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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
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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
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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
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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%
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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%
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Material: rostfreier Stahl 1.4301Material: rostfreier Stahl 1.4301Klebstoff: 2KKlebstoff: 2K--EpoxidEpoxidVorbehandlung: USVorbehandlung: US--entfettetentfettetAlterung: ungealtert Alterung: ungealtert
Zugs
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fest
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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
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fest
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it [M
Pa]
Zugs
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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
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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
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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
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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