Tipps für Ingenieure - Teil 1

Tipps für Ingenieure - Teil 1

Strukturelles Kleben bietet zahlreiche Vorteile. Um diese voll nutzen zu können, sollte man schon in der Konstruktionsphase berücksichtigen, wenn Bauteile später geklebt werden sollen. Erfolgt eine optimierte Konstruktion der Fügeteile, lassen sich die Leistungsfähigkeit der Verbindung erhöhen, Kosten vermeiden und Produktionsprozesse beschleunigen.

Neue Materialien und Konstruktionsweisen erfordern oft den Einsatz der Klebtechnik. Das ist bei Faserverbundwerkstoffen wie CFK ganz besonders der Fall, schließlich kommt man dort mit Schweißen, Schrauben und Nieten nicht zu hoch belastbaren Verbindungen und mit umformtechnischen Verfahren oder dem Ultraschallschweißen nur selten. Aber auch für Multi-Materialbauweisen, die verschiedene hochfeste Metalle wie Stahl-, Aluminium- oder Magnesiumlegierungen miteinander oder mit Kunststoffen verbinden, wird Kleben wichtiger.
Dabei gibt es einen klassischen Fehler, der immer wieder ­auftaucht: Ein Bauteil, das geschraubt oder geschweißt wurde, soll nun geklebt werden, ohne dass seine Geo­metrie dafür angepasst wird. Dadurch können Probleme bei der Klebstoffdosierung, dem Fügen der Bauteile und insbesondere der Festigkeit der Verbindung auftreten. Dass solche Fehler auftreten, ist an sich nicht verwun­der­lich. Denn trotz des Booms in der Praxis fristet die Klebtechnik im Curri­culum des Ingenieurstudiums weiter­hin ein Schatten­dasein, Klebstoff-Know-how müssen sich Ingenieure daher in der Praxis aneignen. Dieser Artikel soll ein Beitrag dazu sein und richtet sich insbesondere an Einsteiger in die Klebtechnik.
Einige Beispiele mit klassischen geometrischen Formen wie Quader und Zylinder sollen das Grundprinzip klebgerechten Konstruierens verdeutlichen. Das unterscheidet sich von den punktuellen bzw. linienförmigen Verbindungstechniken Schrauben und Schweißen unter anderem darin, dass seine Kraft in der Fläche wirkt. Der Klebe-GAU schlechthin ist daher eine kleine Klebfläche auf einem dünnen Blech, das Stoß auf Stoß verklebt ist (Abb. 1, links).

Abb. 1: Vergrößerung der Klebfläche
Klebgerechtes konstruieren leicht gemacht
Abb. 2: Nut-Feder-Verbindung: Wichtiges Hilfsmittel gegen Schälkräfte

Einfache Schritte für den Erfolg beim Kleben

Ob sie aber schon der Weisheit letzter Schluss ist oder lediglich das Prädikat "ausreichend" erhält, hängt von den Kräften in der konkreten Anwendung ab. Prinzipiell ist mit einer exzentrischen Krafteinleitung zu rechnen. Dabei wirkt die Kraft nicht in einer Achse, sondern dreht sich, um ins Gleichgewicht zu kommen. In diesem Fall droht eine Schälbeanspruchung - für eine Klebverbindung äußerst ungünstig. Als gutes Hilfsmittel des Konstrukteurs dagegen hat sich die Nut-Feder-Verbindung (Abb. 2, rechts) erwiesen, die in ihren Grundzügen der im Holzbau schon lange bekannten Schwalbenschwanzkonstruktion ähnelt. Denn außer einer größeren Klebfläche sorgt diese Konstruktion auch dafür, dass sich die beiden Fügeteile verkanten und mechanisch blockieren. Dadurch können sie nicht so leicht ver- und aufgebogen werden.

Die ungünstige Konstruktion in Abbildung 3 ist typisch für eine Konstruktion, die ursprünglich für das Schweißen aus­gelegt wurde und nun geklebt werden soll. Während sie ordentliche Werte auf Zug und besonders auf Druck erreicht, sorgt schon eine leichte Schälbelastung für eine Destabilisierung. Dem lässt sich einfach entgegenwirken, etwa mit einem breiteren Zylinderfuß. Eine vergleichbare Wirkung erzielt ein Bohrloch in der Platte, wodurch eine runde ­Nut-Feder-Konstruktion entsteht.

Abb. 3: Wird eine Schweißverbindung durch Kleben ersetzt, sollte die Konstruktion angepasst werden

Weitere konstruktive Optionen erfahren Sie in Teil 2.

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