Klebstoff revolutioniert Fertigungstechnologien

07.06.2018 Engineering

Einführung in die Klebetechnik

Das Kleben ist keine neue Antwort auf herausfordernde technische Fragestellungen, wie ein Blick in die Geschichte des Flugzeugbaus zeigt. Schon die ersten Flugzeuge bestanden aus verklebten Holz- und Textilelementen. Einen weiteren Meilenstein markiert die Fokker F-27, die von ihrer verklebten Aluminiumstruktur auch mehr als 60 Jahre nach Indienststellung noch sicher in der Luft gehalten wird.

Das Prinzip hinter dem Kleben ist stets dasselbe: Zwischen den zu verbindenden Teilen befindet sich Klebstoff, der zum einen einen stark ausgeprägten Zusammenhalt (Kohäsion) als auch eine starke Haftung an der Oberfläche der Fügeteile (Adhäsion) aufweist. Es besteht ein ständig wachsendes Sortiment an technischen Klebstoffen für die unterschiedlichsten Anwendungen. Die Eigenschaften hinsichtlich der Verarbeitungsparameter, mechanischer und thermischer Eigenschaften sowie Alterung, Lösbarkeit der Verbindung und Medienbeständigkeit sind dementsprechend unterschiedlich ausgeprägt. Klebstoffe können beispielsweise je nach Anwendung innerhalb von Sekundenbruchteilen unter Einwirkung von Wärme oder Licht aushärten oder erst nach mehreren Tagen. Eine Herausforderung ist die Alterung der Klebstoffe, die die Festigkeit von Verbindungen über die Zeit beeinflussen kann. Die Entwicklung prozesssicherer Klebeverfahren und Möglichkeiten zur Überwachung der Klebenaht machen es möglich, Klebstoffe auch für besonders sicherheitsrelevante Verbindungen zu verwenden.

© Zenodot Verlagsgesellschaft mbH [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Warum es neue Fügeverfahren braucht

Durch die Aufhebung fertigungsbedingter geometrischer Einschränkungen bei der Konstruktion erweitert sich der Lösungsraum für die Ingenieure zunehmend. Mehr dazu, wie neue Fertigungsverfahren die belastungs- und gewichtsoptimierte Gestaltung von Bauteilen ermöglichen, finden Sie in unserem Beitrag über die Revolution des 3D-Drucks. Das große Potenzial solcher Verfahren liegt nicht nur im schichtweisen Aufbau, der neuartige Wabenstrukturen entstehen lässt, sondern auch in der extremen Verkürzung der Zeitspanne zwischen digitaler Konstruktion und physischem Bauteil. Daneben sind moderne Verbundwerkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe ein zentraler Bestandteil dieses Innovationsprozesses. Welche Rolle alternative Werkstoffe zukünftig für die Aviation-Branche spielen können, lesen Sie in unserem Artikel über High-Tech-Fasern.

Doch obwohl Materialien und die Technologien zu deren Verarbeitung häufig bereits zur Verfügung stehen, gibt es ein Hemmnis für den Serieneinsatz: Die optimale Verbindung. Denn die neuen Materialien und Bauteile sind zwar für sich genommen optimal auf ihren Einsatz ausgelegt, sie müssen sich allerdings auch zum Endprodukt verbinden lassen. Die zentralen Kriterien an die Fügetechnik haben sich dabei nicht geändert. Weiterhin gilt es, Kosten, Dauer und Haltbarkeit der Verbindung in der Balance zu halten. Herkömmliche Fügeverfahren wie Schrauben, Nieten und Schweißen kommen dabei an ihre Grenzen, denn sie lassen sich meist schlecht mit den neuartigen Werkstoffen und formgebenden Verfahren kombinieren. Beispielsweise schwächen die für Nieten und Schrauben notwendigen Löcher das Material lokal. Beim Schweißen stellen hybride Verbindungen ein großes Problem dar. Auch weil die lokale Hitzeentwicklung die Materialeigenschaften ungewollt beeinflussen kann, haben sich Ingenieure und Wissenschaftler auf die Suche nach Alternativen begeben.

Die Potenziale von Klebeverbindungen

Sie sind fündig geworden und dass das Kleben aus der Automobilfertigung bereits nicht mehr wegzudenken ist, zeigen diese Zahlen: Zwischen 15 und 18 kg Klebstoff enthält heute ein Auto. Zukünftig könnte sich der Anteil noch deutlich erhöhen. Denn während Klebstoffe auch zunehmend für Strukturverbindungen eingesetzt werden und konventionelle Verfahren verdrängen, gibt es in anderen Bereichen seit jeher nur wenige Alternativen zum Kleben. Das gilt vor allem für die Elektronik, wo Displays, Steuergeräte, Sensoren und Elektromotoren automatisiert verklebt werden.

Zu den Vorteilen des Klebens zählen unter anderem die hohe erreichbare Fügegeschwindigkeit, eine gesteigerte Struktursteifigkeit sowie Potenziale zur Senkung von Kosten und Gewicht. Diese ergeben sich nicht nur aus der Einsparung von Verbindungselementen wie Nieten oder Schrauben, sondern darüber hinaus auch aus den Möglichkeiten zur Funktionsintegration. Der Klebstoff kann nämlich nicht nur Bauteile zusammenhalten, sondern auch Schwingungen dämpfen, elektrisch leiten oder sperren und Verformungsenergie aufnehmen. Klebeverbindungen gewährleisten eine hohe Dauerschwingfestigkeit und eine gleichmäßige Spannungsverteilung. Dies wirkt der Materialermüdung an den Bauteilen entgegen. Damit ist das Kleben besonders für Anwendungen im Automobil- und Flugzeugbau prädestiniert.

© Sika
© Sika

Anwendung in der Fertigung von Hightech-Produkten

Die Automobilindustrie setzt für die Verbindung von Karosserieteilen zunehmend auf das Hybridfügen. Dabei handelt es sich um die Kombination von Kleben und Fügen durch Umformen (sogenanntes Clinchen). Zuerst wird der Klebstoff auf die Fügeteile aufgebracht, bevor die Teile durch Umformen miteinander verbunden werden. Dadurch entsteht eine besonders zuverlässige Verbindung. Solche hohen Festigkeiten werden vor allem im Crashfall benötigt, denn nur wenn die Verbindungen halten, können die entsprechenden Bauteile die immensen Kräfte aufnehmen. Geklebte Karosserien schneiden im Crashtest dementsprechend regelmäßig besser ab als geschweißte. Das Neuartige dabei: Die Verbindung lässt sich auch noch auf ausgesprochen effiziente Weise in den Produktionsprozess integrieren. Denn während die mechanische Komponente der Verbindung die für die folgenden Prozessschritte benötigte Anfangsfestigkeit sicherstellt, kann der Klebstoff aushärten. So entsteht eine hohe Dauerfestigkeit ohne Beeinträchtigung der Prozesszeit.

Im Flugzeugbau werden Klebstoffe bisher vor allem für die Befestigung von Blenden und Panels auf Sandwichstrukturen im Interieur und für die Bordelektronik genutzt. Außerdem dienen Klebstoffe der Versteifung und Vibrationsdämpfung in Triebwerkskomponenten. Doch mit den Anforderungen an die Emissionsreduktion von Passagierflugzeugen nimmt auch die Attraktivität des Leichtbaupotenzials von Klebeverbindungen zu. So hat es der Automobilbau bereits vorgemacht und auch im Flugzeugbau werden immer mehr Strukturverbindungen durch Kleben hergestellt. Dadurch ergeben vor allem für Rumpf, Flügel und Leitwerke deutlich größere Gestaltungsspielräume. Diese werden für die Luftfahrt der Zukunft auch benötigt, wie die erfolgversprechende Bauform des Nurflüglers zeigt. Warum ihm die Zukunft gehören könnte, lesen Sie in unserem Ausblick auf die kommenden Entwicklungen der Luftfahrt.

Bei ARTS die Innovation der Fügetechnik mitgestalten

Die Zeiten in der Fügetechnik sind so spannend wie lange nicht mehr. Denn während herkömmliche Verfahren wie das Schweißen, Nieten und Schrauben ausgereizt erscheinen, bietet das Kleben neue Möglichkeiten. Einmal mehr nehmen Hightech-Industriezweige wie Automobil- und Flugzeugbau eine Vorreiterrolle bei der Etablierung neuer Technologien ein und setzen Klebstoffe für stark beanspruchte Strukturverklebungen ein.

Applikationsingenieure für Schwingungsdämpfung und Klebetechnik, Oberflächentechniker, technische Konfektionäre, Laminierer sowie Karosserie- und Fahrzeugbauer haben dabei einen wertvollen Wissensvorsprung. Bei ARTS können Sie dieses Kapital nutzen und unsere Kunden bei der Umsetzung ihrer Visionen unterstützen. Gestalten Sie zusammen mit uns diesen spannenden Wandel und die Produkte der Zukunft und bewerben Sie sich in unserer Jobbörse auf Ihren Traumjob!

Quellen: 3M | aero-mag.com | ComBoNDT | Daniel O. Adams | DELO | klebstoffe.com | Konstruktionspraxis Vogel | TIB

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