1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKFeinwerkelementeKlebverbindungenVDI/VDE 2251Blatt 8VDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI-Handbuch Produktentwicklung und KonstruktionVDI-Handbuch WerkstofftechnikZu beziehen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin
2、 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattetPrecision engineering componentsAdhesive connectionsICS 39.020, 83.180 September 2007Frhere Ausgabe: 12.04, EntwurfVDI/VDE-RICHTLINIENVDE/VDI-Gesellschaft Mikroelek
3、tronik, Mikro- und FeinwerktechnikAusschuss FeinwerkelementeInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1Algemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1 Klebprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4、. . . . . 21.2 Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Bindungskrfte und Klebstellenfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Vorbereiten der Klebstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5 Klebstoffverarbeitung . . . . . . . . . . . . . .
5、. . . . . . . . . . . . 81.5.1 Klebstoffvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.2 Klebstoffauftrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5.3 Abbinden der Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6 Qualittssicherung und Prfung . . . . . . . . . . .
6、. . . . . . . . . 112 Konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1 Festigkeit von Klebverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Konstruktionsgrundstze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . .
7、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 2 VDI/VDE 2251 Blatt 8VorbemerkungDer Inhalt dies
8、er Richtlinie ist unter sorgfltiger Be-rcksichtigung der Vorgaben und Empfehlungen derRichtlinie VDI 1000 entstanden.Allen, die ehrenamtlich an der Erstellung dieserRichtlinie mitgewirkt haben, sei auf diesem Wege ge-dankt.Alle Rechte vorbehalten, auch das des Nachdrucks,der Wiedergabe (Fotokopie, M
9、ikrokopie), der Spei-cherung in Datenverarbeitungsanlagen und der ber-setzung, auszugsweise oder vollstndig. Die Nutzungdieser VDI-Richtlinie als konkrete Arbeitsunterlageist unter Wahrung des Urheberrechtes und unter Be-achtung der VDI-Merkbltter 1 bis 7 mglich. Aus-knfte dazu sowie zur Nutzung im
10、Wege der Daten-verarbeitung erteilt die Abteilung VDI-Richtlinienim VDI.1 AllgemeinesKleben ist der Prozess des Fgens gleicher oder un-gleicher Werkstoffe bei Verwendung eines Klebstof-fes. Klebstoffe sind nach DIN 16920 nichtmetalli-sche Werkstoffe, die Fgeteile durch Flchenhaftungund innere Festig
11、keit (Adhsion und Kohsion) ver-binden knnen. Klebverbindungen haben gegenberanderen stoffschlssigen Verbindungen (Schweien,Lten) und kraft- oder formschlssigen Verbindungs-verfahren auf Grund der Spezifik der verwendetenKlebstoffe und der physikalisch oder chemisch reali-sierten Aushrtung eine Reihe
12、 von Vor- und Nachtei-len (Tabelle 1). Mit Klebverbindungen ist man in der Lage Verbin-dungen nach Ma“ zu gestalten. Sie finden in allentechnischen Gebieten von Flug- und Raumfahrttech-nik, Maschinenbau, Elektrotechnik/Elektronik bishin zur Textiltechnik steigende Anwendung. Dem-entsprechend gro ist
13、 die Bedeutung der Klebverbin-dungen in der Feinwerktechnik1.1 KlebprozessKlebverbindungen sind komplexe Systeme. Sie erfl-len ihre Funktion nur dann, wenn die Systemparame-ter optimal aufeinander abgestimmt sind. Bild 1zeigt die Hauptparameter des Systemrandes beimKlebprozess“.In Abhngigkeit von de
14、n Werkstoffeigenschaften derzu verbindenden Teile, der zu erwartenden Belas-tungsart und -hhe sind Auswahl des Klebstoffes undOberflchenbeschaffenheit der Materialien der Kleb-stelle von besonderer Bedeutung. Sie bestimmen dentechnologisch oft sehr anspruchsvollen Prozess desKlebens. Bild 2 zeigt de
15、n prinzipiellen Prozessver-lauf des Klebens. Das Detail hngt ab von den Kleb-stoffeigenschaften (chemisch oder physikalisch rea-gierend, kalt- oder warmhrtend, bentigte Hilfsener-gien fr das Aushrten, Topfzeit des Klebstoffs, be-ntigte Abbindezeit), von der Reaktion der Klebstel-len mit der Umwelt u
16、nd von der konstruktiven Ge-staltung der Klebteile (Gre, Lagestabilitt, Hand-habbarkeit). Hohe Qualitt der konstruktiven Lsung,sorgfltige Prozessvorbereitung und technologischeDisziplin bei der Prozessdurchfhrung sind unab-dingbare Voraussetzungen fr hochwertige Klebver-bindungen.1.2 KlebstoffeKlebs
17、toffe gibt es in bemerkenswerter Vielzahl,Tabelle 2 zeigt zwei Zugnge zur Klassifizierungder Klebstoffe. Eine geschlossene Systematik exis-tiert auf Grund der enormen Vielfalt der Klebstoffenicht. Man klassifiziert entweder nach der chemi-schen Basis oder nach dem Abbindemechanismus.Tabelle 1. Vor-
18、und Nachteile von Klebverbindungen Vorteile von Klebverbindungen Nachteile von Klebverbindungengleichmige Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtunghohe dynamische Festigkeithohe SchwingungsdmpfungVerbindungsmglichkeit fr unterschiedliche Materialien Verbindungsmglichkeit von Metallen mit
19、unterschiedlichenelektrochemischen Potenzialen (Klebschicht als Isolator)Verbindungsmglichkeit sehr dnner MaterialienVerbindungsmglichkeit wrmeempfindlicher Materialienkeine thermische Beeinflussung der Gefge der Fgeteilekein thermisch bedingter Verzug der FgeteileMglichkeit der Kombination mit ande
20、ren Fgetechniken zurVerbesserung der Verbindungseigenschaftenoft preiswerte Verbindungnotwendige Oberflchenbehandlung der Fge-stellenklebstoffabhngiger Zeitfaktor beim Fgeverfahrenexakte Einhaltung der notwendigen Prozesspara-meteraufwndige Kontroll- und Prfverfahrenaufwndige Festigkeitsberechnungen
21、 Alterung der Kleb- und Grenzschichten,niedrige DauerstandsfestigkeitKriechneigunggeringe Schlfestigkeitthermische Formbestndigkeit eingeschrnktbegrenzte ReparaturmglichkeitB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Sta
22、nd 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 VDI/VDE 2251 Blatt 8 3 Bild 1. Hauptparameter des Systemrandes beim KlebprozessBild 2. Genereller Prozessablauf des KlebensTabelle 2. Einteilung der KlebstoffeEinteilung der Klebstoffe nach chemischer Basis Abbindemec
23、hanismusorganische Verbindungenauf natrlicher Basis (Eiweie,Kohlehydrate, Harze)auf knstlicher Basis (C-H-Ver-bindungen mit O2,N2, Cl, Si, S)anorganische VerbindungenMetalloxideSilikate, PhosphateBoratekeramische Bestandteilechemisch reagierend (kalt- und warmhrtend)PolymerisationsklebstoffePolyaddi
24、tionsklebstoffePolykondensationskleb-stoffephysikalisch abbindendHaftklebstoffeKontaktklebstoffeSchmelzklebstoffeLsungsmittelklebstoffeDispersionsklebstoffePlastisoleSilikone sind Klebwerkstoffe mit organischen und anorganischenMerkmalen.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65C
25、D15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 4 VDI/VDE 2251 Blatt 8Bei den auf chemischer Basis abbindenden Klebstof-fen dominieren die organischen Verbindungen aufknstlicher Basis. Klebstoffe auf
26、knstlicher Basishaben hhere Klebfestigkeit und Alterungsbestn-digkeit. Sie sind thermisch bestndiger als Klebstoffeauf natrlicher Basis; ihre Verarbeitungstemperatu-ren liegen aber vergleichsweise hher.Chemisch abbindende Klebstoffe sind dadurch ge-kennzeichnet, dass reaktionsbereite monomere Mole-k
27、le oder Prepolymermolekle den Klebstoff bilden;diese hrten oft unter Einfluss von Druck zeit- undtemperaturabhngig von der polymeren Klebschichtaus. Chemisch abbindende Systeme bestehen aus mindes-tens zwei Reaktionspartnern. Physikalisch abbindende Klebstoffe bestehen aus ei-ner Komponente (ein im
28、endgltigen Zustand befind-liches Polymer), der je nach VerwendungszweckWeichmacher, Stabilisatoren und Fllstoffe zugefgtsein knnen.Bild 3 zeigt eine bersicht ber die wichtigsten Kleb-stoffarten. Jede dieser Klebstoffarten hat ein speziellesReaktionsverhalten beim Abbindevorgang in Wechsel-wirkung mi
29、t den Fgeteilen (siehe Abschnitt 1.3).Tabelle 3 bis Tabelle 5 geben einen berblickber die hufigsten Anwendungsgebiete der einzelnenKlebstoffarten; sie enthalten wesentliche Eigenschaf-ten und Verarbeitungshinweise. Fr jede Anwendungeines Klebstoffs sind die Herstellerhinweise fr dieOberflchenbehandl
30、ung der Fgeteile sowie die Verar-beitungsvorschriften genau zu beachten.1.3 Bindungskrfte und KlebstellenfestigkeitDie Bindungskrfte realisieren den Zusammenhaltvon Atomen oder Atomgruppen innerhalb von Mole-klen und an Phasengrenzen. Man unterscheidet:chemische Bindungen (so genannte Hauptvalenz-bi
31、ndungen), wobei beim Kleben die homopolareBindung als Austauschwechselwirkung der Va-lenzelektronen der Verbindungspartner eine be-sondere Rolle spielt, undzwischenmolekulare Bindungen (so genannte Ne-benvalenzbindungen); sie werden durch Anzie-hungs- oder Abstoungskrfte zwischen valenz-mig ungestti
32、gten Moleklen aufgebaut.Bild 3. KlebstoffbersichtB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 VDI/VDE 2251 Blatt 8 5 Tabelle 3. Physika
33、lisch abbindende Einkomponenten-Klebstoffe, AnwendungenTabelle 4. Chemisch hrtende Einkomponenten-Klebstoffe, AnwendungenBenennung Verwendung BemerkungenSchmelzklebstoffe 10hohe Anfangsfestigkeit der KlebungVerbinden unterschiedlicher WerkstoffeVerarbeitung bei ca. 120 C bis 240 C. Sofort nach dem K
34、leberauftrag zu klebendeTeile fgen, Auftrag mit Heiklebepistole. Klebstoff eignet sich gut fr Reparaturen.Dispersions-klebstoffe 10Produkte als Haftklebstoff mit selbstklebendenEigenschaften und als Kontaktklebstoff zum Verar-beiten von Holz, Kartonagen, Papier und GewebeTemperatureinsatzbereich 30
35、C bis 90 C.Unlsliche Harze in Dispersionen.Wasserverdunstung fhrt zum Abbinden desKlebstoffes; Katalysatoren untersttzen dieTeilchendispergierung. LsemittelhaltigeKlebstoffe 10vorwiegend Kontaktklebung von Metall, Holz, Gummi, Leder, Filz, Pappe, Polyester und Hart- PVC-Platten, Polystyrol-Schaumsto
36、ffenKlebstoffbasis: Synthetische Kautschuke undHarzkombinationen gelst in Lsemitteln, z.B. inBenzinen, Ketonen, Estern oder Aromaten. Nach Lsemittelabdunstung entsteht die Klebstoffschicht auf den Fgeteilen.Plastisole 1 fr auergewhnliche Einsatzflle:l- und Fettaufnahmevermgen,keine Vorbehandlung dam
37、it behafteter TeilePlastikklebstoffe sind lsemittelfrei. Temperatureinsatzbereich zwischen 140 C bis200 C. Dieser Klebstoff basiert hauptschlich aufeiner Dispersion von PVC.Keramikkleber 12 Keramische Kleber eignen sich zum Verbindenvon Keramik mit Keramik, Keramik mit Metallund Glas, Metall mit Met
38、all.Klebstoffe bestehen aus keramischen feuerfesten Materialien, die mit Wasser gemischt sind oder vorder Verarbeitung gemischt werden. Hrtung bei Raumtemperatur; Einsatzbereich ca. 120 C bis 370 C.Benennung Verwendung BemerkungenBasis Epoxide 9 Verbindung gleicher und ungleicher Werkstoffemit sehr
39、guter AlterungseigenschaftLsemittelfreier Klebstoff wird vorwiegend inder Metallverarbeitung eingesetzt. Die Konsistenzist pasts; Aushrtung erfolgt zwischenca. 60 C bis 150 C und kann durch zustzliche Wrmeuntersttzung (bis ca. 200 C) beschleunigt werden. Flietnicht whrend der Aushrtung.ReaktiveHotme
40、lts(Schmelzkleber) 10Metallverarbeitung, Karosseriebau. Fgeteile sind nach dem Abkhlen zurWeiterverarbeitung vorbereitet. Reaktive Schmelzklebstoffe besitzen einegute Adhsion auf vielen Oberflchen,verbunden mit hoher Klte- undWrmefestigkeit. Vernetzungsreaktionwandelt den thermoplastischen Klebstoff
41、nach dem Auftragen in duroplastischenZustand um. Aufschmelztemperaturca. 60 C bis 80 CSilanmodifizierterKlebstoff 10elastische Klebung und Abdichtung,vorwiegend MetallverarbeitungDer Klebstoff hrtet durch Zutritt von Luftfeuchtigkeitaus; geruchlos, frei von Lsemitteln, UV-,witterungs- und alterungsb
42、estndig. Nach demAuftragen (im frischen Zustand) berlackierbar.Klebung mit Reiniger evtl. Primer und Handkartusche.Basis Polyimide 1 Titan- und Edelstahlklebungen, Flugzeugbau,fr hohe TemperaturbeanspruchungenOrganisch aufgebauter Klebstoff.Lagerung bei 20 C. Aushrtetemperaturen230 C bis 250 C und D
43、ruckanwendung beimKleben 0,8 MPa bis 1MPa. Dauerwrme-bestndigkeit ca. 260 C.BasisPolybenzimidazole 1hochwertige Metallklebungen Klebstoff fr hohe Temperaturbeanspruchungengeeignet. Die Verarbeitung ist sehr aufwndig. In Verbindung mit Sauerstoff oxidiert Polybenzimidazol sehr schnell. In der Klebfug
44、e ist Polybenzimidazol dem Sauerstoffzutritt entzogen.Aushrtetemperaturen bis 300 C bei Haltezeiten von 1 h mit hohem Anpressdruck.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein D
45、eutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 6 VDI/VDE 2251 Blatt 8Tabelle 4. (Fortsetzung)Tabelle 5. Chemisch hrtende Zweikomponenten-Klebstoffe, AnwendungenCyanacrylat-klebstoffe 3Verbindung: Metall Metall,Metall Kunststoff,bedingt Kunststoff KunststoffKlebstoffe auf dieser Basis sind lsemittelfrei,sc
46、hnell polymerisierend, kalthrtend. DurchModifikation der Einstellungen werden bestimmte Eigenschaften erreicht. Weitere Einteilung: Viskosittsgrad vondnn bis zhflssig. Luftfeuchtigkeit undFeuchtigkeit der Klebflchen gengen zurAushrtung in Sekunden. VollstndigeAushrtung nach 12 h. Aktivatorenbeschleu
47、nigen die Aushrtung.AnaerobaushrtendeKlebstoffeBasis Methacrylate 3Sichern von Gewindeverbindungen. Welle-Nabe-Verbindungen,Dichten von Rohr und FlanschverbindungenLsemittelfreier Klebstoff, hrtet beiRaumtemperatur unter Luftabschluss beigleichzeitigem Metallkontakt aus.Fgeflchen passiver Werkstoffe
48、 mit Aktivator behandeln. Klebeendfestigkeit nach ca. 24 h.Silikonklebstoffe 5 elastisches Kleben von Metall Kunststoffz.B. fr Elektronik-, HausgerteUnterscheidung: Kondensations- bzw. additionsvernetzende Klebstoffe. Kondensations-vernetzende Klebstoffe bentigen zumAushrten Luftfeuchtigkeit (Einlei
49、tung und Beschleunigung der chemischen Prozesse). Additionsvernetzende Klebstoffe geben beider Aushrtung keine Spaltprodukte ab.Bei Schichtdicken 6 mm dringt wenigFeuchtigkeit durch den Klebstoff.Benennung Verwendung BemerkungenBasis Methacrylate 1Klebung von Metall, Keramik, Glas,Holz, Hart-PVC, Hartpapier und Hart
