Kleben in der Technik

Kleben gehört zu den stoffschlüssigen Verbindungen — die Teile werden durch eine durchgehende Stoffschicht zusammengehalten, nicht durch Formschluss wie bei einer Schraube oder durch Reibung wie bei einem Presssitz. Damit steht Kleben in einer Reihe mit Löten und Schweißen. Der entscheidende Unterschied: Beim Schweißen schmilzt der Grundwerkstoff selbst auf, beim Löten ein Zusatzwerkstoff bei hoher Temperatur. Beim Kleben bleibt alles kalt. Der Zusammenhalt kommt allein aus dem ausgehärteten Klebstoff zwischen den Fügeteilen.

Ob eine Verbindung später wieder gelöst werden kann oder nicht, ist ein eigenes Thema für sich — Klebungen sind in der Regel unlösbar, manche Klebstoffe lassen sich aber durch Wärme oder Lösemittel wieder trennen. Die grundsätzliche Einteilung in lösbare und unlösbare Verbindungen wird an anderer Stelle ausführlich behandelt.

Wo spielt Kleben seine Stärken aus? Immer dann, wenn man unterschiedliche Werkstoffe verbinden will — Metall mit Kunststoff, Glas mit Aluminium —, was bei Schweißen schlicht nicht geht. Die Last verteilt sich flächig statt punktuell wie bei einer Niete oder Schraube, dadurch gibt es keine Kerbwirkung an Bohrungen. Und die Klebefuge dichtet die Verbindung gleich mit ab.

Dem stehen Grenzen gegenüber: Klebstoffe vertragen nur begrenzt Temperatur, sie brauchen Zeit zum Aushärten, und eine ausgehärtete Klebung lässt sich kaum zerstörungsfrei demontieren. Die Oberflächen müssen sauber vorbereitet sein, sonst hält nichts.

Eine Klebung muss an zwei Fronten halten. Erstens muss der Klebstoff an der Oberfläche der Fügeteile haften — das ist die Adhäsion, die Haftung zwischen zwei verschiedenen Stoffen. Zweitens muss der ausgehärtete Klebstoff in sich selbst zusammenhalten — das ist die Kohäsion, der innere Zusammenhalt eines Stoffes. Versagt eine der beiden, versagt die Klebung.

Damit Adhäsion überhaupt zustande kommt, muss der flüssige Klebstoff die Oberfläche benetzen, also sich flach ausbreiten und in jede Vertiefung kriechen, statt sich zu Tropfen zusammenzuziehen. Ob das gelingt, hängt von der Oberflächenenergie ab — vereinfacht: wie „gerne“ eine Oberfläche von einer Flüssigkeit benetzt wird. Metall und Glas haben eine hohe Oberflächenenergie und lassen sich gut benetzen. Viele Kunststoffe wie Polyethylen oder Polypropylen haben eine niedrige — auf ihnen perlt der Klebstoff ab wie Wasser auf einer eingefetteten Scheibe. Solche Werkstoffe muss man vor dem Kleben besonders vorbehandeln.

Das Bruchbild verrät, woran eine Klebung gescheitert ist. Reißt der Klebstoff sauber von einer Oberfläche ab und bleibt das Fügeteil blank zurück, war die Adhäsion zu schwach — meist eine Folge schlechter Oberflächenvorbereitung. Das nennt man adhäsiven Bruch. Reißt dagegen der Klebstoff in sich selbst auseinander und es bleibt auf beiden Seiten Klebstoff kleben, war die Haftung gut und die Klebung an ihrer Werkstoffgrenze. Das ist der kohäsive Bruch — und genau das will man sehen. Eine gut ausgelegte Klebung soll kohäsiv versagen, nicht adhäsiv.

Klebstoffe lassen sich danach einteilen, wie sie vom flüssigen in den festen Zustand übergehen. Bei den physikalisch abbindenden Klebstoffen ist der Klebstoff bereits fertig — er wird nur fest, indem ein Lösemittel verdunstet, eine Schmelze erstarrt oder Wasser aus einer Dispersion entweicht. Bei den chemisch härtenden Klebstoffen — den Reaktionsklebstoffen — läuft beim Aushärten eine chemische Reaktion ab, die ein völlig neues, festes Molekülnetz bildet. Die tragfähigsten Konstruktionsklebungen gehören fast immer zu dieser zweiten Gruppe.

Ein wichtiger Begriff dabei ist 1K und 2K: Einkomponentige Klebstoffe (1K) sind gebrauchsfertig und härten durch Luftfeuchtigkeit, Luftabschluss oder Wärme. Zweikomponentige (2K) bestehen aus Harz und Härter, die erst kurz vor dem Auftragen im richtigen Verhältnis gemischt werden und dann miteinander reagieren.

Die anaeroben Klebstoffe sind ein Sonderfall, der in der Werkstatt ständig vorkommt: Sie härten nur unter Luftabschluss und in Anwesenheit von Metall — also genau im engen Spalt eines Schraubengewindes. An der Luft bleiben sie flüssig. Deshalb eignen sie sich zum Sichern und Dichten von Schraubverbindungen und zum Festsetzen von Lagern oder Buchsen auf Wellen. Welche Festigkeit man wählt — leicht lösbar oder hochfest —, richtet sich danach, ob die Verbindung später nochmal aufgehen soll.

Die Auswahl des richtigen Klebstoffs hängt an drei Fragen: Welche Werkstoffe sollen verbunden werden? Welche Kräfte und welche Art der Belastung treten auf? Und welche Temperaturen, Medien und Umgebungsbedingungen muss die Klebung aushalten?

Eine Klebung ist nicht gegen jede Belastungsrichtung gleich stark. Auf Scherung beansprucht — wenn die beiden Fügeteile in der Klebeebene gegeneinander gezogen werden — hält eine Klebung am besten, weil die ganze Klebefläche gleichmäßig mitträgt. Schlecht sind dagegen Schälen (eine dünne Fügeteilkante wird wie eine Tapete abgezogen) und Spaltung (die Klebung wird an einer Kante aufgehebelt). Bei beiden konzentriert sich die gesamte Last auf eine schmale Linie am Rand statt auf die Fläche — und dort reißt die Klebung dann auf.

Die Konstruktionsregel daraus: Klebungen so gestalten, dass sie auf Scherung belastet werden, und Schäl- und Spaltbelastung vermeiden. Die klassische Bauform dafür ist die Überlappungsverbindung, bei der zwei Bleche flächig übereinandergelegt und verklebt werden.

Wie stark eine überlappte Klebung belastet ist, beschreibt die Scherspannung. Sie ist die Kraft, geteilt durch die Klebefläche:

Die Klebefläche einer rechteckigen Überlappung ergibt sich aus Breite mal Überlappungslänge:

Daraus folgt eine praktische Erkenntnis: Will man die Spannung in der Klebung senken, vergrößert man die Fläche, nicht die Klebstoffdicke. Eine dickere Klebschicht macht die Verbindung nicht stärker — im Gegenteil, ein zu dicker Spalt schwächt sie sogar. Mehr Tragfähigkeit holt man über eine größere Überlappung oder Breite. Allerdings nicht beliebig: Bei sehr langen Überlappungen tragen die Enden überproportional und die Mitte kaum noch mit, sodass eine doppelt so lange Klebung nicht die doppelte Kraft hält.

Die beste Klebstoffwahl nützt nichts, wenn die Verarbeitung nicht stimmt. Der erste und wichtigste Schritt ist die Oberflächenvorbereitung. Die Klebeflächen müssen sauber, fettfrei und trocken sein. Praktisch heißt das: gründlich reinigen, dann mit einem geeigneten Reiniger entfetten, oft die Fläche leicht aufrauen, damit sich der Klebstoff besser verkrallt und die wirksame Fläche größer wird. Bei schwierigen Werkstoffen wie manchen Kunststoffen kommt ein Primer dazu — ein Haftvermittler, der erst aufgetragen wird und die Oberfläche klebbar macht.

Bei einem 2K-Klebstoff folgt das Dosieren und Mischen: Harz und Härter müssen im vom Hersteller vorgegebenen Verhältnis und gründlich gemischt werden, sonst härtet die Verbindung nicht vollständig aus. Doppelkartuschen mit Statikmischer nehmen einem diese Arbeit ab und mischen automatisch im richtigen Verhältnis.

Dann wird gefügt und fixiert: Teile zusammenfügen, ausrichten und so lange in Position halten, bis der Klebstoff genug Festigkeit hat. Dabei spielen mehrere Zeiten eine Rolle. Die Topfzeit (bei 2K) ist die Spanne, in der das angemischte Gemisch noch verarbeitbar bleibt. Die Offenzeit ist die Zeit, in der die Teile nach dem Auftragen noch gefügt werden können. Und die Endfestigkeit erreicht eine Klebung oft erst nach Stunden oder Tagen — die anfängliche Handfestigkeit ist nicht die volle Belastbarkeit.

Ein punkt, den man nicht übergehen darf, ist die Sicherheit. Viele Klebstoffe und Reiniger enthalten Lösemittel, die sich entzünden können und deren Dämpfe man nicht einatmen sollte — also für gute Belüftung sorgen und von Zündquellen fernhalten. Polyurethan-Klebstoffe enthalten Isocyanate, die Haut und Atemwege reizen können. Cyanacrylat klebt Haut in Sekunden zusammen. Deshalb gehören Handschuhe, gegebenenfalls Schutzbrille und ausreichende Lüftung zur Verarbeitung — und vor der ersten Anwendung ein Blick ins Sicherheitsdatenblatt des Produkts.