Das Kleben ist ein Fertigungsverfahren aus der Hauptgruppe Fügen. Wie Schweißen und Löten gehört auch das Kleben zu den stoffschlüssigen Fügeverfahren. Durch Kleben werden Fügeteile mittels Klebstoff miteinander verbunden.
Geschichte Auch wenn das Kleben als Fügeverfahren eng mit der Entwicklung der Kunststoffe verbunden ist – die meisten heute verwendeten Klebstoffe sind von der Natur her Kunststoffe – ist es doch ein sehr altes Fügeverfahren. Erste Nachweise für die Verwendung von Birkenpech zeigen, dass schon vor 220.000 Jahren Birkenpech durch trockene Destillation aus Birkenrinde gewonnen und als Klebstoff zur Herstellung von Werkzeugen verwendet wurde.Paul Peter Anthony Mazza, Fabio Martini, Benedetto Sala u. a.: A new Palaeolithic discovery: tar-hafted stone tools in a European Mid-Pleistocene bone-bearing bed. In: Journal of Archaeological Science. Band 33, Nr. 9, 2006, S. 1310–1318. Weitere Beispiele zur Geschichte des Klebens findet man unter Klebstoff.
Grundlagen mini|Universalklebstoff Die kraftübertragende Wirkung eines Klebstoffs beruht auf dem Zusammenspiel von Adhäsion – der Fähigkeit eines Stoffes, zu der Oberfläche eines anderen Stoffes Haftkräfte aufzubauen – und Kohäsion – der inneren Festigkeit des (verfestigten) Klebstoffs.
Adhäsion Die Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche, auf denen die Adhäsion hauptsächlich beruht, haben mit weniger als 1 Nanometer eine nur äußerst geringe Reichweite. Deshalb ist eine gute Benetzung der Fügeteile durch den noch nicht verfestigten, also flüssigen Klebstoff eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung einer qualitativ hochwertigen Klebung. Neben der Benetzungsfähigkeit müssen Klebstoff und Fügeteil zueinander passende Molekülgruppen aufweisen, damit es zur Ausbildung von Wechselwirkung zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche und somit zur Adhäsion kommen kann.
Die Adhäsionskräfte beruhen meist auf physikalischen Wechselwirkungen, wie z. B. auf solchen zwischen polaren oder polarisierbaren Gruppen, auf Wasserstoffbrückenbindungen oder den sogenannten Van-der-Waals-Kräften. Beim Kleben von Kunststoffen insbesondere mit lösemittelhaltigen Klebstoffen können zudem Diffusionsprozesse auftreten. Hierbei wird der Kunststoff an der Fügeteiloberfläche durch das im Klebstoff enthaltene Lösemittel angelöst. Dies führt zu einer erhöhten Beweglichkeit der Polymerketten, was wiederum eine Durchdringung der Polymerketten des Fügeteils mit denen des Klebstoffs erlaubt. Im Endeffekt kommt es zur Ausbildung zusätzlicher Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten des Klebstoffs und des Fügeteils. Nach dem Verdunsten des Lösemittels entsteht so eine feste Verbindung. Chemische Bindungen sind bei bestimmten Fügeteil-Klebstoff-Kombinationen, z. B. beim Kleben von Glas mit Silikonklebstoffen, von Holz mit Polyurethanklebstoffen oder von Aluminium mit Epoxidklebstoffen ebenfalls möglich. Im Vergleich zu physikalischen Wechselwirkungen führen chemische Wechselwirkungen zu deutlich höheren Adhäsionskräften. Zusätzlich kann es durch ein Eindringen des flüssigen Klebstoffs in Hinterschneidungen nach seiner Härtung zu einem gewissen, die Festigkeit erhöhenden zusätzlichen Formschluss kommen.
Da das Zustandekommen von Adhäsionskräften zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche nicht nur eine für den jeweiligen Fügeteilwerkstoff geeignete Klebstoffzusammensetzung erfordert, sondern auch hohe Anforderungen an die Fügeteiloberfläche stellt, kommt dieser für das Kleben eine hohe Bedeutung zu. So ist es einsichtig, dass aufgrund der geringen Reichweiten der Adhäsionskräfte die Beschaffenheit der äußersten Oberflächenschicht ausschlaggebend ist. Diese muss zudem ausreichend fest mit dem Untergrund verbunden sein; auf einer korrodierten Stahloberfläche haften viele Klebstoffe sehr gut, jedoch ist die Korrosionsschicht – der Rost – nicht fest mit dem Untergrund verbunden. Bei Belastung kommt es zu einem Versagen in dem korrodierten Material oder zwischen der Rostschicht und dem unveränderten Stahl. Ähnliches gilt für beschichtete Fügeteile. Hier stellt die Beschichtung die Oberfläche dar, zu der der Klebstoff Adhäsion aufbauen muss. Die Beschichtung wiederum muss ausreichend fest mit dem Untergrund verbunden sein.
Genauso verhindern Verunreinigungen, insbesondere solche, die aufgrund ihrer geringen Oberflächenspannung einer Benetzung durch den Klebstoff entgegenwirken (z. B. Öle, Trennmittel etc.) die Ausbildung der, die Adhäsion ausmachenden Wechselwirkungen. Verunreinigungen bilden sozusagen eine Barriere zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche, die von den Adhäsionskräften aufgrund ihrer geringen Reichweite nicht überbrückt werden können.
Daher müssen Verunreinigungen in der Regel vor dem Kleben entfernt werden. Hierbei gilt die Faustformel: Nicht so sauber wie möglich, sondern so sauber wie nötig. Einige spezielle Klebstoffe zeigen eine gewisse Verträglichkeit mit bestimmten Ölen. Sie sind in der Lage bestimmte Öle während der Klebstoffhärtung, die bei erhöhter Temperatur erfolgt in sich aufzunehmen und somit aus der Grenzschicht zwischen Klebstoff und Fügeteil zu entfernen. Derartige Klebstoffe werden z. B. im Karosseriebau der Automobilindustrie verwendet. Sie erlauben das Kleben von mit Korrosionsschutz- und Ziehölen behafteter Blechteile ohne deren vorherige Reinigung; die Klebstoffhärtung erfolgt hier in den nachfolgenden für die Lackhärtung erforderlichen Öfen bei Temperaturen zwischen ca. 150 und 200 °C.
Verfestigung des Klebstoffs – Kohäsion Mit zunehmender Verfestigung des Klebstoffs steigt dessen innere Festigkeit, die Kohäsion an. Die Kohäsion beruht ebenfalls auf physikalischen Wechselwirkungen, hier zwischen den einzelnen Klebstoffpolymeren. Bei Klebstoffen, die durch eine chemische Reaktion härten, die Bildung der Polymere also durch eine chemische Reaktion der Klebstoffbestandteile erfolgt spielen die dabei entstehenden chemischen Bindungen eine wichtige Rolle.
Eigenschaften einer Klebung Die Kohäsions- und Adhäsionseigenschaften des Klebstoffs bestimmen im Zusammenspiel mit dem Fügeteil die Eigenschaften einer Klebung. Während die Adhäsionseigenschaften im Wesentlichen bestimmen, ob ein Klebstoff auf einem Fügeteil klebt (haftet), leisten die Kohäsionseigenschaft einen großen Beitrag zu den mechanischen Eigenschaften der Klebung, insbesondere dem Verformungsverhalten bei Lasteinwirkung.
Es ist zu berücksichtigen, dass Klebverbindungen nicht nur einer gewissen Alterung unterliegen, sondern ihre Eigenschaften von den jeweiligen Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängig sind. Auch können sowohl die die Adhäsion bildenden Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteil als auch die die Kohäsion bewirkenden Inter-intramolekularen Wechselwirkungen durch äußere Einflüsse (u. a. Temperatur, Feuchtigkeit, Chemikalien, Strahlung, mechanische Belastung) nachteilig beeinflusst werden. Das Ausmaß der Beeinträchtigung ist von der Art der einwirkenden Bedingungen und deren Zeitdauer abhängig; der Vorgang wird als Alterung bezeichnet. Bei der Planung einer Klebung muss also neben den real einwirkenden Umgebungsbedingungen auch deren eventuell langfristige Wirkung berücksichtigt werden.
Aufgrund der Vielzahl von Einflussparametern und zum Teil gegensätzlichen Anforderungen an Klebverbindungen wird leicht verständlich, dass es den sogenannten „Alleskleber“ nicht geben kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass, entgegen dem häufig noch üblichen Sprachgebrauch, der Begriff „Klebstoff“ das Material beschreibt, das durch das Zusammenspiel von Adhäsion und Kohäsion Fügeteile verbindet. Der „Kleber“ dagegen ist die, die Klebung herstellende Person.
Klebstoffauswahl mini|Wichtige, bei der Klebstoffauswahl zu berücksichtigende Kriterien Die Auswahl eines geeigneten Klebstoffs für eine spezielle Anwendung sollte auf Basis eines spezifischen Anforderungsprofils erfolgen. In diesem Anforderungsprofil werden alle unmittelbaren, überprüfbaren Anforderungen an das zu klebende Bauteil und daraus resultierend an die Klebung und den Klebstoff aufgeführt. Es kann zwischen Anforderungen unterschieden werden, die zwingend erfüllt werden müssen und solchen, deren Erfüllung vorteilhaft aber eben nicht zwingend notwendig ist. Berücksichtigt werden müssen darüber hinaus Vorgaben aus dem Klebprozess, einschließlich solcher aus vor- und nachgelagerten Prozessschritten. Die nebenstehende Abbildung gibt, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, einen Überblick über die wichtigsten, bei der Klebstoffauswahl zu berücksichtigenden Parameter.
Vorteile und Nachteile des Klebens Vorteile des Klebens Die wichtigsten Vorteile sind: es können nahezu alle Werkstoffe mittels Kleben mit sich selbst oder anderen Werkstoffen verbunden werden; aufgrund der flächigen Kraftübertragung wird eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte über die gesamte Klebfläche erreicht. Dies erlaubt eine optimale Ausnutzung der Fügeteileigenschaften; durch Wahl einer entsprechend großen Klebfläche können relativ hohe Kräfte auch zwischen dünnen Fügeteile übertragen werden was gerade für Leichtbauanwendungen vorteilhaft ist; durch Wahl eines elastischen Klebstoffs können Bewegungen der Fügeteile relativ zueinander kompensiert werden, z. B. können Fügeteildehnungen bei Temperaturschwankungen ausgeglichen und Schwingungen effektiv gedämpft und somit eine Materialschädigung oder -ermüdung des Fügeteils vermieden werden; es erfolgt keine Materialverletzung der Fügeteile durch Bohrlöcher für z. B. Nieten oder Schrauben; optisch ansprechende Oberflächen können realisiert werden;
mit dem Kleben ist keine oder nur eine geringe Wärmebelastung verbunden, sodass Wärmeverzug, Wärmespannungen oder eine Änderungen der Gefügestruktur und in der Folge eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe weitestgehend vermieden werden; Fügeteiltoleranzen können mittels spaltüberbrückender Klebstoffe ausgeglichen werden Kleben ist sowohl für kleine, als auch für große Teile gleichermaßen geeignet. So liegen in der Mikroelektronik die Klebstoffmengen pro Bauteil z. T. bei nur wenigen Mikrogramm während bei der Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen mehrere hundert Kilogramm pro Bauteil benötigt werden. neben der Kraftübertragung können zusätzlichen Eigenschaften, wie z. B. dichtende Verbindung akustische Entkopplung, Dämpfung elektrische Isolation (Vermeidung von Kontaktkorrosion) elektrisch leitend thermisch isolierend thermisch leitend (Wärmemanagement bei elektronischen Bauteilen) integriert werden.
Nachteile des Klebens Nachteile sind z. B.: in der Regel wird eine Sofortfestigkeit nicht erreicht. Die vielfach in Form von doppelseitigen Klebebändern eingesetzten Haftklebstoffe, die schnell härtenden, oft auch als „Sekundenklebstoffe“ bezeichneten Cyanacrylate, und viele lichthärtenden Klebstoffe erreichen schon nach Abschluss des Fügevorgangs oder sehr kurz danach, wenn auch noch nicht ihre Endfestigkeit, so doch eine gewisse Anfangsfestigkeit, die ausreicht die geklebte Baugruppe weiter zu bearbeiten; Klebverbindungen weisen, je nach chemischer Basis eine eingeschränkte thermische und chemische Belastbarkeit/Beständigkeit auf; die mechanischen Eigenschaften der Klebung sind temperaturabhängig; Klebstoffe zeigen z. T. eine gewisse Neigung zum Kriechen; die Langzeitbeständigkeit einer Klebung unterliegt Alterungsvorgängen; eine Wiederlösbarkeit der Verbindung ist häufig nicht ohne Beschädigung mindestens eines der Fügeteile möglich;