Aluminium kleben

In der Industrie, besonders im Fahrzeug- und Flugzeugbau, ist Aluminium aufgrund seiner Eigenschaften ein beliebter Werkstoff. Etabliert sind hier Fügetechniken wie Nieten oder Schweißen. Doch nicht nur, wenn es um das Zusammenfügen von Materialmix beim Leichtbau (Aluminium mit Stahl, Magnesium, Kunststoffen CFK/GFK) geht, können moderne High-Tech Klebstoffe punkten.

Aluminium ist als Konstruktionsbaustoff recht verbreitet, u.a. deswegen, weil es leicht, korrosionsbeständig, verhältnismäßig weich und dehnbar ist, und sich deshalb einfach verarbeiten lässt.

Die drei häufigsten Aluminium-Fügetechniken sind:

1.) Aluminium nieten (überwiegend im Flugzeugbau)

2.) Aluminium schweißen. Dies kann durch die Schweißmethoden WIG, MIG, sowie CMT erfolgen:

• Beim MIG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen) brennt unter Schutzgas (z.B. Argon) ein elektrischer Lichtbogen zwischen Werkstück und einer abschmelzenden Elektrode. Geeignet für das Verbinden von Aluminium, Alu-Legierungen und anderen NE-Metallen.
• Daneben kann das Aluminium auch durch WIG-Schweißen (Wolfram Inert Gas) erfolgen, wobei dann mit Wechselstrom geschweißt wird. Der von einer temperaturbeständigen, nicht abschmelzenden Wolframelektrode ausgehende Lichtbogen erwärmt und verflüssigt das Aluminium. Die stumpfe Elektrode ist von einer Düse umgeben, aus der inerte Schutzgase austreten.
• Eine sehr moderne Methode für das Aluminium schweißen ist das CMT-Schweißen (cold metal transfer). Die Hardware entspricht der für ein MIG-/MAG-System. Hinzu kommt jedoch ein hochdynamischer Drahtantrieb, direkt am Schweißbrenner. Durch eine elektronisch gesteuerte, zyklische Rück- / Vorwärtsbewegung Schweißdrahts löst sich exakt immer nur ein Schmelztropfen, ohne die geringste Spritzerbildung.

3.) Aluminium kleben

• Allgemein gehört Metall aufgrund seiner hohen Oberflächenenergie zu den sehr gut zu klebenden Materialien. Dies gilt auch für Aluminium. Bei sachgerechter Ausführung ist eine Klebeverbindung oft sogar haltbarer als eine Schweißnaht.
• Vorteil beim Aluminium kleben gegenüber anderen Fügeverfahren: Da keine starke Erwärmung stattfindet, behält das Material seine ursprüngliche Festigkeit. Ein kritischer Faktor beim Kleben von Aluminium ist jedoch die hohe und schnelle Oxidationsfähigkeit des Aluminiums. Die Oxidschicht ist in sich spröde, porös und wirkt als Trennschicht, was längerfristig zur Ablösung des Klebstoffs führt. Besonders wenn Festigkeitswerte über ca. 15 N/mm2 (Bruchgrenze vom Aluminiumoxid) erreicht werden sollen, ist daher eine gründliche Oberflächenvorbehandlung vor dem Kleben unerlässlich. Sie verbessert die Benetzung mit Klebstoff.

Zunächst sollten Öle, Fette, Schmutzpartikel mit fettlöslichen Reinigern wie Aceton, Nitroverdünnung, Isopropanol oder (Wasch-)primern entfernt werden. Danach die Bleche möglichst nicht mit bloßen Händen berühren.

Es folgen mechanische Oberflächenvorbehandlungsverfahren (Schleifen zwischen Körnung P120 bis zu 600, Bürsten oder Sandstrahlen). Durch Abrasion bildet sich so eine frische und somit chemisch aktivere Oberfläche – Voraussetzung für eine gute „Vekrallung des Klebstoffes“. Das Kleben muss dann so schnell wie möglich erfolgen, bis maximal 10 Minuten nach dem Schleifen, damit sich keine Oxidschicht mehr bildet. Dabei gilt: Erst reinigen bzw. entfetten, und erst danach strahlen oder schleifen. Anderenfalls könnten beim Schleifprozess Verunreinigungen tief in das Metall hinein gestrahlt/ geschliffen werden, die immer noch trennend zum Klebstoff wirken.

Eine Eloxierung (Aufbringen einer leichten Oxidschicht) zählt zu den weiteren Möglichkeiten zur Klebe-Vorbehandlung von Aluminium, ebenso wie die Titanzirkon-Dickschichtpassivierung, das Phosphatieren oder Chromatieren. Solche Beschichtungen lassen sich sehr gut direkt mit Epoxid-Klebstoffkleben oder mit elastischen Polyurethanklebstoffen.

Zum Kleben von Aluminiumteilen werden üblicherweise sog. „Konstruktionsklebstoffe“ verwendet. Überwiegend kommen hier bei Aluminium drei Klebstofftypen zum Einsatz:

1K und 2K Epoxidharz-, 2K Acrylat-, und 2K Polyurethan-Klebstoffe.

Epoxidharzklebstoffe

Aluminium lässt sich sehr gut mittels Epoxidharz-Klebstoffen kleben, genauso wie mit Acrylatklebstoffen, die jedoch niedrige Festigkeitswerte haben. Epoxidharz bietet höchste Festigkeiten, um die 30 bis 40 MPa, ist allerdings überaus anspruchsvoll, was eine gründliche Oberflächenvorbereitung anbelangt. Epoxidharzformulierungen sind lösemittelfrei und härten unter Wärme und Druck (1-komponentig) oder bei Raumtemperatur (2-komponentig) aus. Die Härtung kann durch Wärmezufuhr beschleunigt werden.

Hierzu zählen zum Beispiel die 3M 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoffe auf Epoxidharzbasis, wie Scotch-Weld DP 490 zum festen Zusammenfügen von Metallen untereinander oder mit Glas, Kunststoffen etc. Hohe mechanische Belastungen (bis zu 400 kg/cm²) sind hiermit möglich, das thixotrope Klebstoff-Material verläuft nicht – auch nicht auf vertikalen Flächen.

Und auch die Mischung der beiden Komponenten ist höchst praktikabel für den Arbeitsalltag gelöst: Beim 3M EPX-System zum Beispiel werden Klebstoff und Härter mit der Klebepistole punktuell oder raupenförmig aufgetragen. Der Vorteil: Das Dosieren, Mischen und Auftragen erfolgt in einem einzigen Arbeitsgang. Einfach eine Mischdüse auf die EPX-Klebstoffkartusche stecken und den Kleber mit dem Handverarbeitungsgerät herausdrücken – fertig.

Acrylatklebstoffe

Acrylatklebstoffe sind robust. Mit ca. 20 MPa weisen sie eine große Schlagfestigkeit auch bei dynamischen Belastungen auf, denn sie sind meist zähelastisch. Beispiele für einen 2-Komponenten-Klebstoff ist etwa der 3M Scotch-Weld DP 810. Solche Acrylat-Klebstoffe zeichnen sich durch kurze Verarbeitungszeiten und schnellen Festigkeitsaufbau aus. Sie erzielen hohe Festigkeiten von Aluminium auch zu vielen anderen Materialien wie Stahl, Kunststoffen und Elastomeren.

Polyurethan-Klebstoffe

Reaktive Zweikomponentenklebstoffe auf Polyurethanbasis (PUR) mit langer Verarbeitungsspanne eignen sich besonders, wenn größere Flächen unterschiedlicher Materialien zu fixieren sind. Zu erwähnen ist hier etwa der reaktive PUR-Schmelzklebstoff TS 230 von 3M, der sich beispielsweise perfekt zur Verklebung von Zierleisten/Zierblenden (Alu/Stahl/Kunststoff) eignet.

Im Fahrzeugbau wird 2K PUR-Metallklebstoff häufig auch zum Kleben von Aluguss eingesetzt.

Wichtige Kriterien bei der Anwendung von 2K-Produkten sind vor allem die Verarbeitungszeit (Topfzeit) und die Härtezeit, bis der Klebstoff seine Endfestigkeit erreicht hat. Beide Werte werden in der Regel vom Hersteller angegeben. Als Topfzeit bezeichnet man die Verarbeitbarkeitsdauer chemisch reaktiver Klebestoffmaterialien. Sie wird auch als „offene Zeit“ oder „Gebrauchsdauer“ bezeichnet, meint also die Spanne, in der sich der Stoff beim Anmischen einer mehrkomponentigen Substanz noch „aus dem Topf“ verarbeiten lässt. Oft macht sich das Überschreiten der Topfzeit durch deutlichen Viskositätsanstieg bemerkbar, der eine weitere Verarbeitung verhindert. Grundsätzlich sollte man die Klebeverbindung mindestens einen Tag aushärten lassen, bevor sie belastet wird!

Für dauerbeständige Aluminium zu Aluminium-Verbindungen eignen sich durchaus auch Klebebänder. In einem Feldtest wurden Verbindungen mit VHB Acrylatschaum Klebebändern schon über acht Jahre in 5 %igem Salzwasser gelagert. Nach Testabschluss traten unter der Klebeverbindung saubere, glänzende Aluminiumflächen zum Vorschein. Erst bei einem gezielt ausgelösten Bruch der Verbindung wurde eine Verknüpfung aus Kohäsions- und Adhäsionsversagen festgestellt, was auf eine sehr hohe Alterungsbeständigkeit der 3M VHB Bänder 4945 schließen lässt.

Das Metallkleben ist in der Richtlinie VDI 2229 geregelt.

Klebefugen nur auf Schub und parallel zur Fügefläche zu beanspruchen, gilt dabei als wichtiger konstruktiver Grundsatz. Zu vermeiden ist in jedem Falle eine schälende Beanspruchung. Auf der sicheren Seite ist man bei Überlapp- oder Steckverbindungen für dauerhaft feste Klebeverbindungen, wenn die Überlappungslänge rund der zehnfachen Materialdicke entspricht. Auf die Adhäsionsfähigkeit Einfluss haben bei Aluminiumlegierungen aber auch Legierungsbestandteile: so wird die Adhäsion besonders mit wachsendem Magnesiumanteil schlechter.

Industrielle Anwendungsbereiche für das Kleben von Aluminium sind häufig Versteifungsprofile, Rahmen, Verbundplatten, Zierleisten, Gehäuse für Elektronik-Bauteile, Anwendungen beim Flugzeugbau oder das Fügen von Teilen beim Eisenbahnbau.

Zunehmend findet das Leichtbaumaterial aber auch in der Automobilindustrie Verwendung, wo die Fahrzeuge immer sparsamer im Benzinverbrauch werden sollen. Deswegen kommen hier neben High-Tech-Stahlsorten auch moderne Verbundstoffe wie GFK/ CFK, superleichte Kunststoffe oder Keramik, Aluminium und Magnesium zum Einsatz. Die Herausforderung bei diesen Materialen ist, dass sie nicht miteinander verschweißt werden können. Hierbei zeigt sich dann das volle Potenzial der Klebtechnik: Ein solcher Multi-Materialmix lässt sich sinnvoll meist nur noch mit Klebstoffen fügen, und dies dazu auch noch korrosionsfrei. Soll eine crashfeste Klebung von Bodenplatten aus GFK auf Aluminiumkarosserien erfolgen, so stehen dazu beispielsweise 2-Komponenten-Klebstoffe zur Verfügung, wodurch sich gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren gut 10 Prozent Gewicht einsparen lassen.