Technologie, Ökonomie, Ökologie: steigende Anforderungen machen neue Werkstoffe erforderlich. (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

Technologie, Ökonomie, Ökologie: steigende Anforderungen machen neue Werkstoffe erforderlich. (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

Die Realisierung dieser ständig steigenden Anforderungen an Produkte, Bauteile und Komponenten erfolgt zwangsläufig über die Neu- und Weiterentwicklung von Werkstoffen mit immer anforderungsspezifischeren Eigenschaften und mit neuen Verfahren. In den vergangenen Jahrzehnten wurden für die verschiedensten Einsatzbereiche permanent neue Spezialwerkstoffe entwickelt; außer den klassischen Metallen kam eine Vielzahl von spezifischen Legierungen, Kunststoffen, aber auch Keramiken und Gläser zum Einsatz. Die Zukunft wird zweifellos den aus verschiedenartigen Werkstoffen zusammengesetzten Verbundsystemen gehören. Gleichzeitig nimmt jedoch die Werkstoffsensitivität zu. Da im Produkt vermehrt unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden müssen, stellt sich immer häufiger die Frage nach der artgerechten Verbindungstechnik.

Schlüsseltechnologie Kleben

Die traditionellen Verbindungstechniken haben wohlbekannte Nachteile. Bei thermischen Verfahren wie dem Schweißen verändert der Werkstoff innerhalb einer Wärmeeinflusszone seine spezifischen Eigenschaften. Mechanische Verfahren wie Nieten oder Schrauben wiederum ermöglichen nur eine punktförmige Kraftübertragung; außerdem müssen in die zu verbindenden Werkstücke Löcher gebohrt werden, den Werkstoff also verletzen und damit schwächen.

Schlüsseltechnologie Kleben. (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

Schlüsseltechnologie Kleben. (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

Die Klebtechnik dagegen nimmt in diesem Zusammenhang aus vier wesentlichen Gründen eine Schlüsselstellung ein:

  1. Über das bei fachgerechtem Einsatz dieser Fügetechnik langzeitbeständige Verbinden gleicher Materialien hinaus ist es klebtechnisch möglich, alle Werkstoffkombinationen langzeitbeständig zu verbinden.
  2. Durch den Fertigungsprozess „Kleben“ werden die Werkstoffeigenschaften der Fügeteile nicht unzulässig verändert. Im Regelfall bleiben sie sogar unverändert erhalten: Der Klebprozess ist im Vergleich zum Schweißen oder Löten relativ wärmearm, ein Verletzen der Fügeteile wie beim Nieten oder Schrauben findet nicht statt.
  1. Diese beiden Gründe führen in der Produktherstellung zu der Möglichkeit, spezifische Werkstoffeigenschaften für das Bauteil optimal zu nutzen. Dadurch sind die Möglichkeiten für neue Bauweisen wie Leichtbauweisen gegeben.
  1. Im Weiteren ist es möglich, durch die Klebtechnik gezielt zusätzliche, über das eigentliche Verbinden hinausgehende Eigenschaften in das Bauteil zu integrieren.

Stand der Technik

Der Trend zu einer zunehmenden Verwendung von Kleb- und Dichtstoffen hält in vielen Branchen aus Industrie, Handwerk und Dienstleistung (Zulassungsstellen) weiterhin an. Nicht nur die Automobilindustrie, der gesamte Verkehrsmittelbau bedient sich mehr denn je der Klebtechnik, beispielsweise, um neben effizienten und signifikanten Gewichtsreduzierungen auch aerodynamische Effekte zu erzielen. In der Elektronik sind Klebstoffe inzwischen unentbehrlich und tragen in hohem Maße zur Funktionssicherheit bei. Auch im Maschinen- und Anlagenbau setzt sich die Klebtechnik immer mehr durch. Der Industrieverband Klebstoffe geht auch mittelfristig von einem mindestens vierprozentigen Wachstum des Klebstoffsektors aus.

Auf Grund ihres technologischen Potenzials leistet die Klebtechnik wirtschaftliche Beiträge zur Stabilisierung und zum Ausbau des Wirtschaftsstandorts Deutschland. Mittlerweile ist Deutschland im Bereich der Klebtechnik weltweit führend.

Im Jahr 2018 wurden 1.137.000 Jahrestonnen Kleb- und Dichtstoffe (Klebstoffe: 955.000 t/Dichtstoffe 182.000 t) hergestellt, zementäre Bauklebstoffe sind dabei nicht berücksichtigt. Die gemessen am Produktionsumfang bedeutendsten Produkttypen in diesem Zusammenhang waren im Jahr 2018 Dispersionsklebstoffe mit einer Produktionsmenge von rund 423.000 t. Dahinter folgen reaktive Klebstoffsysteme mit circa 300.000 t und Schmelzklebstoffe mit rund 142.000 t. Hinzu kommen 35.000 t Casein- und Knochenleime, Stärke, Dextrine sowie pflanzliche Klebstoffe und 55.000 t lösemittelhaltige Klebstoffe sowie 1.055 Mio. m2 Klebebänder. Letzteres kommt einer Fläche von etwa 150 länderspielkonformen Fußballfeldern gleich.

Die genannte Produktionsmenge entspricht einem Umsatz von rund 4 Mrd. EUR. Für die Volkswirtschaft entscheidend ist jedoch, dass das Kleben 2018 zu einer indirekt generierten Wertschöpfung von circa 450 Mrd. EUR führte. Es kann davon ausgegangen werden, dass in Deutschland rund 33.000 verschiedene Klebstoffprodukte am Markt sind. Einen sogenannten „Alleskleber“ gibt es nicht, genauso wenig wie es die „Universalschraube“ oder den „Global-Niet“ gibt.

Rohstoff – Grundstoff – Klebstoff

Mögliche Funktionen eines Klebstoffs in einer Klebverbindung. (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

Mögliche Funktionen eines Klebstoffs in einer Klebverbindung. (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

Was ist denn nun ein Klebstoff? Nach DIN EN 923 ist „ein Klebstoff ein nichtmetallischer Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann“. Die Klebstoffe, die die zuvor genannten Jahrestonnen ausmachen, sind Kunststoffe. Polymere also, die aus Mono- oder Oligomeren hervorgegangen sind. Bei physikalisch abbindenden Klebstoffen wie Schmelzklebstoffen, Kontakt- und Dispersionsklebstoffen sind die Polymere beim Klebstoffauftrag bereits gebildet. Der für das Benetzen notwendige flüssige Zustand wird durch Erwärmen, Lösen oder Dispergieren der polymeren Makromoleküle erreicht. Bei chemisch härtenden Klebstoffen dagegen entsteht das Polymer durch Verknüpfen der Mono-/Oligomeren chemisch erst in der Klebfuge.

Neben dem reinen Verbinden von Werkstoffen und den Hauptfunktionen Kraftübertragung und Verformungsausgleich bietet die Klebtechnik eine Reihe von Zusatzfunktionen.

Ein Klebstoff kann in der Lage sein, Fugentoleranzen auszugleichen. Er kann zudem eine Klebfuge abdichten gegenüber Flüssigkeiten und gegebenenfalls auch gegenüber Gasen. Elastische Klebstoffe ermöglichen eine Schalldämmung und eine Vibrationsdämpfung. Viele Klebstoffe basieren auf organischen Polymeren, die nicht leitfähig sind. Diese Klebstoffe können elektrisch isolieren. Anderen Klebstoffen sind Metallpulver (in der Regel Silberpulver) zugemischt, um sie leitfähig zu machen. Wieder andere Klebstoffe sind speziell für die Übertragung von Wärme modifiziert und haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Moderne Klebstoffe können dahingehend entwickelt werden, dass sie in der Klebverbindung Licht der gewünschten Wellenlängen durchlassen oder auch herausfiltern. Jede Klebverbindung kann wieder gelöst werden, sodass die Werkstoffe des Verbunds nach dem Recycling wiederverwendet werden können. Kleben bietet zudem ein hohes Maß an Designfreiheit. Dies gilt auch für das Gestalten von Oberflächen im Fugenbereich. Außerdem ist das Verbinden dünner, kleiner und teilweise kompliziert geformter Komponenten möglich. Eine Klebung kann so gestaltet werden, dass sie dem Auge des Betrachters verborgen bleibt und das Design des Gesamtprodukts nicht stört.

Moderne Klebstoffe in der Anwendung

Der Regio Shuttle ist durch Faserverbundkunststoffe und Klebtechnik 25 Prozent leichter. (Bildquelle: Stadler Bussnang)

Der Regio Shuttle ist durch Faserverbundkunststoffe und Klebtechnik 25 % leichter. (Bildquelle: Stadler Bussnang)

Die chemisch härtenden Klebstoffe machen einen wesentlichen Teil der oben genannten Wertschöpfung aus. Ein wichtiger Bereich ist der Transportmittelbau, egal ob zu Land, zu Wasser oder in der Luft. Hierbei hat der Schienentransport, etwa der Luftfahrt, spürbare Marktanteile abgenommen. Doch um diesen Trend zu verfestigen, ist eine Steigerung von Geschwindigkeit und Transportkomfort notwendig. Dazu müssen die Schienenfahrzeuge leichter werden und gleichzeitig höhere Belastungen aushalten können. Stadler Bussnang, Bussnang, Schweiz, ist es beispielsweise gelungen, den Regio Shuttle 25 % leichter als vergleichbare herkömmliche Fahrzeuge zu bauen. So wurden Faserverbundkunststoffe als Außenhaut auf den metallischen Fachwerkrohbau geklebt. Zusätzliche Vorteile: Die Fahrkultur des Shuttles ist besser, die Fertigungs- und Betriebskosten sind niedriger.

Auch der Schiffbau steht vor einer Innovationsschwelle und kommt künftig nicht mehr am Kleben vorbei. Viele Fähren sind heute noch als Verdränger mit hohem Gewicht auf See. Durch Gewichtsreduzierungen können sie zum „Gleiter“ mit höherer Geschwindigkeit werden. Das eröffnet völlig neue Horizonte: Schiffstransfers wären dann schneller und preiswerter. Das bedeutet nicht nur für den Personentransport, sondern auch für den Warenverkehr immense Vorteile. Um dies zu erreichen, müssen jedoch an jeder Stelle die geeignetsten, leichtesten Werkstoffe eingesetzt werden. Gleichzeitig ergeben sich durch höhere Geschwindigkeiten wieder neue Herausforderungen.

Hochgeschwindigkeitsfähre: Durch Gewichtsreduzierung vom Verdränger zum Gleiter geworden. (Bildquelle: Lürssen Werft/Henkel Teroson)

Hochgeschwindigkeitsfähre: Durch Gewichtsreduzierung vom Verdränger zum Gleiter geworden. (Bildquelle: Lürssen Werft/Henkel Teroson)

Ein Beispiel: Im Jahr 2000 konstruierte die Lürssen-Werft, Lemwerder, Schnellfähren für einen indonesischen Kunden, die mit einer in diesem Bereich bislang nicht dagewesenen Geschwindigkeit von 40 Knoten (rund 70 km/h) unterwegs sind. Bei schwerer See sind diese Fähren heftigen Stößen ausgesetzt. Die Sitzreihen sind deshalb mit feuchtigkeitshärtenden, gummielastischen Klebstoffen auf die Decks geklebt. Durch die flächige statt punktuelle Kraftübertragung wird das Herausreißen der Sitze verhindert. Zusätzlich wirkt der Klebstoff vibrationsdämpfend, was wiederum den Fahrkomfort erhöht. Rund eine Tonne Gewicht konnte darüber hinaus eingespart werden, indem die Passagierdeckfenster nicht mehr aus Glas, sondern aus Polycarbonat bestehen. Die Kunststoffscheiben wurden ebenfalls mit Polyurethan-Klebstoffen eingeklebt.

Geschultes Personal ist Voraussetzung

Nach DIN EN ISO 9001 ist das Kleben ein sogenannter spezieller Prozess. Damit sind Prozesse gemeint, die zerstörungsfrei nicht zu einhundertprozentigen Aussagen führen, beispielweise über die Qualität einer Verbindung. Und wenn in diesem Zusammenhang schon das Schweißen und das Löten spezielle Prozesse sind, dann ist es das Kleben auf Grund der noch höheren Zahl an Qualitätseinflussfaktoren erst recht. Der Einsatz spezieller Prozesse in der Fertigung muss gemäß DIN EN ISO 9001 durch entsprechend qualifiziertes Personal erfolgen. Dies ist integraler Bestandteil einer Entwicklung, die besagt, dass generell beim täglichen Einsatz anspruchsvoller und hochkomplexer Technologien hohe Qualität und optimale Verwertung zu gewährleisten ist und daher das permanente Qualifizieren der Beteiligten immer wichtiger wird. Die hohe Entwicklungsdynamik in allen bedeutenden Technologiebereichen führt dazu, dass Fachwissen innerhalb von fünf Jahren veraltet – Tendenz steigend. Wer heute das Wissen generiert, hat somit gleichzeitig auch die nachhaltige Verpflichtung, dieses Wissen weiterzugeben. Für die Hochtechnologie Kleben heißt dies, das Know-how zur industriellen Anwendung möglichst direkt an das Fachpersonal durch hochqualifizierende, zertifizierende Schulungen zu vermitteln, um den Fachkräften auf allen Ebenen das richtige und bedarfsgerechte Nutzen der Klebtechnik zu ermöglichen.

Für die Klebtechnik werden dazu, basierend auf europaweit anerkannten und harmonisierten Richtlinien des DVS (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren) und der EWF (European Federation for Welding, Cutting and Joining), überbetriebliche Qualifizierungsmaßnahmen angeboten:

  • EWF-European Adhesive Bonder – EAB/DVS-EWF-Klebpraktiker/in (Dauer:   40 h/Zielgruppe: ausführende Ebene)
  • EWF-European Adhesive Specialist – EAS/DVS-EWF-Klebfachkraft (Dauer: 120 h/Zielgruppe: Verbindungsmanagement)
  • EWF-European Adhesive Engineer – EAE/DVS-EWF-Klebfachingenieur/in (Dauer: 320 h/Zielgruppe: technische Entscheiderebene)

Jede Qualifizierungsmaßnahme schließt mit praktischen, schriftlichen und mündlichen Prüfungen, deren erfolgreicher Abschluss zum Verleihen der international anerkannten DVS/EWF- und EWF-Zeugnisse führt. Seit 1994 wurden im In- und Ausland Lehrgänge mit über 11.000 Teilnehmer/innen durchgeführt.

Das Ziel der Personalqualifizierung ist, klebtechnisches Wissen auf eine solide Basis zu stellen und den Betrieben zu ermöglichen, das Potenzial der Klebtechnik eigenständig zu nutzen. Darüber eröffnen sich die Betriebe Wettbewerbsvorteile und unterstützen die notwendige, zukunftsorientierte „Qualifizierte Marktentwicklung – QME“ für die Klebtechnik.

Über den Autor

Prof. Dr. Andreas Groß

ist Leiter Weiterbildung und Technologietransfer am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen.