Spannungsrissbildung in Klebbaugruppen

Umgebungsbedingte Spannungsrissbildung in geklebten und beschichteten Baugruppen

Wichtigste Erkenntnisse

• ESC erfordert gleichzeitig mechanische Spannung und chemische Einwirkung – jeweils für sich ist beides meist unkritisch, weshalb Werkstoffdatenblätter sie nicht vorhersagen.
• Die Montage liefert beides. Klebstoffe, Lösungsmittel, Beschichtungen und das beim Auftragen nötige Spannen bringen Medium und Spannung zugleich ein.
• Amorphe Polymere sind die gefährdete Klasse – Polycarbonat, ABS, Acryl, Polysulfon und PPO versagen auf diese Weise weitaus häufiger als teilkristalline Kunststoffe.
• Eigenspannungen aus dem Spritzguss sind unsichtbar und oft größer als die Betriebslast; Tempern und Prüfung im polarisierten Licht sind kostengünstige Wege, sie aufzuspüren.

Die umgebungsbedingte Spannungsrissbildung ist die Schadensart, die Entwicklungsteams am häufigsten überrascht, weil sie die übliche Spezifikation von Kunststoffen unterläuft. Der Werkstoff erfüllt seine Zugfestigkeit. Das Bauteil wird weit unterhalb dieser Festigkeit belastet. Das Medium, mit dem es in Kontakt kommt, ist als verträglich gelistet. Und die Baugruppe reißt trotzdem, Wochen nach der Auslieferung, spröde und völlig anders, als es das Datenblatt des Werkstoffs erwarten ließe.

Die Erklärung: ESC ist keine reine Werkstoffeigenschaft. Sie ist eine Eigenschaft der Kombination aus Werkstoff, Spannungszustand und chemischer Umgebung – und im Spezifikationsprozess werden diese drei Größen üblicherweise getrennt bewertet.

Der Mechanismus in Kürze

Amorphe Polymere bilden unter Zugspannung Crazes: mikroskopisch kleine Bereiche mit Hohlräumen, die von verstreckten Polymerfibrillen überbrückt werden. Unter normalen Bedingungen nimmt das Crazing Energie auf und ist weitgehend unkritisch. Kommt ein Medium mit passender Löslichkeitsbeziehung zum Polymer hinzu, dringt es in den Craze ein, plastifiziert die Fibrillen lokal und senkt die Spannung, die nötig ist, damit sich der Craze zu einem Riss entwickelt. Das Polymer wird weder gelöst noch chemisch abgebaut – herkömmliche Prüfungen der chemischen Beständigkeit an unbelasteten Proben finden nichts –, aber die Energiebarriere für das Risswachstum ist zusammengebrochen.

Daraus folgen zwei Konsequenzen. Erstens sind beide Komponenten zwingend erforderlich: Ein unbelastetes Bauteil im selben Medium bleibt intakt, ebenso ein belastetes Bauteil in sauberer Luft. Zweitens ist der Vorgang zeit- und schwellenwertabhängig: Ein Bauteil kann monatelang halten und dann versagen, und eine geringe Zunahme von Spannung oder Konzentration kann die Versagenszeit um eine Größenordnung verschieben.

Warum die Montage meist die Ursache ist

Kleb-, Beschichtungs- und Dekorationsprozesse sind ungewöhnlich effizient darin, beide erforderlichen Bedingungen an derselben Stelle zu schaffen.

• Lösungsmittel. Lösungsmittelhaltige Klebstoffe, Primer, Reinigungstücher und Tinten bringen das Medium in direkten Kontakt mit dem Polymer – oft im höchstbelasteten Bereich des Bauteils, weil dort die Verbindung liegt.
• Härtungsschrumpf. Klebstoffe und Beschichtungen schrumpfen beim Aushärten, und ein starrer Film auf einem starren Substrat überträgt diesen Schrumpf als Zugspannung in die Substratoberfläche – genau dort, wo Crazes entstehen.
• Montagespannung. Presspassungen, Schnappverbindungen, selbstschneidende Schrauben, Spannen während der Aushärtung und unterschiedliche Wärmeausdehnung erzeugen dauerhafte Spannung. Anders als Betriebslasten verschwindet sie nie.
• Eigenspannungen aus dem Spritzguss. Häufig der größte Anteil überhaupt – und unsichtbar. Ein Bauteil kann das Werkzeug mit inneren Spannungen verlassen, die vergleichbar mit oder größer als jede Betriebsbelastung sind, konzentriert an Angüssen, Dickensprüngen und Bindenähten.

Eine Untersuchung, die als Spannungsanteil nur die Betriebslast betrachtet und die anderen drei ignoriert, kommt zu dem Schluss, das Bauteil sei weit innerhalb der Grenzen belastet und ESC daher ausgeschlossen. Dieser Schluss ist oft genug falsch, sodass sich eine Überprüfung jedes Mal lohnt.

Die unsichtbare Spannung aufspüren

Die Messung von Eigenspannungen erfordert keine aufwendige Ausrüstung. Transparente und transluzente Bauteile zeigen zwischen gekreuzten Polarisationsfiltern Doppelbrechungsmuster, die die Spannungsverteilung direkt abbilden; das Verfahren dauert Minuten und zeigt sofort, ob Angussbereiche und Bindenähte hohe Spannungen tragen. Bei opaken Bauteilen erzeugt das kontrollierte Eintauchen in ein definiertes Reagenz für eine definierte Zeit bevorzugt in belasteten Bereichen Crazing und liefert so eine qualitative Karte. Das Tempern einer Probe knapp unterhalb der Glasübergangstemperatur und die Messung der Maßänderung quantifizieren, wie viel Spannung eingefroren war.

Sind erhebliche Eigenspannungen bestätigt, liegen die Gegenmaßnahmen im Spritzguss: höhere Werkzeugtemperatur, langsameres Füllen, angepasster Nachdruck, Verlegung des Angusses, Umkonstruktion mit dickeren Querschnitten zur Vermeidung abrupter Übergänge und in manchen Fällen ein Tempern nach dem Spritzen. Das ist meist günstiger als ein Werkstoffwechsel und immer günstiger als eine Rückrufaktion.

Die chemische Belastung konstruktiv ausschließen

Wird das Medium durch den Prozess eingebracht, ist ein Ersatz oft möglich und wird zu selten genutzt: lösungsmittelfreie oder wasserbasierte Reiniger statt aggressiver Lösungsmittel; UV-härtende oder Schmelzklebstoffe statt lösungsmittelverklebter Verbindungen; schrumpfarme Klebstoffformulierungen und – besonders bei Polycarbonat und Acryl – Klebstoffchemien, die für diese Substrate ausdrücklich als nicht crazing-auslösend qualifiziert sind.

Gelangt das Medium im Betrieb an das Bauteil – Reinigungsmittel, Sonnencreme, Insektenschutzmittel, Kraftstoffe, aus benachbarten Teilen migrierende Weichmacher, Desinfektionsmittel im medizinischen Umfeld –, besteht die konstruktive Antwort darin, die dauerhafte Zugspannung an der exponierten Oberfläche zu verringern, Verbindungen von der Exposition fernzuhalten oder auf einen teilkristallinen Werkstoff zu wechseln. Sonnencreme und Handdesinfektionsmittel verdienen besondere Erwähnung, weil sie bei Konsumgütern und Medizinprodukten einen steten Strom von Feldausfällen verursachen und fast nie im ursprünglichen Lastenheft stehen.

Prüfungen, die tatsächlich etwas vorhersagen

Gängige Tabellen zur chemischen Beständigkeit werden an unbelasteten Proben erstellt und unterschätzen das ESC-Risiko daher systematisch. Aussagekräftige Prüfungen bringen Spannung und Medium gleichzeitig auf. Beim Biegestreifenversuch werden Proben bei definierter Dehnung dem Medium ausgesetzt; ein Zugversuch mit konstanter Last misst die Standzeit bei mehreren Spannungsniveaus; und die Prüfung am tatsächlich montierten Bauteil mit dem realen Klebstoff und der realen Einspannung ist die einzige Methode, die den Spannungsbeitrag der Montage selbst erfasst.

Verwenden Sie die tatsächlichen Betriebsmedien statt Ersatzstoffen – auch die, die niemand spezifiziert hat, die aber jeder einsetzt. Prüfen Sie bei der höchsten realistischen Temperatur, denn ESC beschleunigt sich mit der Temperatur stark. Und prüfen Sie nach Möglichkeit bis zum Versagen statt über eine feste Dauer, denn die Kenntnis der Sicherheitsmarge ist mehr wert als das Wissen, dass das Bauteil einen willkürlichen Zeitraum überstanden hat.

ESC im Feld erkennen

ESC hat ein charakteristisches Erscheinungsbild, das sie von anderen Bruchursachen bei Kunststoffteilen unterscheidet. Der Bruch ist spröde, auch bei einem normalerweise duktilen Werkstoff, mit wenig oder gar keiner Verstreckung oder Weißbruch an der Bruchstelle. Die Bruchfläche ist am Ausgangspunkt typischerweise glatt und glasig und zeigt häufig eine spiegelartige Zone, in der der Riss entstand, umgeben von rauerem Material, in dem er sich beschleunigte. Mehrere parallele Risse oder ein Netz feiner Crazes nahe dem Bruch sind häufig und bei einfachem Überlastbruch selten zu sehen.

Die Lage ist ebenso aussagekräftig. ESC-Risse beginnen dort, wo die Zugspannung am höchsten ist und Chemikalienkontakt bestand; sie häufen sich daher an Angüssen, Bindenähten, Wandübergängen, um Einlegeteile und Schraubdome sowie unmittelbar neben Klebfugen und beschichteten Kanten. Ein Riss, der am Rand einer Klebstoffraupe beginnt und ins Bauteil läuft, ist nahezu ein Erkennungszeichen.

Bleibt die Diagnose zweifelhaft, bringt ein Reproduktionsversuch Klarheit: Man nimmt unbelastete Teile aus derselben Charge, bringt eine bekannte Dehnung auf, setzt sie dem vermuteten Medium aus und prüft, ob dasselbe Bruchbild entsteht. Ist das der Fall, ist der Mechanismus geklärt, und die Abhilfe – Spannung verringern, Medium ändern oder Werkstoff wechseln – kann nach Kosten statt nach Vermutung gewählt werden.

Weiterführende Informationen

• Kleben & Fügen
• Methoden der Ursachenanalyse
• Polycarbonat
• Bindenähte und Fließnähte als verborgene Ursachen
• Bewährte Verfahren zum Kleben teilkristalliner Thermoplaste

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Häufig gestellte Fragen

Was genau ist umgebungsbedingte Spannungsrissbildung?

ESC ist das spröde Reißen eines Polymers unter der kombinierten Wirkung von mechanischer Spannung und einem chemischen Medium, bei Spannungen und Konzentrationen, die jeweils allein kein Versagen verursachen würden. Das Medium greift das Polymer nicht chemisch an; es beschleunigt Crazing und Risswachstum, indem es die Energie senkt, die zur Bildung neuer Oberflächen nötig ist.

Welche Kunststoffe sind am anfälligsten?

Amorphe Thermoplaste sind die gefährdete Klasse: Polycarbonat, ABS, Acryl, Polystyrol, Polysulfon und modifiziertes PPO. Teilkristalline Werkstoffe wie Polypropylen, Acetal, Nylon und PBT sind deutlich widerstandsfähiger, weil ihre kristallinen Bereiche die Craze-Ausbreitung behindern, wenn auch unter aggressiven Bedingungen nicht immun.

Kann ein Klebstoff Spannungsrisse verursachen?

Ja, und das ist ein häufiger Mechanismus. Lösungsmittelhaltige Klebstoffe und Reiniger liefern das Medium direkt, nicht ausgehärtete Komponenten reaktiver Systeme können als Medium wirken, und der Härtungsschrumpf liefert die Spannung. Eine Klebverbindung kann daher beide erforderlichen Bedingungen an derselben Stelle im selben Moment erzeugen – weshalb verklebte Baugruppen aus Polycarbonat und Acryl so oft auf diese Weise versagen.

Wie erkennen wir Eigenspannungen in einem Spritzgussteil?

Polarisiertes Licht zeigt Spannungsmuster in transparenten Bauteilen direkt. Bei opaken Bauteilen macht ein Tauchversuch mit einem kontrollierten Reagenz belastete Bereiche als Crazing sichtbar. Das Tempern einer Probe unterhalb der Glasübergangstemperatur und die erneute Maßmessung zeigen, wie viel eingefrorene Spannung vorlag. Alle drei Verfahren sind im Vergleich zu einem Feldausfall kostengünstig.

Tritt ESC sofort oder erst mit der Zeit auf?

Meist mit der Zeit, und genau das macht sie gefährlich. Die Rissbildung kann bei Betriebsspannungen Wochen oder Monate dauern, sodass Bauteile jede Produktionsprüfung bestehen und erst im Feld versagen. Beschleunigte Prüfungen mit den tatsächlichen Betriebsmedien unter aufgebrachter Spannung sind der einzige zuverlässige Weg, sie aufzudecken, bevor es die Kunden tun.

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