Fachinformationen rund um's Kleben von

Metall kleben

Metall gehört zu den relativ gut zu klebenden Materialien. Dennoch kommt es darauf an, das für den Anwendungsfall passende Produkt zu finden. Entscheidend für eine gute Verbindung sind neben der Klebstoffauswahl, eine gründliche Oberflächenbehandlung und Belastungsanalyse. Dann kann Kleben zunehmend Schweißen, Schrauben oder Nieten ersetzen. Vorteile, die heute in Maschinenbau, Fahrzeugbau, Architektur oder Elektroindustrie genutzt werden.

Die grundsätzlichen Fragen zum Thema Metall kleben vor der Entscheidung für einen passenden Klebstoff lauten:

  • Um welche Art Metall handelt es sich?
  • Wie ist die Oberfläche beschaffen (oxydiert, ölig, Oberflächenbehandelt, lackiert)?
  • Welche geometrische Klebefläche liegt vor (flächig, Kanten oder punktuell)?
  • Bestehen verarbeitungstechnische Vorgaben oder Zwänge?
  • Art und Umfang der Belastung einer Verklebung (dynamisch, hochbelastbar, wärmebeständig?
  • Wo liegt der spätere Einsatzbereich des geklebten Metalls?

Schon hier wird klar, den einen Klebstoff für Metalle gibt es nicht. Die Eigenschaften des Klebstoffes, wie Zusammensetzung, Viskosität oder Temperaturbeständigkeit müssen auf die zu klebende Oberfläche hin abgestimmt werden. Beispielsweise stellen passgenaue Fügeteile, bei denen kleine Flächen miteinander verbunden werden, andere Ansprüche an den Klebstoff, als bei Flächenkaschierungen.

Auswahl des Klebstoffes für Metall

Im Metallbau werden überwiegend drei Klebstofftypen verwendet: Acrylat-, Epoxydharz- und Polyurethan-Klebstoffe. Was wofür geeignet ist, hängt von den zu fügenden Werkstoffen ab.

  • Acrylatklebstoffe sind robust. Für strukturelle Klebungen von Metallen mit beschichteten, lackierten Oberflächen und Kunststoffen bieten sich auch reaktive, zweikomponentige Klebstoffe auf Acrylatbasis, beispielsweise MMA-Klebstoffe an. Sie haften auch auf leicht öligen Oberflächen und eignen sich daher gut für den Metallbauer. Mit ca. 20 MPa erzielen sie eine gute Festigkeit.
  • Epoxydharzklebstoffe werden vor allem im Stahlbau eingesetzt. Sie bieten höchste Festigkeiten um die 30 bis 40 MPa. Allerdings sind sie sehr anspruchsvoll an die Oberflächenvorbereitung: 100%ige Fett- und Staubfreiheit sind Voraussetzung. Probleme bereiten immer wieder Rost bzw. Oxidschichten an der Metalloberfläche. Epoxydharze haften zwar meist sehr gut am Rost, nur haftet der Rost nicht gut an den Oberflächen der Fügeteile. Stahlteile müssen also komplett entrostet und am besten blankgeschliffen werden. Auch Aluminium kann man sehr gut mit Epoxydharz-Klebstoffen kleben, ebenso wie mit Acrylatklebstoffen, die aber geringere Festigkeiten haben. Für Messing sind wiederum Epoxydharz-Klebstoffe geeignet, da Kupferwerkstoffe in Verbindung mit Acrylatklebstoffen Kupferacrylate bilden, die nicht lange halten. Die Oberflächen muss man zuvor wie bei Stahl blank schleifen. Hierzu zählen beispielsweise die 3M EPX-Klebstoffe, 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoffe auf Epoxidharzbasis zum festen Zusammenfügen von Metallen, Kunststoffen und Glas für hohe mechanische Belastungen (bis zu 400 kg/cm²), die auch lang andauernder Chemikalieneinwirkung standhalten.
  • Polyurethan-Klebstoffe sind UV-beständig und kleben auch lackierte Metalloberflächen miteinander. Für Klebungen von Verbundplatten, bei denen größere Flächen unterschiedlichster Materialien fixiert werden müssen, eignen sich reaktive Zweikomponentenklebstoffe auf Polyurethanbasis (PUR) mit langer Verarbeitungszeit. Für bis zu mehrere Millimeter breite Klebefugen von Werkstoffen, die dauerhaft oder temporär Vibrationen ausgesetzt sind, werden gerne Einkomponenten-PUR-Klebstoffe beziehungsweise MS-Polymere verwendet.
  • Anaerobe Klebstoffe/Dichtmittel (auch flüssiges Dichtungsmaterial) verhindern Leckagen, Vibrationen, Ablösen und Korrosion der Verbindungsstelle. Sie dienen zum Gewindesichern und -dichten, zum Sichern von zylindrischen Teilen, Versiegeln und Abdichten von Rohren. So können z. B. auch Getriebegehäuse, Grundplatten am Kurbelgehäuse, Wasserpumpen oder Nockenwellengehäuse am Zylinderkopf abgedichtet werden.

Verstärkt wird seit einigen Jahren der Einsatz derartiger Dichtklebstoffen beobachtet. Hier handelt es sich um Systeme, die ursprünglich aus dem Bereich der Abdichtungen kommen, aber auch klebetechnisch sehr leistungsfähig sind. Diese Klebedichtmassen, bevorzugt im einkomponentigen Einsatz, werden auch auf Basis Polyurethan (PUR) oder als sog. silanterminierte Polymere (STP, MS) angeboten. Einzelne 2-K-Systeme sowie sog. Boostersysteme behaupten sich hier ebenfalls. Dieses häufig auch als Dichtkleben oder Dickschichtkleben bezeichnete Verfahren zeigt seine Stärke darin, dass die Klebefuge eine gewisse Elastizität behält und somit Spannungen, Dehnungen oder Erschütterungen ausgleicht. Diese Eigenschaft nutzt man gerne im Fahrzeug-, Maschinen- und Lüftungsbau. Also Anwendungen bei denen häufig Vibrationen und Schwingungen eine Verklebung belasten.

Metall-Verklebungen: Mechanische Beanspruchungen

Ob es nun plötzlich, selten oder dauerhaft auftretende große Kräfte auf die Klebefuge sind, Vibrationen oder schälende Beanspruchungen – es müssen nicht zwingend 2-K-Produkte oder auf Basis Epoxy sein. Je nach Einsatz können auch heißhärtende 1-K-Epoxidharze, spezielle Formulierungen auf Basis 2-K-Polyurethan (PUR), sowie die in den letzten Jahren verstärkt auftretenden Acrylatklebstoffe (MMA) Verwendung finden. Diese sind auch in Acrylatschaumklebebänden, wie etwa der VHB-Serie von 3M enthalten und dienen zur Verbindung zahlreicher Materialien – mit hoher mechanischer Leistung und unter Wahrung der Ästhetik. Auch die Cyanakrylat-Klebstoffe aus der 3M Scotch-Weld-Reihe bieten äußerst leistungsfähige Verbindungslösungen für Metall mit Kunststoff, Gummi, Holz, Keramik und viele andere Oberflächenkombinationen.

Flächiges Kleben von Metallen

Um Metalle flächig miteinander oder mit anderen Werkstoffen klebetechnisch zu verbinden, können sowohl 1-K als auch 2-K-Reaktionsklebstoffe zum Einsatz kommen. Bei 2-K-Produkten ist jedoch die sog. Tropfzeit ein wichtiges Kriterium. Neben den Reaktivsystemen sind hier auch Kontaktklebstoffe auf Rohstoffbasis Polychloroprene (CR, im Volksmund auch Neopren genannt) verbreitet. Diese zeigen bei blanken und auch oberflächenbehandelten Metallen gute Adhäsionseigenschaften. CR-Klebstoffe sind meist in Lösungsmitteln gelöst, fallweise in Wasser dispergiert und werden anwendungsorientiert aufgerollt, gespritzt, gepinselt, gerakelt oder beidseitig aufgetragen. Diese Klebetechnik findet bevorzugt in Kaschierbereichen, z.B. bei Blechen auf Hölzern ihren Einsatz.

Oberflächenvorbereitung vor dem Kleben

  • Generell gilt bei Metallen: Oberflächenvorbehandlung verbessert die Benetzung mit Klebstoff! Da Oxydationen ebenso wie Öle und Fette Trennschichten bilden, auf denen Klebstoffe gut kleben können, aber diese Schicht wiederum nicht ausreichend fest auf dem Metall haftet, müssen sie sorgfältig entfernt werden. Dabei gilt: Erst reinigen bzw. entfetten, danach schleifen oder strahlen, sonst können Verunreinigungen beim Schleifprozess ins Metall hinein geschliffen (gestrahlt) werden und weiterhin trennend zum Klebstoff wirken. Außerdem sollten Metalle, die bei kalten oder niedrigeren Temperaturen gelagert werden, zur Vermeidung von Kondenswasser-Bildung vor dem Kleben ausreichend temperiert werden.

    Geregelt ist das Metallkleben in VDI 2229..

Anwendungsbereiche für das Kleben von Metallen (Beispiele):

  • Anbauteile, Versteifungsprofile, Schraubensicherungen, Welle-Nabe Verbindungen, Dichtung von Innenelementen im Maschinenbau.
  • Rahmen-Gehäuse, Elektronik-Bauteile in der Elektroindustrie.
  • Karosserieanbauteile, Zierleisten, Profile, GFK Formteile, Dach- und Seitenbeplankungen im Fahrzeugbau.
  • Versteifungsprofile, Verbundplatten, Fassadenelemente in Architektur/Innenausbau.

Kleben statt Schweißen, Schrauben oder Nieten

Die Vorteile von Metall-Klebeverbindungen liegen in

  • der Einsparung von Gewicht
  • unsichtbaren Verbindungen
  • sicheren Fügen von Material-Mix
  • einer sauberen, zerstörungsfreien Alternative gegenüber Schrauben und Nieten.

Kleben bringt heute eine erhebliche Zeitersparnis in Fertigung und Montage – je nach Anwendungsfall berichten Industrienutzer von einer zehnmal schnelleren Fügung gegenüber klassischen Verfahren. Schweißen etwa belastet die Fügeteile zudem thermisch, und an Schweißnähten kann die sonst sehr hohe Festigkeit von Stählen durch ein verändertes Kristallgitter sinken. Klebeverbindungen punkten besonders immer dann, wenn verschiedene Werkstoffe miteinander verbunden werden sollen, zum Beispiel Kunststoffe mit Metallen, Glas mit Kunststoffen, Glas mit Metallen usw. So ermöglichen erst Klebungen, die Verbindung von Anbauteilen aus Werkstoffen, die sonst gar nicht schweißbar sind: z.B. von Kappen an Edelstahlhandläufen. Viele Klebstoffe sind außerdem hoch- und höchstelastisch. Dadurch können sie unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von geklebten Materialien ausgleichen sowie Schwingungen und dynamische Kräfte sehr gut tolerieren.

Klebstoffe im Fahrzeugbau – Fügetechnik des 21. Jahrhunderts

In der Automobilindustrie ist Kleben längst zu einer Schlüsseltechnologie geworden, die andere Fügetechnologien mehr und mehr ersetzt: 9 % der gesamten jährlichen Klebstoffproduktion entfallen auf die Fahrzeugbranche (2014). Ein Auto enthält heute rd. 15 bis 18 kg Klebstoff. So finden sich an einem Mercedes der S-Klasse z. B. neben 5.500 Schweißpunkten heute schon 73 m Klebenähte bzw. Klebeband-Verbindungen. Kleben wurde deswegen von Fraunhofer-Forschern schon als „Fügetechnik des 21. Jahrhunderts“ bezeichnet. Dabei werden oft spezielle Ein-Komponenten-Epoxidharzklebstoffe eingesetzt, die auch auf leicht öligen Blechen haften – u.a zum Versteifen von Schweißnähten z.B. in Türen oder an der Karosserie. Geklebte Autos schneiden im Crashtest allgemein besser ab als geschweißte. Der Grund: Crashfeste Strukturklebstoffe verbinden, ohne die Fügeteile zu beeinträchtigen. Durch die Erwärmung beim Schweißen werden die spezifischen Eigenschaften des Werkstoffes verändert und beim Nieten oder Schrauben werden Löcher gebohrt.

Weiterer Vorteil der Klebtechnik ist, dass sie mit allen anderen Verbindungstechniken kombinierbar ist: Nieten/Kleben, Schrauben/Kleben, Clinchen/Kleben, Punktschweißen/Kleben.

Zur Befestigung von Innenverkleidungen an Autotüren etwa benötigt man Klebstoffe, die unter Druck abbinden. Werkstücke können so in rationeller Arbeitsweise erst mit Klebstoff bzw. -band beschichtet und später zusammengefügt werden. Beim Pressen wird der Haftklebstoff fest und verbindet Kunststoff sicher mit Metall. Dies spart Zeit und Geld bei der Montage. Zudem müssten die Außenseiten, wenn z.B. Türbleche verschweißt werden, aus optischen Gründen aufwändig nachgearbeitet werden. Das entfällt bei verklebten Türen.

Selbst Motoren und Motorkomponenten sind bei 5.000 Umdrehungen mit Klebstoff verlässlich verbunden. Umauch mit extremen Motor-Temperaturen fertig zu werden, wurden speziell wärmehärtende Klebstoffe entwickelt, womit z.B. Laufbuchsen in Dieselmotoren geklebt werden.

Um noch sparsamere und leichtere Autos zu bauen, setzen die Hersteller künftig neben Stahlblechen auch auf Verbundstoffe wie GFK/ CFK oder Keramik. Genau hier kommt das volle Potenzial der Klebtechnik zum Tragen: So ein Multi-Material-Design Materialmix lässt sich sinnvoll oft nur noch mit Klebstoffen verbinden. So erlaubt die Anwendung von 2-Komponenten-Klebstoffen die Klebung von Bodenplatten aus Faserverbundstoff auf Aluminiumkarosserien. Dadurch werden gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren 10 % Gewicht eingespart.

Und zu guter Letzt: Moderne Klebstoffe brechen alle Rekorde: Ein über 10 Tonnen schwerer LKW schwebte kürzlich eine ganze Stunde über dem Boden – gehalten nur an einer Klebeverbindung auf zwei Metallbolzen mit einem Durchmesser von 7 cm.