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Für immer und ewig

Gestaltung und Auslegung von dauerhaften Klebeverbindungen
Für immer und ewig

Klebstoffe machen Verbindungen nicht nur einfacher, sondern manchmal erst möglich. Damit die „Ehe“ der Fügepartner dauerhaft hält, ist die richtige Klebespannung von entscheidender Bedeutung.

Klebungen ersetzen zunehmend konventionelle Niet- und Schraubverbindungen. Dies liegt einserseits an der Verringerung der bei klassischen Verbindungsverfahren unvermeidbaren Spannungsspitzen in geschwächte Nettoquerschnitte, Lochleibungsdrücke, Kerbeffekte und Korrosionsanfälligkeit. Andererseits lassen sich Leichtbauelemente in Sandwich- und Faserverbundbauweisen ohne Klebtechnik nicht fertigen.

Unterschieden werden Dicken- und Strukturklebungen. Erstere weisen üblicherweise Schichtstärken zwischen 2 und 5 mm auf. Anwendungsbereiche sind niedrig belastete Klebungen, beispielsweise bei Versteifungskonstruktionen, Versiegelungen und Abdichtungen. Diese Klebung wird auch in Kombination mit konventionellen Fügeverfahren wie Punktschweißen eingesetzt, um gleichzeitig eine Abdichtung der Schweißstelle zu erreichen.
Strukturklebungen dienen der Kraftübertragung. Für hohe Festigkeitswerte sind dünne Kleberschichten bis 0,3 mm erforderlich. Das setzt voraus, dass bei der Fertigung der zu verklebenden Bauteile geringe Toleranzen eingehalten werden. Zudem erfordern Strukturklebungen einen absolut gleichmäßigen Kleberauftrag.
Auf Druck und Scherung belasten
Entscheidenden Einfluss auf die Langzeitstabilität von Klebeverbindungen hat die Art der Beanspruchung, wobei zwischen Scher-, Druck-, Zug- und Schälbelastung unterschieden wird. Um das Risiko eines späteren Spannungsversagens der Klebung zu minimieren, sollte diese in einem Bereich vorgesehen werden, in dem sie nur Druck- und/oder Scherbelastungen ausgesetzt ist. Die Gründe: Kleber besitzen meist nur eine geringe Zugfestigkeit. Bei Schälbeanspruchung wird die Belastung nur vom offenen Kleberrand aufgenommen, was zum Aufreißen führen kann. Bei einschnittig überlappten Klebungen verursacht die Krafteinleitung ein Biegemoment, das an den Überlappungsrändern Schälbelastungen erzeugt. Diese zusätzliche Schälspannung lässt sich durch zweischnittige Laschungen oder Überlappungen vermeiden.
Berechnung der Klebespannungen
Um einen Einblick über die Spannungsverhältnisse zu erhalten, stehen unterschiedliche Analysemodelle zur Verfügung. Bei der vereinfachten Theorie nach Volkersen sind die Einflüsse der wichtigsten geometrischen und materialbedingten Parameter erkennbar. Dieses Modell lässt nur ebene Verschiebungen der Fügeteile zu, Verformungen der Klebschicht normal zu deren Ebene werden ausgeschlossen. Basis dafür ist die Annahme einer unendlich hohen Klebersteifigkeit senkrecht zur Kleberebene. Um bei Belastungen Biegemomente infolge Exzentrizität auszuschließen, kommen symmetrische, zweischnittige Fügungen zum Ansatz. Zudem werden noch zwei weitere Annahmen getroffen: Der Einfluss der Querkontraktion wird vernachlässigt und das Materialverhalten der Fügeteile sowie der Kleberschicht als linear elastisch angenommen. Wichtigstes Ergebnis ist die Verteilung der Schubspannung im Verhältnis zur mittleren Kleberschubspannung in Abhängigkeit der x-Richtung (Kraftrichtung) sowie deren Spitzenfaktor.
Die Frage, ob eine Klebung grundsätzlich als Fügeverfahren in Frage kommt, lässt sich üblicherweise durch die Berechnung nach der vereinfachten Theorie beantworten. Liegen die errechneten Spannungswerte im kritischen Bereich oder soll auch die Schälspannung berechnet werden, empfiehlt sich die erweiterte Theorie. Bei diesem zweidimensionalen analytischen Modell wird eine entsprechende Dehnung der Kleberschicht berücksichtigt. Durch die Annahme der endlichen Steifigkeit des Klebers normal zur Klebefläche gelingt es, die Randbedingung einzuhalten, dass die Schubspannung an der freien Oberfläche des Klebers Null ist. Als problematisch beim Einsatz der erweiterten Theorie kann eine mangelnde Kenntnis erforderlicher Parameter wie Klebereigenschaften, Kennwerte der Kleberschicht sowie Festigkeiten und Bruchhypothesen sein.
Die FEM-Methode dient bei der Berechnung von Klebespannungen in erster Linie für vergleichende Analysen. So lässt sich beispielsweise die Spannungsbelastung geometrisch unterschiedlich ausgeführter Kleberränder berechnen. Dies erfordert aber einen überdurchschnittlich hohen Idealisierungs- und Vernetzungsaufwand und damit lange Rechnerzeiten.
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