderung wie in der WEZVermeidung von EigenspannungenVermeidung von EigenspannungenGeeignet zum stoffschlüssigen Verbinden Geeignet zum stoffschlüssigen Verbinden verschiedener Werkstoffeverschiedener WerkstoffeDichtwirkung, Isolierung und Dichtwirkung, Isolierung und SchwingungsdämpfungSchwingungsdämpfungToleranzausgleich und rationelle Toleranzausgleich und rationelle AutoAutomatisierbarkeitmatisierbarkeit

48

ZusammenfassungZusammenfassung

Richtig angewendet ist die Klebtechnik eines der Richtig angewendet ist die Klebtechnik eines der vielseitigsten und wirtschaftlichsten Fügeverfahrenvielseitigsten und wirtschaftlichsten Fügeverfahren

Neben dem reinen Verbinden bieten Klebverbindungen Neben dem reinen Verbinden bieten Klebverbindungen Mehrwert durch technisch wertvolle NebenfunktionenMehrwert durch technisch wertvolle Nebenfunktionen

Das Beherrschen der Klebtechnik setzt das Verständnis Das Beherrschen der Klebtechnik setzt das Verständnis der physikalischen und chemischen Grundlagen vorausder physikalischen und chemischen Grundlagen voraus

Zukunftspotenziale ergeben sich aus der kontinuierlichen Zukunftspotenziale ergeben sich aus der kontinuierlichen Verbreiterung des Werkstoffspektrums und den sich Verbreiterung des Werkstoffspektrums und den sich daraus ergebenden Herausforderungen an die daraus ergebenden Herausforderungen an die FügetechnikFügetechnik in allen Industriebereichenin allen Industriebereichen