Klebverbindungsfehler

Verständnis der Versagensmechanismen von Klebverbindungen – wie robuste, langlebige Klebverbindungen konstruiert werden, die über die gesamte Produktlebensdauer zuverlässig funktionieren.

Wie Klebverbindungsfehler erkannt werden

Ein Adhäsionsbruch ist ein Versagen der Grenzflächenhaftung zwischen dem Klebstoff (oder Beschichtungen, Druckfarben, Dichtstoffen) und dem Fügeteil. Ein Kohäsionsbruch tritt auf, wenn der Bruch dazu führt, dass auf beiden Oberflächen eine Klebstoffschicht zurückbleibt. Die Untersuchung des Versagensmodus liefert wertvolle Erkenntnisse über die Prozessvariablen, die Festigkeit und Haltbarkeit der Klebverbindung beeinflussen. Der Klebeprozess umfasst sowohl Adhäsions- als auch Kohäsionskräfte, und Fehler betreffen häufig mehr als einen Versagensmodus. Die vier Versagensmodi sind Adhäsionsbruch (Grenzflächenversagen), Kohäsionsbruch (innerhalb des Klebstoffs), Substratbruch (Materialversagen) und Mischbruch (eine Kombination aus Adhäsions- und Kohäsionsversagen). Delamination kann während des Fertigungsprozesses oder zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Lagerung oder Nutzungsdauer des Produkts auftreten. Robuste Klebverbindungen müssen sowohl Verbindungsfestigkeit als auch Verbindungshaltbarkeit aufweisen. Allzu oft werden kritische Versagensmechanismen nicht richtig identifiziert, sodass Hersteller auf der Suche nach einer Lösung unnötige und kostspielige Ausrüstung anschaffen.

Arten von Klebverbindungsfehlern und ihre Ursachen

Die Haftung zwischen zwei Materialien hängt von Oberflächenwissenschaft, Verbindungskonstruktion und der Chemie des Klebstoffs (bzw. der Druckfarbe/Beschichtung) ab. Klebverbindungen können adhäsiv oder kohäsiv versagen. Der Versagensmodus bezeichnet den Mechanismus, durch den eine Klebverbindung infolge einwirkender Spannung oder Kraft bricht oder versagt. Wenn Verbindungen versagen, ist es entscheidend, die zugrunde liegenden Ursachen zu identifizieren.

Klebverbindungen können adhäsiv oder kohäsiv versagen

Adhäsionsbruch

Ein Adhäsionsbruch tritt an der Grenzfläche zwischen dem Klebstoff und dem Fügeteil (Substrat) auf. Der Klebstoff löst sich sauber vom Substrat. Optisch verbleiben Klebstoffreste an jeder Stelle jeweils nur auf einer der beiden Oberflächen. Adhäsionsbrüche haben ihre Ursache fast immer im Fertigungsprozess, etwa durch Fremdkontamination, Migration chemischer Additive in die Klebstoffschicht, Viskositäts- und Dickeneigenschaften der Klebefuge sowie unsachgemäße Aushärtung. Auch Temperaturschwankungen können aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften übermäßige Spannungen in Klebverbindungen erzeugen. Der Klebstoff muss die Substratoberfläche ausreichend benetzen, sonst liegt die Verbindungsfestigkeit unter dem Maximum.

Adhäsionsbrüche

Viskosität

Kohäsionsbruch

Ein Kohäsionsbruch führt zum Bruch innerhalb des Klebstoffs und ist daran erkennbar, dass Klebstoffmaterial auf den korrespondierenden Flächen beider Fügeteile (Substrate) sichtbar bleibt. Die Haftung zwischen Klebstoff und Substraten ist dabei stärker als der Klebstoff selbst. Kohäsionsbrüche, die im Feldeinsatz auftreten, sind in der Regel auf eine mangelhafte Verbindungskonstruktion zurückzuführen.

Substratbruch

Der Substratbruch (oder Fügeteilbruch) stellt die optimale Verbindungsfestigkeit dar, bei der das Material selbst bricht und nicht die Verbindung.

Mischbruch

Ein Mischbruch weist Merkmale sowohl des Adhäsionsbruchs als auch des Kohäsionsbruchs auf, da die Grenzfläche teilweise geschädigt ist. Im Wesentlichen handelt es sich bei diesem Versagensmodus um eine Übergangsphase, in der die Festigkeit der Klebverbindung geringer ist als die Kohäsionsbruchfestigkeit.

Wie starke Klebverbindungen für die Fertigung konstruiert werden

Klebverbindungen versagen aus vielfältigen Gründen, darunter Bauteilkonstruktion, Formgebung, Materialien und Lagerung, Vorbehandlung, Montage sowie Einsatzbedingungen im Feld. In der heutigen globalen Fertigungswelt werden Bauteile häufig in einem Land produziert und zur Montage in ein anderes verschickt. Allein dieser Ablauf führt zu Faktoren, die das Kleben erschweren.

Warum versagen Klebverbindungen?

Klebverbindungsfehler können vielfältige Ursachen haben, darunter Bauteilkonstruktion, Formgebung, Materialien und Lagerung, Vorbehandlung, Montage sowie Einsatzbedingungen. Im heutigen globalen Fertigungsumfeld werden Bauteile routinemäßig in einem Land hergestellt und zur Montage in ein anderes geliefert. Allein dieser Ablauf führt zu Faktoren, die das Kleben erschweren.

Vorbehandlung

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Wie Polymeroberflächen und Kontaktwinkel die Klebverbindung beeinflussen

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Polymermorphologie und Verarbeitung beeinflussen letztlich, wie leicht oder schwierig sich Klebevorgänge gestalten. Teilkristalline Kunststoffe lassen sich in der Regel schwieriger kleben als amorphe Kunststoffe. Acetale, Nylons, Polyolefine, PPS, Polycarbonate, PTFE sowie Kautschuke/Elastomere stellen die größten Herausforderungen dar. Migrierende externe Schmiermittelsprays wie Silikone sollten in Spritzgussbetrieben niemals eingesetzt werden, da sie über die Luft zu allen anderen Maschinen gelangen und sich auf den Formteilen ablagern.

Die Oberflächenvorbereitung ist entscheidend, um eine hohe Klebverbindungsfestigkeit zu erreichen. Oberflächen müssen sauber und frei von Schmutz, Fett und Ölen sein. Niedermolekulare Stoffe (LMWM) wie Silikone, Formtrennmittel und Antihaftmittel beeinträchtigen die Haftung. Beim Reinigen von Kunststoffoberflächen erzeugt überschüssiges Lösungsmittel schwache Grenzschichten, die einen Schleierbelag hinterlassen und die Haftung beeinträchtigen. Bei der Plasma-Oberflächenvorbehandlung gibt es optimale Benetzungswerte — sowohl eine Über- als auch eine Unterbehandlung müssen vermieden werden.

Kontaktwinkel und Oberflächenenergie. Das Verständnis des Kontaktwinkels und seiner physikalischen Wechselwirkungseigenschaften zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten liefert wertvolle Informationen zur Bestimmung optimaler Benetzungsbedingungen für die Klebverbindung. Je höher die Oberflächenenergie des festen Substrats im Verhältnis zur Oberflächenspannung einer Flüssigkeit (Wasser, Druckfarben, Klebstoffe, Beschichtungen usw.) ist, desto besser ist die „Benetzbarkeit“ und desto kleiner der Kontaktwinkel. Kontaktwinkel werden sowohl durch Änderungen der Oberflächenchemie als auch der Oberflächentopografie beeinflusst.

Der fortschreitende Kontaktwinkel (Advancing Angle) reagiert am empfindlichsten auf die niederenergetischen (unmodifizierten) Bestandteile der Substratoberfläche, während der zurückweichende Kontaktwinkel (Receding Angle) empfindlicher auf die hochenergetischen, oxidierten Gruppen reagiert, die durch die Oberflächenvorbehandlung entstehen. Der zurückweichende Kontaktwinkel ist somit der Messwert, der den modifizierten Anteil der Oberfläche nach der Vorbehandlung am charakteristischsten wiedergibt, gemessen mit dyne-Lösungen. Daher ist es wichtig, sowohl den fortschreitenden als auch den zurückweichenden Kontaktwinkel an allen oberflächenmodifizierten Materialien zu messen.

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