Fachinformationen rund um's Kleben von

GFK kleben

Glasfaserverstärkter Kunststoff ermöglicht leichte, hochstabile Bauteile. Die Auswahl eines geeigneten Klebstoffes hängt von der entsprechenden Harzsorte des zu klebenden Komposit-Substrates ab.

Kleine Materialkunde GFK

Der Faser-Kunststoff-Verbund GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) besteht aus einem Kunststoff, der mit Glasfasern versetzt wurde. Umgangssprachlich wird GFK auch als Fiberglas oder Komposit bezeichnet, weitere gängige Begriffe sind hier auch GF-Epoxy, GFK-Polyester, sowie im englischen glass-fibre reinforced plastic (kurz GFRP). Als Basis kommen dementsprechend sowohl thermoplastische Kunststoffe (z. B. Polyamid) als auch duroplastische Kunststoffe (z. B. Epoxidharz oder Polyesterharz) in Frage.

Geschichte

Erstmals wurden 1935 in den USA industriell Endlos-Glasfasern als Verstärkungsfasern für Kunststoffkomposite hergestellt. Die Massenproduktion erfolgte in den späten 1930er Jahren beim US-Unternehmen Owens Corning – damals wurde das Material in erster Linie zur Wärmedämmung von Häusern genutzt. In den 1950er Jahren entstand sogar ein erstes Flugzeug aus GFK-Material.

GFK-Typen und Herstellung

Bei kurzfaserverstärkten Bauteilen verteilen sich die beigemischten Kurzfasern zufällig im Kunststoff, was dessen Steifigkeit verbessert. Die Glasfaserlänge liegt hier nur bei 0,2 bis 0,4 mm. Derartige Komposite lassen sich etwa im Spritzguss herstellen. Doch ist die Festigkeit bei derartigen Kurzglasfaser-Kompositen längst nicht so hoch, wie bei Polyesterformteilen auf Basis von Langglasfasern. Dies wird bei Kurzfaser-Bauteilen jedoch durch die vorteilhafte Formbarkeit und bessere Gestaltungsfreiheit kompensiert.

Bei langfaserverstärkten Bauteilen liegt die Glasfaserlänge bei über 10 mm. Im sog. Pultrusionsverfahren werden solche Endlosfasern einem Extruder zugeführt und gemeinsam mit der Schmelze daraus ein Strang erzeugt, der im Anschluss wieder in rund ein Zentimeter lange Granulatkörner gespalten wird. Das bei der Verarbeitung entstehende Fasergefüge bildet ein stabiles Glasfaserskelett. Mit der großen Länge der Glasfasern bekommt die Verstärkung eine effektivere Wirkung. Gegenüber konventionellen (kurzglasfaser­verstärkten) Kunststoffen steigen so vor allem die Schlagzähigkeit, Festigkeit und Steifigkeit. Solche Formteile sind in der Lage, im Belastungsfall sehr große Energien aufzunehmen. So können langglasfaser­verstärkte Polyamide durchaus Zugfestigkeitswerte des Aluminiums erreichen.

Daneben sind aber auch GFK-Kompsites aus unidirektionalen Geweben/Gelegen oder Rovings (hergestellt im Strangziehverfahren) bzw. Mischformen verbreitet.

Technische Eigenschaften

z.B. Fasertyp E-Glasfaser
MatrixbasisEpoxidharz
Anteil Faservolumen 60 %
Dichte2,0 g/cm3
Wärmeausdehnungskoeffizienten 7 - 27·10−6 /K

Die Grundfestigkeit liegt je nach Faserausrichtung zwischen 50 N/mm2 und 1 000 N/mm2.  Selbst in aggressiver Umgebung zeigt GFK ein hervorragendes Korrosionsverhalten.

Anwendungsgebiete

Gerade Letzteres macht GFK zu einem tauglichen Werkstoff für den Anlagen- und Behälterbau, ebenso wie für Bootsrümpfe (Glasfasermatten). Weitere Nutzungen finden sich bei:

  • Rohren
  • Dusch- und Badewannen
  • Tragflächen und Rümpfe von Segelflugzeugen
  • Rotorblätter in Windenergieanlagen
  • Fahrzeugteile (z. B. Motorhauben, Kotflügel)
  • Bewehrungen im Betonbau
  • Verkleidungen und Fassaden
  • Hangar- und Industrietore
  • Kühltürme
  • Spielplatzrutschen / Rutschbahnen.

Die weiteren Vorzüge des Glasfaserverbundes mit einer Kunststoffmatrix sind in der elastischen Energieaufnahme-Fähigkeit sowie der hohen Bruchdehnung zu sehen. Deswegen kommt GFK auch für Blattfedern zum Einsatz. Außerdem hat das Material eine hervorragende elektrische Isolationswirkung, was es auch für Elektroanwendungen prädestiniert, etwa für Isolatoren, Ausleger von Bahnoberleitungen, Schaltschränke im Außenbereich, Schutzhülle für Antennen oder für Leiterplatten.

Klebetechnische Aspekte bei GFK

Da Glasfasermatten im Wesentlichen auch aus Polyesterharz, Vinylesterharz sowie Acrylharz bestehen, sollte der Klebstoff auch entsprechend der jeweiligen Harzsorte des zu klebenden Bauteils ausgewählt werden. Als Konstruktionsklebstoff eignen sich folglich Harzklebstoffe mit chemisch und physikalisch ähnlichen Eigenschaften, wie die jeweilige Kunststoffbasis des GFK. Auf dem Markt sind hier sowohl Polyesterharzklebstoffe und Epoxidharzklebstoffe sowie Formulierungen aus Polyurethan oder Acrylat. Eher ungeeignet sind anlösende Klebstoffe.

Um GFK mit Metallen, wie Aluminium, Edelstahl oder Stahl hochfest zu kleben bieten sich 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoffe auf Acrylat- oder Epoxidharzbasis an. Beispielhaft sei hier 3M Scotch-Weld 7270 mit passender Expoxid- oder Acrylat-Formulierung und Farb-Indikator genannt, der den Stand der Aushärtung durch Farbumschlag von gelb auf grün eindeutig anzeigt.

Um Holz (lackiert, grundiert oder beschichtet) mit Glasfaserverstärktem duroplastischem Kunststoff zu kleben, sind sog. Reaktionsklebstoffe geeignet. Doch beeinflussen hier die unterschiedlichen Oberflächenveredelungen die Klebeeigenschaften. 3M Scotch-Weld DP 110, ein rasch härtender, klarer 2-K-Konstruktionsklebstoff auf Epoxidharzbasis, der aber auch GFK mit Metall und einer Vielzahl anderer Kunststoffe, wie PC, PVC-hart, ABS verbindet, ist hier zu empfehlen.

GFK (duroplastisch) mit Holz (roh) oder auch thermoplastisch-duroplastische GFK-Kombinationen zu kleben, gelingt mit 3M Scotch-Weld DP 490, einem zähelastischen schwarzen Zweikomponenten-Konstruktionsklebstoff auf Epoxidharzbasis mit erhöhter Warmfestigkeit und gutem Alterungsverhalten.

Duroplastisches GFK miteinander kleben

Anwendungsbeispiel für Klebungen ist hier der 3M Scotch-Weld DP 100. Mit dem schnellen Klebstoff, der auch zum Vergießen geeignet ist, gelingt es, auch GFK-duroplastisch mit Kunststoffen wie ABS, GFK, PC, blanken Metallen, Glas, Keramik, Porzellan oder Ton zu kleben.

Wird ein Klebstoff benötigt, der hohe Ausdehnungsunterschiede der Fügepartner ausgleichen soll, ist hier 3M Scotch-Weld 2216 B/A geeignet – ein flexibler 2-K-Konstruktionsklebstoff auf Epoxidharzbasis, der für das spannungsfreie Kleben von GFK, Metallen, Elastomeren, Gummi, Glas, Keramik und Holz entwickelt wurde.

Tipp: Eine wichtige Rolle beim Kleben von GFK spielt, ebenso wie beim Laminieren oder Spachteln, die Verarbeitungstemperatur. Sie hat Einfluss auf den Verflüssigungsgrad des Klebstoffes, die Dauer der Verarbeitungsfähigkeit (Topfzeit), die Haftfähigkeit und somit auf die Qualität einer Klebung.

Konstruktive Klebegrundsätze

Die Tragfähigkeit von GFK-Komponeneten wächst mit der Anzahl, Länge und Zugfestigkeit der Fasern. Diese ist umso größer, je mehr Glasfasern in Kraftrichtung orientiert sind. Deswegen versagen Kunststoffteile mit Glasfasermatten- bzw. die Gewebeverstärkung relativ schnell, wenn sie quer zur Faserrichtung belastet werden. Außerdem besitzt GFK eine hohe Kerbempfindlichkeit. Dies hat auch Auswirkungen auf das Fügeverfahren Kleben: Die Kraftübertragung darf folglich bei geklebten GFK-Teilen nur in ganz bestimmten Richtungen stattfinden. Grundsätzlich gilt aber: Da beim Kleben die Kräfte – anders als beim im Nieten oder Schrauben – nicht punktuell, sondern stattdessen ohne Verletzung der Faserverstärkungen flächig in das Bauelement eingeleitet werden, eignet sich Kleben daher vortrefflich für das Verbinden solcher Komposit-Werkstoffe.

Schwachstellen bei GFK-Klebungen

Um die Belastungsfähigkeit von Klebverbindungen aus GFK und verzinktem Stahl (StE360 ZZ) zu analysieren, wurden Zugscherversuche an der FH Hannover durchgeführt. Und zwar mit Blechprofilen von einem Millimeter Stärke, die mit GFK-Bauteilen mittels einem handelsüblichem warmabbindenden Epoxidklebstoff aus dem Karosseriebau verklebt wurden. Die Versuche belegen: Die Schwachstellen des geklebten Verbunds liegen stets in der GFK-Komponente. Problematisch ist hier die mangelnde Haftfestigkeit zwischen Fasern und Matrix und deren Stabilität. Ausgangsbasis war das Kleben der Proben ohne GFK-Vorbehandlung. Doch nach dem Schleifen der Oberfläche mittels 120er Schleifpapier konnte die Klebfestigkeit merklich gesteigert werden. Denn erwiesenermaßen wurde die Klebfestigkeit der Proben durch die Trennmittel an der GFK-Oberfläche reduziert.

Profitipp: In der Praxis verfügt bei GFK-Bauteilen zudem eine Materialseite häufig über eine Oberflächenveredelung, deren Klebbarkeit vorab besonders geprüft werden sollte. Auch die häufig strukturierte Bauteil-Rückseite kann eine klebetechnische Herausforderung darstellen.

Klebetipps GFK

  1. Zunächst Klebestellen beidseitig anschleifen, um eine leicht aufgeraute Oberfläche zu erhalten.
  1. Schleifstaub entfernen; um Hautfettablagerungen zu vermeiden Werkstück anschließend nicht mehr in die ungeschützte Hand nehmen.
  1. Zuerst alle Vertiefungen, Rillen oder eingeschliffene Riefen mit einem Klebstoffpinsel oder Spachtel bündig zur Oberfläche verfüllen. Dazu Klebstoff, Härter und Rührstab gegebenenfalls mit einem Föhn langsam erwärmen, bis sich die Masse gleichförmig in alle Riefen bzw. Vertiefungen setzt. Dabei auf die passend Verarbeitungstemperatur achten, die bei rund 20oC liegen sollte. Gegebenenfalls Beschleunigungs-Additiv einsetzen.
  1. Nach dem gleichen Verfahren wie unter 3. die Verbindungsstellen bearbeiten.

Profitipp: Wenn nicht gewährleistet ist, das beim Anrühren des Klebstoffs auch die Ecken und der Boden der Dose erreicht werden, sollte zur Sicherheit der mit Härter bzw. Beschleuniger angerührte Klebstoff in ein weiteres Gefäß umgefüllt werden.

Sicherheitshinweis: Beim Schleifen des rohen Glasfasermaterials unbedingt Handschuhe und Arbeitskleidung anziehen, da sich der Schleifstaub mit den winzigen Faserpartikeln in der Kleidung unangenehm festsetzt. Außerdem eine Staubmaske verwenden.

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