Fügen im Leichtbau

Herausforderungen und Klebstoffe als Schlüsseltechnologie

Antonio Pagliuca (PhD)

 

Senior Technical Specialist – Anwendungstechnik

Beim Leichtbau kommt es auf jedes einzelne Gramm an. Eine Voraussetzung dafür, wie jeder weiß, ist der Einsatz der allerleichtesten Werkstoffe, z. B. Kunststoffe, Schaumstoffe und Leichtmetalle. Weniger bekannt ist jedoch, wie man durch Auswahl des Fügeverfahrens oder -materials zu Gewichtseinsparungen beitragen kann. Neben dem offensichtlichen Aspekt, dass ein Befestigungsmittel unerwünschtes Zusatzgewicht bedeutet, werfen herkömmliche Verbindungstechniken aber auch noch andere Probleme auf.

Schauen wir uns die größeren Herausforderungen beim Fügen im Leichtbau einmal genauer an, um zu zeigen, wie man diesen durch den Einsatz moderner Klebstoffe begegnen kann. Dabei geht es um mehr als reine Problemlösung. Gleichzeitig eröffnen sich dadurch auch Möglichkeiten für innovativeres Design und verbesserte Montageverfahren.

 

Fügen unterschiedlicher Werkstoffe

Im Leichtbau müssen häufig zwei unterschiedliche Werkstoffe wie Kunststoff und Leichtmetall miteinander verbunden werden. Diese können sehr unterschiedliche Eigengewichte und Oberflächenenergien aufweisen. Dadurch stellt sich sofort das Problem: Die beiden unterschiedlichen Substrate müssen zusammengefügt werden, während gleichzeitig die strukturelle Unversehrtheit erhalten bleiben und die Last gleichmäßig über die Oberfläche verteilt werden muss, um Punktbelastung zu vermeiden.

Was könnte das in der Praxis bedeuten? Dass sich Kunststoff und Metalle nicht einfach verschweißen lassen, liegt auf der Hand. Dieses Verfahren scheidet also von vornherein aus. Nieten oder andere Befestigungselementen bedeuten zusätzliches Gewicht, während die Löcher gleichzeitig Schwachstellen im Material verursachen. Klebstoffe andererseits wiegen in der Regel nicht nur weniger als andere Fügemittel. Sie ermöglichen auch eine gleichmäßige Lastverteilung. Bei Auswahl des passenden Produkts sind sie zudem ideal, um ungleiche Werkstoffe zu verbinden.

 

Fügen und Abdichten in einem

Will man neben der Verbindung gleichzeitig auch eine sichere Abdichtung erzielen, darf das ausgewählte Fügematerial keine zusätzlichen Probleme schaffen. So entstehen beispielsweise beim Bohren von Löchern Lücken oder Angriffspunkte, die ein Eindringen von Feuchtigkeit oder Korrosion, Luft oder Wärme zur Folge haben können.

Klebstoffe werden immer häufiger eingesetzt, um zu verbinden und gleichzeitig Oberflächenbereiche abzudichten. Denn sie sind wasser- und luftdicht und ermöglichen trotzdem eine starke, leichtgewichtige Verbindung. So gelangen z. B. Flüssigklebstoffe selbst in die engsten Bereiche, um dort eine sichere Abdichtung zu schaffen.

Geräusch, Vibrationen und Rauigkeit (NVH)

In den Branchen, in denen Leichtbau eingesetzt wird, sind die Konstrukteure meistens auch bestrebt, Rattern und Vibration durch Wind, Motor oder Lüftergeräusche, Schütteln und Ruckeln zu verhindern. Der Fahrzeugbau ist dafür ein gutes Beispiel. Denn diese Erscheinungen sind nicht nur störend. Sie bedeuten gleichzeitig auch Energieverschwendung und können im Laufe der Zeit Verschleiß an den Bauteilen hervorrufen.

Auch hier haben Klebstoffe eine doppelte Aufgabe zu erfüllen: Weiche oder formbare Klebstoffe und Klebebänder können nicht nur dazu dienen, leichtgewichtige Verbindungen zu schaffen. Sie absorbieren gleichzeitig auch Energie.

 

Dünne Substrate

Speziell bei dünnen Materialien können Bohren oder Wärmeanwendung die Oberfläche beschädigen, z. B. Verdrehung, Verformung oder Verlust der Bindungskraft verursachen. Beim Bohren ist zudem ein gesonderter Montageprozess erforderlich. Das hat nicht nur zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand, sondern auch unerwünschtes Gewicht zur Folge – ein weiterer Punkt, der sich negativ auf dünne Substrate auswirken kann.

Dank neuester Fortschritte bei Flüssigklebstoffen und Klebebändern ist es jetzt möglich, selbst hauchdünne Substrate zu verbinden, ohne dabei Design oder Leistung zu beeinträchtigen.

 

Wärmeausdehnungsfähigkeit

Stichwort Engineering 101: Je nach Temperatur dehnen sich Materialien oder ziehen sich zusammen. Dazu kommt, dass dies bei verschiedenen Werkstoffen und Komponenten in individuellem Maße geschieht. Zu den natürlichen Temperaturunterschieden kommt noch die zusätzliche Wärme, die z. B. ein Rennwagen auf einer Formel-1-Strecke erzeugt.

Bei herkömmlichen Verbindungstechniken können Dehnung oder Schrumpfung alle möglichen Probleme verursachen, z. B. unerwünschte Bewegung zwischen Bauteilen, Einlass von Feuchtigkeit oder Luft und sogar Produktversagen.

Eine Lösung für dieses Problem: die Wahl eines flüssigen Klebstoffs oder eines Klebebands mit der Fähigkeit, Oberflächen mit verschiedenen Dehnungs- und Schrumpfungskoeffizienten zu verbinden, ohne dass die Klebkraft in irgendeiner Form darunter leidet.

 

Ästhetik

Last but not least kommen ästhetische Überlegungen ins Spiel. In vielen Leichtbauanwendungen, speziell bei Verbraucherprodukten, spielt die Optik eine große Rolle. Nieten, Löcher und andere traditionelle Verbindungstechniken müssen optisch in das Design eingebaut werden. Das wirkt sich oft störend auf den optischen Gesamteindruck aus.

Hingegen sind Klebstoffe größtenteils unsichtbar. Klebstoffe werden „innen“ aufgetragen, sodass Fugen und Befestigungsstellen dem Blick verborgen bleiben. Ein weiteres Plus: Sie können zu einfallsreicheren, flexibleren Designkonzepten anregen und ermöglichen so sehr viel mehr Innovationsfreiheit als je zuvor.

 

Die Auswahl des richtigen Klebstoffs für den Leichtbau

Sind Klebstoffe also die Lösung für alle Verbindungsanwendungen, bei denen Gewicht eingespart werden soll?

Das kann man so nicht unbedingt sagen. Denn beim Verkleben im Leichtbau müssen ganz eigene Aspekte berücksichtigt werden. Der Einsatz von Klebstoffen für leichtgewichtige Konstruktionen ist nicht schwer, aber anders. Und jeder Techniker kann sich mühelos das entsprechende Grundwissen dafür aneignen. Das A und O dabei: Man muss nicht nur die Belastungen der verschiedenen Fügeteile, sondern auch die der Klebstoffe kennen.

Zum Beispiel weisen Werkstoffe aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und den meisten Polymeren mit geringer Dichte eine niedrigere Oberflächenenergie auf, was ihre Verklebung erschwert und Schritte zur Vorbereitung der Oberfläche erforderlich machen kann. Bei einigen Substraten – z. B. bei syntaktischem Schaum, der häufig im Schiffsleichtbau zum Einsatz kommt – kann der falsche Klebstoff zur Gefahr von Durchsickern führen.

Die gute Nachricht ist, dass auf dem Gebiet der Klebstofftechnologie in den vergangenen Jahren Riesenfortschritte erzielt worden sind. So hat 3M eine Reihe von Lösungen entwickelt, mit denen sich die meisten Verbindungsprobleme im Leichtbau gezielt mit Blick auf unterschiedliche Elastizitätsmodule, Viskositäten, Wärmeausdehnungsquotienten, Flexibilität und Fähigkeit zum Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe beheben lassen. Klebstoffe sind in verschiedenen Formen erhältlich, z. B. als Sprühkleber, Klebebänder oder Acrylatklebstoffe.

Das Angebot von 3M enthält unter anderem Klebstoffe, die auch ohne eine Oberflächenvorbereitung die erforderliche Benetzung für eine solide Verklebung erzielen (sprich den Kontakt zur Oberfläche herstellen können, der eine ausreichende Adhäsionskraft gewährleistet). Dazu gehört ein spezieller Klebstoff, der Konstruktionsverklebungen zwischen Polyethylen oder Polypropylen ermöglicht.

 

Mit Klebstoff neue Möglichkeiten im Leichtbau erschließen

Leichtbau ist und bleibt ein Megatrend in der Produktgestaltung. Entsprechend wird die Auswahl der optimalen Verbindungstechnik immer wichtiger. Denn Entwickler und Hersteller sind bestrebt, so viel unnötiges Gewicht wie nur möglich einzusparen. Die gute Nachricht ist, dass Klebstoffe dieser Herausforderung mehr als nur gewachsen sind. Sie machen aus dem Fügeverfahren eine wegweisende Technologie, die Unternehmen dabei helfen kann, die Grenzen des Leichtbaus heute und in Zukunft immer weiter auszudehnen.

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