Faserverbundwerkstoffe kleben

Bauteile aus Faserverbundmaterialien sind bei gleichem Gewicht stabiler und belastbarer als monokomponentige Werkstoffe. Deswegen kommen die Kompounds oft auch bei Leichtbau-Anwendungen zum Einsatz. Die Automobilindustrie ist das Hauptanwendungsgebiet für die Faserverstärkten Kunststoffe. Industrieller Leichtbau mit seinen Multi-Material-Bauweisen ist nicht nur hier erst durch leistungsfähige Klebstoffe möglich geworden. 

Faserverbundmaterialien sind Misch- bzw. Mehrphasen-Werkstoffe, die sich im Wesentlichen aus zwei Hauptbestandteilen zusammensetzen: der umschließenden Matrix (Kunststoff, Kunstharze) sowie den verstärkenden Fasern (z. B. Glas, Kohlenstoff, Polymere oder Keramik). Die Faserbündel sind dabei wie ein elastisch eingeschlossener Balken von der Matrix umbettet. In Kombination dieser beiden Komponenten erhält dieser Werkstoff  höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten. Vorteil: Grundsätzlich sind Faserverbundwerkstoffe daher bei gleichem Gewicht stabiler und belastbarer als monokomponentige Werkstoffe aus Kunststoffen. Da die Fasern die Hauptlast im Bauteil übertragen, muss die Faser jedoch entsprechend den Lastpfaden im Bauelement ausgerichtet sein. 

Es werden folgende Fasertypen bei Faserverbundwerkstoffen verwendet:

• Glasfasern (GFK)
• Kohlenstofffasern (CFK)
• Keramik- bzw. Mineralfasern (z. B. aus Aluminiumoxid, Basaltfasern)
• Nylonfasern
• Aramidfasern
• Naturfasern
• Stahlfasern
• Borfasern

Glasfasern sind auch aufgrund ihres relativ niedrigen Preises mit einem Anteil von über 90% die meist verbreiteten Fasertypen. Je nach Einsatzgebiet beträgt die Länge typischer Verstärkungs-Glasfasern zwischen 10 und 300 µm. Fasern von über 1 mm Länge gelten im Bereich der Kunststoffverarbeitung bereits als "lang".

Als einbettendes Matrixmaterial kommen folgende Polymere zum Einsatz:

• Duromere (inkl. Kunstharz)
• Thermoplaste
• Elastomere

Verbreitet ist Polyamid 6.6 als Matrixwerkstoff mit einer Beimischung von 20 bis 50 Gewichtsprozente Glasfasern.

Folgende Verfahren existieren für die Herstellung von maßgeschneiderten Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff:

• Handlegeverfahren
• Handlaminieren
• Handlegen mit Vakuumpressen
• Faserspritzen
• Faserwickeln
• Vakuum-Infusion
• Prepreg-Technologie (z.B. im Flugzeugbau)
• Spritzgießen
• Spritzpressen
• Strangziehen
• Sheet Molding Compound (SMC)
• Faserbeton

Die meisten Teile aus faserverstärkten Kunststoffen werden jedoch kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt. 

Das Nutzungsspektrum reicht von der Automobilbranche über die Luft- und Raumfahrt, Boote, Möbel, Haushaltsgeräte, Brücken bis hin zu mehrstöckigen Bauwerken. 

Verbundwerkstoffe wie GFK, CFK u. a. können weder geschweißt noch gelötet werden. Das Bohren von Löchern, etwa für Schrauben oder Nieten, würde das Material an diesen Stellen nachhaltig schwächen, was durch eine größere Dimensionierung wettgemacht werden müsste. Kurzum: An der Fügetechnologie Kleben führt im modernen industriellen Leichtbau kein Weg vorbei. Nur auf diese Weise lassen sich stoffschlüssige Verbindungen von unterschiedlichen Materialien zuverlässig herstellen, ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen. Erst durch Klebstoffe sind innovative Leichtbaukonstruktionen mit Multi-Material-Bauweisen möglich geworden. 90% aller Leichtbau-Werkstoffe werden dabei in der Automobilindustrie verbaut.

Beispiele: Wäre ein VW-Golf aus der Modellreihe 7 mit denselben Materialien wie ein Golf 1 gebaut worden, würde er über zwei Tonnen wiegen. Bei einem modernen LKW macht ihn allein der Einsatz eines Vierpunktlenkers aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (dieses strukturelle Bauteil stabilisiert die Achse) im Vergleich zu einem entsprechenden Gussteil rund 10 Kilogramm leichter. 

Für die nicht ganz unproblematische Verbindung von Leichtbau-Werkstoffen wurden am Markt, z. B. vom Klebstoffproduzenten 3M, zahlreiche Produkte entwickelt, die sich perfekt zum effizienten Füllen oder Fügen von Faserverbundwerkstoffen, Multimaterial-Systemen und niederenergetischen Kunststoffen eignen. Dazu zählen beispielsweise:

• Strukturelle 1-K- und 2-K-Konstruktionsklebstoffe auf Acrylat- oder Epoxidharzbasis
• Strukturelle Klebfilme für Verbundwerkstoffe sowie Hochleistungskunststoffe auf Epoxidharz-Basis
• Kern- sowie Randfüllmassen mit geringer Dichte, die sich zur Verstärkung hochsteifer Wabenstrukturen z. B. im Fahrzeug- oder Flugzeugbau eignen
• Acrylschaumklebebänder mit denen sich Nieten oder Clipse ersetzen lassen

Generell gilt: Das Kleben von faserverstärkten Kunststoffen miteinander oder mit anderen Materialien sollte auf jeden Fall mittels lösungsmittelfreier Klebstoffe erfolgen. Stattdessen sind 2-K-Reaktionsklebstoffe zu bevorzugen, die nach Möglichkeit die gleiche Basis wie das Laminierharz haben sollten. Warmhärtende Klebstoffe verfügen normalerweise über höhere Festigkeiten, doch ist darauf zu achten, dass keine Überschreitung der maximal zulässigen Temperaturbelastung erfolgt. Wichtig ist dies speziell beim Einsatz von einkomponentigen Schmelzklebstoffen. Dort wo gehäuft Biegewechsel auftreten zeigen Epoxydharze den geringsten Festigkeitsabfall, selbst bei vielen zehntausend Lastwechseln. Diese Klebstoffe führen damit zu größten dynamischen Festigkeiten.

• Zu nennen wäre hier beispielsweise der zähelastische Scotch-Weld 2-K-Konstruktionswerkstoff DP 490 auf Epoxidbasis von 3M, der bei Raumtemperatur härtet. Dieser gleicht etwa auch die unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Carbonfasern sowie Stahl aus und verbindet die beiden Materialien zuverlässig und dauerhaft miteinander. Dieser innovative Klebstoff verbindet deswegen auch erfolgreich die modernen Werkstoffe Stahl und Carbon bei der 52 Meter hohen Münchner Großskulptur „Mae West“, der amerikanischen Künstlerin Rita McBride, dem bislang größten Bauwerk, für das CFK eingesetzt wurde. Dessen Basis besteht im Kern aus Stahlrohr mit einer Ummantelung aus Carbonfasern. DP 490 wurde speziell für das Kleben von Faserverbundwerkstoffen mit Metallen sowie Kunststoffen entwickelt. Er erfordert nur eine geringe Oberflächenvorbehandlung, erzielt hohe Scherfestigkeiten sowie eine sehr hohe Schälkraft, zudem ist er thixotrop – ideal also für Überkopfklebungen.
• Ein Produkt, das speziell auf Multimaterial-Mix Klebungen im industriellen Leichtbau zielt, wo etwa Carbonteile, GFK mit Metallen wie Edelstahl, Stahl oder Aluminium hochfest geklebt werden müssen, ist der 3M Hybrid-Konstruktionsklebstoff  Scotch-Weld 7270 B/A SDI  auf Epoxidharz- und Acrylatbasis. Die Zugscherfestigkeiten erreichen bis zu 18 MPa. Der Clou ist ein Farbindikator, der sowohl den Stand der Aushärtung durch einen Farbumschlag von gelb zu grün deutlich anzeigt, ebenso wie den optimalen Mix der beiden Komponenten. Glaskugeln im Klebstoff bieten eine optimale Kontrolle der Klebschichtdicke, was für ein Plus an Prozess-Sicherheit in der Fertigung sorgt. Mit SW 7270 B/A SDI lassen sich auch perfekt Carbonsteckungen (Rohr in Rohr oder Stab in Rohr) klebetechnisch verbinden.

1. Glatte Klebeflächen zunächst entweder chemisch durch Beizen oder mechanisch (mittels Sandstrahlen, Anschleifen usw.) aufrauen. An der Oberfläche vorhandene Schichten, wie z. B. Hautbildner bei Polyesterharzen, gründlich entfernen.
2. Zu beachten ist, dass sich konzentriert aufgebrachte Zugkräfte wegen der umgebenden Matrixschicht nicht unmittelbar auf die Fasern übertragen. Zugkräfte wirken deswegen stets über die Matrix und werden von dort in Form von konzentrierten Spannungen auf die jeweils nächsten Fasern verteilt.
3. Den Klebstoff möglichst gleichmäßig auf die zu klebenden Substrate aufbringen. Falls hochthixotropierte Klebstoffe eingesetzt werden, empfiehlt es sich, die Klebeflächen mit einem entsprechenden Reinharz spärlich vorzustreichen. Nach dem Aufbringen des Klebstoffes müssen die zu klebenden Materialien zügig zusammengefügt werden.
4. Die Verklebung darf vor einer ausreichenden Aushärtung des Klebstoffes nicht belastet werden. Laminate dürfen nur verklebt werden, wenn sie ausgehärtet sind. Bei kalthärtenden Reaktionsklebstoffen ist in der Regel eine Temperung erforderlich.

Bei der konstruktiven Auslegung von Klebeverbindungen ist zu beachten:

• Spannungen verursacht durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen sind zu umgehen,
• sprungartige Unterschiede in der Dicke der Klebschicht sollen vermieden werden,
• Einsatz von schrumpfarmen Klebstoffen,
• Vermeiden von überschüssigen herausquellenden Klebstoffresten,
• Einhaltung konstanter Härtungsbedingungen. Außenhaut darf nicht infolge zu hoher Härtungstemperatur geschädigt werden.