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Leichtbauteile variabel verklebt

Gradientenklebstoffe: Verbindung ist nicht überall gleich steif
Leichtbauteile variabel verklebt

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Ein neuer Typ von Dual-Cure-Klebstoffen lässt sich beim Aushärten beeinflussen und ermöglicht so Verbindungen, die nicht in allen Bereichen gleich steif sind. Im Automobilbau kann das zum Beispiel die Belastungen durch Schwingung reduzieren.

Ultrahochfeste Stähle oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff: Mit Leichtbaukomponenten sollen tragfähige Bauteile mit möglichst geringem Gewicht entstehen. Doch Duroplaste, die oft als Matrix für Faserverbundwerkstoffe dienen, lassen sich nicht verschweißen. Strukturelle Klebstoffe hingegen verbinden die Fügeteile dauerhaft und erzeugen darüber hinaus eine gewisse Formstabilität.

Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt untersuchen Wissenschaftler seit eineinhalb Jahren solche Dual-Cure-Klebstoffe, denen sie besondere Eigenschaften verleihen. Solche Gradientenklebstoffe härten in zwei Schritten aus. Sie benötigen Luftfeuchte, Wärme, anaerobe Bedingungen oder UV-Licht, um den ersten Härtungsmechanismus in Gang zu setzen. Ein weiterer Aktivator initiiert anschließend die zweite Härtung. Derartige Klebstoffe sind zwar grundsätzlich am Markt erhältlich. Bislang gibt es allerdings ausschließlich Produkte mit konstanter Elastizität, die also an jeder Stelle die gleiche Steifigkeit aufweisen.
Der neue Dual-Cure-Klebstoff hingegen zeigt variable Elastizität. Um das zu erreichen, umfasst der erste, durch Wärme gestartete Härtungsmechanismus die gesamte Klebstoffschicht und liefert zunächst ein weiches, flexibles Produkt.
Durch die Bestrahlung mit UV-Licht wird eine weitere Härtung in Gang gesetzt. Diese lässt sich aber gezielt an bestimmten Stellen starten, und lediglich an den UV-exponierten Orten vernetzen sich die Polymerketten zusätzlich. Das führt lokal zu einer größeren Steifigkeit. Auf diese Weise erhalten die Forscher ein Stück Kunststoff mit einer ganz weichen und einer ganz harten Hälfte.
Dieser Steifigkeitsgradient verlängert die Lebensdauer der Klebverbindungen deutlich. Beim Einwirken äußerer Belastungen wie zum Beispiel Schwingungen verteilen sich die Spannungen ungleichmäßig über die herkömmlich geklebte Fläche. An den Rändern der Fuge bilden sich Spannungsspitzen, die Verbindung wird übermäßig beansprucht. Der neu entwickelte Klebstoff mit spezifischem Steifigkeitsgradienten ist aber an den Rändern der Klebfläche elastisch und macht die Verformung besser mit, was Spannungsspitzen abfedert. In der Mitte wiederum wird die Klebschicht lokal aufgehärtet und ist fest, was dauerhafte Formstabilität ermöglicht. Tests sollen nun zeigen, dass die unterschiedliche Elastizität über die gesamte Betriebsdauer eines Produktes beibehalten wird, im Falle eines Autos also auch 20 Jahre lang.
Die Forscher denken aber weiter: Sie wollen Alternativen zum UV-Licht für den zweiten Härtungsschritt prüfen, um auch Metall mit Metall zu verbinden. Und vielleicht könnten Kunststoffe mit gradierten mechanischen Eigenschaften in Zukunft in Form von Harzen für Verbundwerkstoffe oder Vergussmassen eingesetzt werden.
Weitere Informationen Über die Arbeiten am Fraunhofer LBF in Darmstadt: www.lbf.fraunhofer.de
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