fügetechnologie kleben teil 1 - fast · eigenschaften alterung ... wandstärke -kombinationen...
TRANSCRIPT
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Fgetechnologie Kleben Teil 1Kleben Teil 1
Dr. Wolfgang Fleischmann
Henkel AG & Co. KGaA
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Themen-bersicht
Fgetechnologie Kleben Teil 1 Ingenieurtechnische
Grundlagen
Fgeverfahren Kleben
Fgetechnologie Kleben Teil 2 Chemische Grundlagen
Benetzung Adhsion & Kohsion
Wolfgang Fleischmann / KIT 2Juni 2010
Fgeverfahren Kleben Anwendungsfelder Konstruieren mit Klebstoffen Festigkeit & Verformung Berechnung Prfung Klebstoffauswahl Anwendungsbeispiele
Adhsion & Kohsion Vernetzung & Hrtung Oberflchenvorbehandlung Klebstoffarten &
Eigenschaften Alterung Metall- & Kunststoffkleben Arbeits- & Gesundheitsschutz Anwendungsbeispiele
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Kleben im AlltagKlebtechnik und Klebstoffe sind aus unserem heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken!Vieles ist berhaupt erst mglich geworden durch den Einsatz geeigneter Klebstoffe!
Einsatzgebiete: Nahrungsmittelindustrie: Verpackungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 3Juni 2010
Einsatzgebiete: Nahrungsmittelindustrie: Verpackungen Medizin: Pflaster, Kleben von Wunden Haushalt Handwerk: Schuhmacher industrielle Fertigung: Flugzeug- und Autobau
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Schienenfahrzeugbau um 1900
Wolfgang Fleischmann / KIT 4Juni 2010
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Schienenfahrzeugbau um 2000
Wolfgang Fleischmann / KIT 5Juni 2010
REGIOSHUTTLE/ADtranz
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Megatrend Leichtbau
Leichtbau Konstruktionen Gewichtsminimierung durch optimale
Materialausnutzung Wandstrke-Kombinationen dnn/dnn und dnn/dick
Wolfgang Fleischmann / KIT 6Juni 2010
Wandstrke-Kombinationen dnn/dnn und dnn/dick Herausforderung Steifigkeit Herausforderung Crashbestndigkeit Herausforderung Dauerhaftigkeit und
Schwingermdung Herausforderung Gerusch und Vibration
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Megatrend Leichtbau
Multimaterial Designs Hochfeste Sthle Al- und Mg-Legierungen Verbundwerkstoffe
Wolfgang Fleischmann / KIT 7Juni 2010
Verbundwerkstoffe Kunststoffe
Fgetechnik darf nicht auslegungsbestimmend sein
Herausforderung fr die Fgetechnik
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Das Fgeverfahren KlebenKleben
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bersicht Fgeverfahren
StoffschlussKraft/Formschluss
Nietverbindung
Wolfgang Fleischmann / KIT 9Juni 2010
Schweien
Lten
Kleben
Schnappverbindung
Verschraubung
Pressverbindung
Nietverbindung
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Werk-stoff-vielfalt
Festigkeit auf kl. Flche
Flchige Kraftein-leitung
Schdi-gung des Fgeteils
Tempe-raturbe-anspr.
Verzug
Kleben
Metallschweien
Punktschweien
Strken- und Schwchenanalyse 1gut
mssig
schlecht
Wolfgang Fleischmann / KIT 10Juni 2010
Punktschweien
Kunststoffschweien
Lten von Metall
Lten von Glas
Schrauben
Nieten
Stanznieten
Durchsetzfgen
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Korro-sions-hemmung
Dichtig-keit
Flexibilitt, Dmpfung
Trans-parenz
Hybrid-fgen
Unauf-flligkeit, Design
Kleben
Metallschweien
Punktschweien
Strken- und Schwchenanalyse 2gut
mssig
schlecht
Wolfgang Fleischmann / KIT 11Juni 2010
Punktschweien
Kunststoffschweien
Lten von Metall
Lten von Glas
Schrauben
Nieten
Stanznieten
Durchsetzfgen
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Fixieren Prozess-dauer
Lebens-dauer-vorhers.
Wieder-lsbar-keit
Repa-rierbar-keit-
Qualitts-prfung
Kleben
Metallschweien
Punktschweien
Strken- und Schwchenanalyse 3gut
mssig
schlecht
Wolfgang Fleischmann / KIT 12Juni 2010
Punktschweien
Kunststoffschweien
Lten von Metall
Lten von Glas
Schrauben
Nieten
Stanznieten
Durchsetzfgen
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Definition Kleben: Verbinden von Fgeteilen mittels eines Klebstoffes
Definition Klebstoff (DIN EN 923): Ein Klebstoff ist ein nicht-
Definition: Kleben und Klebstoff
Wolfgang Fleischmann / KIT 13Juni 2010
Definition Klebstoff (DIN EN 923): Ein Klebstoff ist ein nicht-metallischer Werkstoff, der Fgeteile durch Adhsion (Oberflchenhaftung) und Kohsion (innere Festigkeit) miteinander verbindet.
Fgeteil
FgeteilKlebstoff
Adhsion
AdhsionKohsion
Kohsion
Kohsion
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Eigenschaften Klebverbindung Abbindezeit in weiten Grenzen einstellbar
Sekundenbruchteile bis Tage Festigkeit und Elastizitt der Klebschicht in weiten Grenzen whlbar
Zugscherfestigkeiten < 1 MPa bis > 40 MPa Reidehnungen 1 % bis 800 %
Kriechneigung bei statischen Dauerlasten
Wolfgang Fleischmann / KIT 14Juni 2010
Kriechneigung bei statischen Dauerlasten Begrenzte thermische Belastbarkeit
stark klebstoffabhngig Gesamtbereich -150C +250C
Medienbestndigkeit Ausgezeichnete Resistenz gegen die meisten Medien generell ungeeignet fr stark oxidierende Substanzen wie z.B. Brom,
Chlor, konzentrierte Laugen und Suren, Sauerstoff Alterungsabhngige Eigenschaften Verbindung nur bedingt lsbar Festigkeitsauslegung und Prozesskontrolle ist aufwndig
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Unendliche viele Mglichkeiten:
Kombination von verschiedenen Werkstoffen
Vorteile der Klebtechnik
Wolfgang Fleischmann / KIT 15Juni 2010
Werkstoffen
Spielraum fr: Design MaterialauswahlHerstellungstechnik
Bild: Fraunhofer IFAM
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Vorteile der Klebtechnik
keine Materialverletzung (Lcher) gleichmige Spannungsverteilung sehr gute Dauerschwingfestigkeit Fgeteileigenschaften knnen optimal ausgenutzt werden
Wolfgang Fleischmann / KIT 16Juni 2010
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Vorteile der Klebtechnik
Erhalt der Werkstoffeigenschaften:
Wolfgang Fleischmann / KIT 17Juni 2010
keine Wrmeeinflusszone
keine Bohrungen
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Vorteile der Klebtechnik
Anpassungsfhigkeit und Toleranzausgleich
Spaltberbrckung
Einsparung von zeitaufwndigen Richtarbeiten
Wolfgang Fleischmann / KIT 18Juni 2010
Einsparung von zeitaufwndigen Richtarbeiten
Auffllung von Rautiefen
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Vorteile der Klebtechnik
Verbinden kleinster Teile
Wolfgang Fleischmann / KIT 19Juni 2010
Herstellung groflchiger Verbindungen
Bild:Cellbond
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Kleben
Wandeln VergrernVerkleinern
VerknpfenVerzweigen
LeitenSperren
Speichern
Funktionsintegration
Wolfgang Fleischmann / KIT 20Juni 2010
Schwingungs-dmpfung
EM-Strahlungin Licht
Verkleinern
Masse
Oberflche
Steifigkeit
Reibwert
Verzweigen
Stoffschluherstellen
permanentod. temporr
SichernEinschlieen
Sperren
Elektrisch,thermischleiten oderisolieren
Dichtenmech.Krfteleiten
Verformungs-energie
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Anwendungsfelder
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Anwendungsklassen Kleben
Wolfgang Fleischmann / KIT 22Juni 2010
Kleben- strukturell
- semi-strukturell- elastisch
Gewinde- sichern- dichten
Flchen- dichten
Welle-Nabe- kleben
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Strukturelles Kleben
Charakteristikahochbelastetdauerhaft
Wolfgang Fleischmann / KIT 23Juni 2010
dauerhaftsicherheitsrelevant ingenieurtechnische Auslegung
Anforderungenspezifikationsgetriebenqualittsberwacht
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Schraubensichern
Arten der Schraubensicherung Setzsicherungen > Tellerfedern, Zahn- und
Fcherscheiben
Wolfgang Fleischmann / KIT 24Juni 2010
Fcherscheiben Verliersicherungen > Kronenmuttern,
Drahtsicherungen Losdrehsicherungen > Rippflansch-
Schrauben, Klebstoffe
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Schraubensichern
Die flssige Gewindesicherung fllt das Gewindespiel und verhindert nach der Aushrtung Bewegungen in der Verschraubung
Wolfgang Fleischmann / KIT 25Juni 2010
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Mechanische Sicherungen im Vergleich zur flssigen Schraubensicherung
Wolfgang Fleischmann / KIT 26Juni 2010
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Die richtige Benetzung
Kernlochgewinde:Benetzung der Bohrung
Durchgangsgewinde:Benetzung der Schraube
Wolfgang Fleischmann / KIT 27Juni 2010
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Schraubensichern - Festigkeitsklassen
Wolfgang Fleischmann / KIT 28Juni 2010
Niedrigfest3 - 9 Nm*
Mittelfest15 - 25 Nm*
Hochfest26 - 50 Nm*
*Losbrechmomente von M10 Stahlschrauben/MutternBestimmung nach DIN 54454
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Merkmale einer flssigen Schraubensicherung
Dauerhaftes Sichern der Schraube Wiederlsbarkeit durch Wahl der
Wolfgang Fleischmann / KIT 29Juni 2010
Wiederlsbarkeit durch Wahl der geeigneten Festigkeitsklasse
Gleichzeitiges Dichten der Verbindung Keine Korrosion im Gewinde
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Flchendichten steifer Flansche
Einsatz anaerober Dichtmittel Dichten durch Metallkontakt und Stoffschlu
Anwendungsbeispiele
Wolfgang Fleischmann / KIT 30Juni 2010
Anwendungsbeispiele Getriebegehuse Kurbelgehuse/Motorblock Wasserpumpe/Motorblock Nockenwellengehuse
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hervorragende Bestndigkeit
erzeugen keinen Spalt
kein Setzen
lsungsmittelfrei
Merkmale anaerober Dichtmittel
Wolfgang Fleischmann / KIT 31Juni 2010
lsungsmittelfrei
100 % Stoffschluss
keine Korrosion an den Dichtflchen
geringe Lagerhaltung
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Flchendichten flexibler Flansche
Einsatz von Silikon-Dichtmittel
Dichten durch flexibles
Wolfgang Fleischmann / KIT 32Juni 2010
Dichten durch flexibles Dichtmittel in definiertem Spalt
Anwendungsbeispiele lwannen smtliche gestanzte Stahlblechteile dnnwandige Metallguteile Kunststoffdeckel
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Geklebte Welle-Nabe Verbindungen
Anaerober Klebstoff
Aushrtung durch Sauerstoffausschlu und Metallkontakt
Wolfgang Fleischmann / KIT 33Juni 2010
Metallkontakt
100% Flchenkontakt bewirkt hohe Scherfestigkeit
ausgeglichene Spannungsverteilung
dichte Fgefugen
Keine Korrosion im Spalt
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Welle-Nabe Verbindungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 34Juni 2010
Schiebesitz Presitz Schrumpfsitz
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Konstruieren mit KlebstoffenKlebstoffen
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Konstruktionsbetrachtungen
Einflussparameter Klebstoffauswahl zu verbindende Werkstoffe Einsatzbedingungen Klebefugengeometrie Belastung
Wolfgang Fleischmann / KIT 36Juni 2010
Belastung Kontrollierte Materialbeanspruchung
Abbau von Spannungsspitzen gleichmige Lastverteilung Minimierung von Schl- und Spaltbelastungen Scher- oder Druckbeanspruchung anstreben Klebeflche bis zum Hchstma vergrern
Montagegerechte Konstruktion Produktauftrag Fgeprozess Klebstoffaushrtung
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Auswahl des Klebespaltes
Wolfgang Fleischmann / KIT 37Juni 2010
Werkstoffabhngig elastisch oder steif Belastungsart - statisch oder dynamisch
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Gnstige Beanspruchung
Wolfgang Fleischmann / KIT 38Juni 2010
Schlecht > < Lsungs-option
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Exzentrische KrfteEinfache berlappung= gut
Doppelte Laschung= sehr gut
Wolfgang Fleischmann / KIT 39Juni 2010
einfache Laschung= gut
30Schftung= sehr gut
Doppelte berlappung= gut
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Schlbeanspruchung
Wolfgang Fleischmann / KIT 40Juni 2010
Schlecht > < Lsungsoption
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Elastische Klebstoffe bei Schlbelastung
Schl- oder Spaltbelastung stellen fr Klebstoffe eine ungnstige Belastung dar
Die Bruchspannung eines starren
Wolfgang Fleischmann / KIT 41Juni 2010
Klebstoffes wird schnell berschritten
Eine dickschichtige elastische Klebung ist nachgiebig und ermglicht eine flchigere Kraftverteilung
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Elastisches Kleben setzt Schichtdicke im Klebespalt voraus
Wolfgang Fleischmann / KIT 42Juni 2010
> 10 mm kein Problem 3 - 5 mm = Optimum
< 1mm = kein elastisches Kleben
Die maximale dynamische Belastung in Scherrichtung darf10 25% der Klebespaltdicke betragen
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KonstruktionFlchendichtungFlchendichtung
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Flchendichten
Flanschbiegung inAbhngigkeit des
Konstruktionsbetrachtungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 44Juni 2010
Abhngigkeit desSchraubenabstandes
Kegelmodell nachRtscher
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Flchendichten
schlecht
Konstruktionsbetrachtungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 45Juni 2010
OptimierteVerschraubung
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Flchendichten -Konstruktionsempfehlungen fr anaerobe Dichtstoffe
Oberflchenrauhigkeit Ra ~ 0,8 - 3 m Planparallelitt 0,1 mm @ 400 mm
Wolfgang Fleischmann / KIT 46Juni 2010
Flanschbreite min. 5 mm Flanschbreite / Schraubenbereich min. 3 mm Flchenpressung min. 2,5 N/mm Fasen an Pastiften und Bohrungen Einsatz bei steifen Verbindungen wie
z.B. Alu-Druckgugehuse
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Flchendichten Optimierung der Dichtflche
Altes Design Neues Design
Wolfgang Fleischmann / KIT 47Juni 2010
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Flchendichten Optimierung der Steifigkeit
Altes Design Neues Design
Wolfgang Fleischmann / KIT 48Juni 2010
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Flchendichten Optimierung der Schraubenpfeifen
Altes Design Neues Design
Wolfgang Fleischmann / KIT 49Juni 2010
45 45a
4545a
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Flanschdesign fr Silikondichtung
Wolfgang Fleischmann / KIT 50Juni 2010
Typische Mae frFasen - Design(bevorzugtes Design)
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Flchendichten Konstruktionsempfehlungen fr Silikon-Dichtstoffe
Oberflchenrauhigkeit Ra ~ 0,5 m gurauh Spaltma min. 0,8 mm
Wolfgang Fleischmann / KIT 51Juni 2010
Flanschbreite min. 6 mm Flanschbreite / Schraubenbereich min. 3 mm Flchenpressung min. 0 N/mm Fasen/Radien Konstruktion mit Sitzflchen um Sofortdichtung
und Bewegungsaufnahme durch Vibration und Temperaturausdehnung gleichermaen abzudecken
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KonstruktionWelle-Nabe VerbindungVerbindung
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Vorteilhafte Gestaltung
schlecht
Wolfgang Fleischmann / KIT 53Juni 2010
gut
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Nabengestaltung
Abbau vonSpannungsspitzendurch weichen bergang
Wolfgang Fleischmann / KIT 54Juni 2010
bei Schiebesitz besser
bei bermasitz besser
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Flanschschrgen bei Welle-Nabe Verbindungen
1
1.39
1
1.5
11
1.5
Relative strength
Relative strength
Wolfgang Fleischmann / KIT 55Juni 2010
Wirkung der Anschrgung hngt vom Verbindungstyp ab
12
0
0.5
12
0.47
0
0.5
after Muschard
d=40 mmClearance ~ 3%0 d
after Berg
d=80 mmInterference ~ 0,2%0 d
Schiebesitz berma-Passung
d
l = d
1 2
PhD Thesis 1983 LBF-Report 189, 1990Relative strength
Relative strength
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Fgefasen von 15bis 30verhindern das Abstreifen des Klebstoffes beim Fgen
Funktion von Fgefasen
Wolfgang Fleischmann / KIT 56Juni 2010
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Die richtige Benetzung bei Kernlochbohrungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 57Juni 2010
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Festigkeit & VerformungVerformung
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Geometrie der Klebung
Festigkeit einer Klebung
Wolfgang Fleischmann / KIT 59Juni 2010
Festigkeit einerKlebung
Klebstoff Fgeteil-oberflche
Beanspruchungthermische Beanspruchung
mechanischeBeanspruchung
Feuchtigkeit, Chemikalien
Strahlung
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Einflussparameter
Fgeteil-werkstoff
Klebstoff
Grenznahe Klebschicht Oberflche
Klebung
Wolfgang Fleischmann / KIT 60Juni 2010
GeometrischeGestaltung
Beanspruchung
werkstoffKlebstoff
Festigkeit
KlebgerechteKonstruktion
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Belastungsarten
Zug-
Schub-
Wolfgang Fleischmann / KIT 61Juni 2010
Druck-
Schl-
Spalt-
Belastung
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Kraftverteilung in einer berlappten Klebestelle
+ breite, kurzeberlappung
Wolfgang Fleischmann / KIT 62Juni 2010
- lange, schmaleberlappung
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Scherbeanspruchung
Kraft wirkt senkrecht auf die Klebflche. Prinzipiell unproblematisch, Aber oft zu kleine Kleb-flche.
Mechanische Beanspruchungen: statisch
Wolfgang Fleischmann / KIT 63Juni 2010
Schlbeanspruchung
ScherbeanspruchungZugbeanspruchung
Linienfrmige Be-anspruchung, d. h. Kraft wirkt entlang der Kleb-flchenbreite. Daraus ergibt sich eine Schl-beanspruchungSchlbeanspruchungen unbedingt sollten vermieden werden!
Kraft wirkt parallel zur Klebflche, daraus ergibt sich eine Scher-beanspruchung. Fr diese Beanspruchung sollten Klebungen ausgelegt werden.
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Stobeanspruchung: entstehen durch Beschleunigung oder Verzgerung von Massen; meist keine regelmige WiederholungUnterscheidung: vertikaler und horizontaler StoKann je nach Intensitt (Kraft und Geschwindigkeit) sowie Richtung und Klebstoffverbund unterschiedliche Auswirkungen besitzen
Mechanische Beanspruchungen: dynamisch
Wolfgang Fleischmann / KIT 64Juni 2010
sowie Richtung und Klebstoffverbund unterschiedliche Auswirkungen besitzen
Schwingungsbeanspruchung: zyklische Wiederholung einer bestimmten mechanischen Beanspruchung, Schdigungen knnen auch auftreten, wenn bei einmaliger Beanspruchung mit der gleichen Last zu keiner Materialverletzung kommt (Materialermdung).Kann je nach Intensitt (Auslenkung und Wiederholungen) sowie Richtung und Klebstoffverbund unterschiedliche Auswirkungen besitzen
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Temperatureinfluss:
T C
Wr
meb
est
ndig
keit
Phenol-Formaldehydharz
Umwelteinflsse
Wolfgang Fleischmann / KIT 65Juni 2010
Wr
meb
est
ndig
keit
Duromere
ThermoplasteSchmelzklebstoffeAcrylate
Phenol-FormaldehydharzEpoxidharz
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Feuchtigkeitseinfluss
Umwelteinflsse
Wolfgang Fleischmann / KIT 66Juni 2010
Einfluss auf Kohsion: Wasser diffundiert in den Klebstoff und vermindert so
die Klebstoff-Festigkeit, da sich die Wassermolekle zwischen die Polymerketten legen und so die Kohsionskrfte mindern
Vorgang wird durch Wrme beschleunigt Rcktrocknung teilweise mglich langsamer Prozess
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Einfluss auf Adhsion: durch Feuchtigkeitseintritt in die Klebstoffschicht wird die Haftung
zwischen Fgeteil und Klebstoff drastisch abgebaut durch Zerstrung der Adhsionskrfte
UmwelteinflsseFeuchtigkeitseinfluss
Wolfgang Fleischmann / KIT 67Juni 2010
der Adhsionskrfte chemische Bindungen dabei weniger gefhrdet und damit
feuchtigkeitsstabiler als physikalische Wechselwirkungen Langsamer Prozess
Korrosion: durch Wasseraufnahme kommt es zustzlich zur Korrosion der Fgeteile und damit zum Versagen der Klebung hufig schneller Prozess, vor allem wenn neben Wasser noch
korrosionsfrdernde Stoffe (Suren, Lauge oder Salze) vorhanden sind
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Werden Bauteile oder Fgeteile in der Realitt verformt wird nicht nur eine Deformation entlang einer Achse zu beobachten sein, sondern verschiedene Verformungen entlang verschiedener Achsen sind gleichzeitig wirksam. Die Gesamtverformung ist aber immer aus unterschiedlichen Anteilen von Zug- und Schubbeanspruchungen zusammengesetzt.
Verformung durch mechanische Belastung
Wolfgang Fleischmann / KIT 68Juni 2010
Zug- und Schubbeanspruchungen zusammengesetzt.
Wird z. B. ein Stab lang gezogen, so wird neben der Verlngerung auch eine Verschlankung bis hin zu einer Einschnrung zu beobachten sein.
Dies wird als Querkontraktion bezeichnet.
In den nachfolgenden Folien (Hooke`sches Gesetz fr Zug- und Schubbeanspruchung)
wird zur Vereinfachung eine lediglich eindimensionale Kraft angenommen, so dass die Querkontraktion an dieser Stelle nicht zu betrachten ist.
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Ausgangslnge: lo
unbelastet
Beobachtung: Stab unter Zugbelastung
belastet
Verformung durch mechanische Belastung (Zugstab)
Wolfgang Fleischmann / KIT 69Juni 2010
Beanspruchung durch Kraft : F A
Querschnittsflche: Alo
F
Entlastung:
Vollstndige Rckverformung
lLngennderung l
-
lNormalspannung:F=
Beobachtung: Stab unter Zugbelastung
Verformung durch mechanische Belastung (Zugstab)
Wolfgang Fleischmann / KIT 70Juni 2010
Alo
F
l
Dehnung:0l
l=
Normalspannung:A
F=
Proportionalittsfaktor: E (Elastizittsmodul)
ist proportional zu .
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Beschreibung ideal-elastisches Verhalten: Hookesches Gesetz
Beobachtung: Stab unter Zugbelastung
Verformung durch mechanische Belastung (Zugstab)
Wolfgang Fleischmann / KIT 71Juni 2010
= EGltigkeitsbereich: kleine Verformungen
isotroper Werkstoff
Einheiten: [ ] [ ] [ ] 1===== ; ; MPamm
NEMPa
mm
N
-
Elastizittsmodul E = /
Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines ideal-elastischen Stoffes
gemessene KraftAnfangsflche
Verformung durch mechanische Belastung (Zugstab)
Wolfgang Fleischmann / KIT 72Juni 2010
Dehnung = l/l
Elastizittsmodul E = /
1111
1111
2222 2222
E1 > E2
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Elastizittsmoduli von Werkstoffen
72 000 MPaAluminiumlegierungen
215 000 MPaBaustahl
E-ModulWerkstoff
Wolfgang Fleischmann / KIT 73Juni 2010
200 1600 MPastrahlenhrtbarer Klebstoff
0,3 7 MPaSilicon
150 400 MPaPolyurethan
500 700 MPaCyanacrylat
22000 35000 MPaEpoxid - glasfaserverstrkt
1500 6700 MPaEpoxid
Magnesiumlegierungen 44 000 MPa
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Elastizitt
Definition:
Mechanisches Verhalten von Polymeren: Verformung
Wolfgang Fleischmann / KIT 74Juni 2010
Definition:Eigenschaft eines Krpers oder Stoffes, nach einer Verformung wieder in den ursprnglichen Zustand zurckzukehren.
Elastische Verformung im - Diagramm:Bei Erhhung der Beanspruchung wchst die Verformung parallel zu dieser an.
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Beispiel: Stab unter Zugbelastung
Dehnung in Lngsrichtung unter Beibehaltung der Restgeometrie wrde Volumenvergrerung bedeuten.
Verjngung des Stabes um d (= Querkontraktion)
Hookesches Gesetz (Zugstab) -Querkontraktion
Wolfgang Fleischmann / KIT 75Juni 2010
Verjngung des Stabes um d (= Querkontraktion)
d do
d = do-d
l
lo
l = l - lo
ll
dd =
n = Querkontraktionszahl
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Lnge: lHhe: b
Beobachtung: Quader unter Scherbelastung
Verformung durch mechanische Belastung (Scherung)
Wolfgang Fleischmann / KIT 76Juni 2010
Hhe: b
Beanspruchung durch Kraft: F
Querschnittsflche: A
A
l
b
F
Winkelnderung
a
-
aF
Beobachtung: Quader unter Scherbelastung
Verformung durch mechanische Belastung (Scherung)
Wolfgang Fleischmann / KIT 77Juni 2010
l
b
A
Fa
gGleitung:
b
atan =
Schubspannung:A
F=
Proportionalittsfaktor: G (Schubmodul)
ist propotional zu tan .
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Fr kleine Winkel
Verformung durch mechanische Belastung (Scherung)
Wolfgang Fleischmann / KIT 78Juni 2010
Fr kleine Winkel gilt nherungsweise: tan =
-
Beschreibung ideal-elastisches Verhalten: Hookesches Gesetz
Beobachtung: Quader unter Scherbelastung
Verformung durch mechanische Belastung (Scherung)
Wolfgang Fleischmann / KIT 79Juni 2010
tanG =
Gltigkeit: kleine Verformungisotroper Werkstoff
Einheiten: [ ] [ ] [ ] 1===== ; ; MPamm
NGMPa
mm
N
Fr kleine gilt: tan =
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Unterscheidung: strukturelles Kleben elastisches Kleben
Im alltglichen Sprachgebrauch: Unterscheidung zwischen strukturellem und elastischen Kleben, die auch Vorstellungen hinsichtlich der Klebstoffschichtdicke hervorrufen.
Strukturelles Kleben elastisches Kleben
Wolfgang Fleischmann / KIT 80Juni 2010
hinsichtlich der Klebstoffschichtdicke hervorrufen. In diesem Zusammenhang: Strukturelles Kleben: hochfest, dnner Klebstofffilm
Elastisches Kleben: mittelfest, dicke Klebschicht
Aber: auch eine elastische Klebung kann je nach Einsatz strukturell sein!
Unterscheidung: dicke oder dnne Klebstoffschicht hngt von der Anwendung und vom Klebstoff ab; eine klare Differenzierung, beispielsweise ber einen mm-Wert ist nicht mglich, Flieender bergang der von Modul und Kraft abhngig ist
Wichtig zu wissen: Bei unterschiedlicher Klebstoffschichtdicke sind mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Bruchdehnung eines Klebstoffes verschieden.
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Kraft F Winkelnderung Fa
Eigenschaften dicker Klebstofffilme:
Strukturelles Kleben elastisches Kleben
Wolfgang Fleischmann / KIT 81Juni 2010
l
b
A
Beachten: Jeder Klebstoff hat eine maximal zulssige Verformung.
Je hher die Klebstoffschichtdicke b, desto kleiner ist die Verformung des Klebstoffes.
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F1
F2
F1 = F2
Strukturelles Kleben elastisches Kleben
Wolfgang Fleischmann / KIT 82Juni 2010
F2
Beobachtung: Bei gleicher Kraft verformt sich der dnne Klebstofffilm eines Klebstoffes weniger als der dickere Klebstofffilm des gleichen Klebstoffes.dnner Klebstofffilm: geringer Verformung mit hheren Spannungsspitzen, in der Prfung: geringere Bruchdehnung bei hherer Festigkeit
dicker Klebstofffilm: hhere Verformung mit geringere Spannungsspitzen, in der Prfung: hhere Bruchdehnung bei geringerer Festigkeit
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strukturelles Kleben (hohe Festigkeit) elastisches Kleben
hohe Festigkeit (ab ca. 10 MPa) mittlere Festigkeit (1 bis 10 MPa)
geringe Bruchdehnung (0 70 %) hohe Bruchdehnung (70 400 %)
Strukturelles Kleben elastisches Kleben
Wolfgang Fleischmann / KIT 83Juni 2010
geringe Schichtdicken hohe Schichtdicken
kein Ausgleich von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen
Ausgleich von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen
kein Toleranzausgleich guter Toleranzausgleich
wenig Schwingungsdmpfung gute Schwingungsdmpfung
Klebstoffe weisen hohe Bestndigkeiten auf
Bestndigkeiten der verwendeten Klebstoffe sind unterschiedlich
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T0
lo lo
T1 (T1 >T0)
Querschnittsflche: A
Ausgangslnge: lo
Temperatur To:
Verformung durch Temperaturnderung
Wolfgang Fleischmann / KIT 84Juni 2010
Lngennderung lRelative Lngennderung = l / lo
lErwrmung auf Temperatur T1:
Einheiten: [ ] [ ] 1 ; 1 == K
)T(T 01 -=
: (Wrmeausdehnungskoeffizient)
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Schubspannungs-Gleitungs-Diagramm fr einen ideal-elastischen Stoff
gemessene KraftAnfangsflche
Verformung durch mechanische Belastung (Scherung)
Wolfgang Fleischmann / KIT 85Juni 2010
(fr kleine gilt: tan = )
Schubmodul G = /1111
1
Gleitung = a/b
2222 2222
G1 > G2
-
Fliegrenze
Schubspannungs-Gleitungs-Diagramm fr einen ideal-plastischen Stoff:
Verformungsverhalten: mechanische Belastung
Wolfgang Fleischmann / KIT 86Juni 2010
Sch
ubsp
annu
ng
Gleitung
-
max
Sch
ubsp
annu
ng
Schubspannungs-Gleitungs-Diagramm eines realen Klebstoffes
Verformungsverhalten: mechanische Belastung
Wolfgang Fleischmann / KIT 87Juni 2010
Gleitung 1%
1%
max
Sch
ubsp
annu
ng
-
Rckfederungsversuch an einem Kunststoffstab:
Verformungsverhalten: Zeiteinfluss
Wolfgang Fleischmann / KIT 88Juni 2010
to t1 t Time
-
Spannung
Verformungsverhalten: Zeiteinfluss
Wolfgang Fleischmann / KIT 89Juni 2010
to t1
to t1
Dehnung
Time
-
sofort wirksam bei Beanspruchung sofort und vollstndig reversibel bei Wegfall der Beanspruchung
Elastische Verformung
Plastische Verformung
Verformungsverhalten: Zeiteinfluss
Wolfgang Fleischmann / KIT 90Juni 2010
Visco-elastische (bzw. relaxierende) Verformung
zeitabhngig wirksam bei Beanspruchung irreversibel bei Wegfall der Beanspruchung tritt erst nach berschreiten einer Mindestspannung auf (Fliegrenze)
zeitabhngig wirksam bei Beanspruchung zeitabhngig aber vollstndig reversibel bei Wegfall der
Beanspruchung
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Das besondere Verhalten der Kunststoffe wird dadurch bestimmt, dass die Makromolekle auf die Beanspruchung nicht nur spontan reagieren. Vielmehr sind die einzelnen Polymerketten bestrebt, die von auen erzwungenen Spannungen durch Umlagerungen bis zu einem bestimmten Grad abzubauen. Das dauert aber seine Zeit. Die Geschwindigkeit, mit der die
Verformungsverhalten: Zeiteinfluss
Wolfgang Fleischmann / KIT 91Juni 2010
Das dauert aber seine Zeit. Die Geschwindigkeit, mit der die Umlagerungsprozesse ablaufen, hngt von vielen Faktoren ab:
z.B.
Hhe der Beanspruchung Beanspruchungsgeschwindigkeit Struktur der Polymere (Vernetzungsgrad, Seitengruppen, Kristallinitt u.a.) Additive, Weichmacher, Fllstoffe im Kunststoff Temperatur
-
Feuchtediffusion stellt den strksten Schdigungsmechanismus bei der Alterung von Klebverbindungen dar
Wassermolekle sind starke Dipole und besitzen aufgrund der sehr
Verformungsverhalten: Feuchtigkeitseinfluss auf die Klebung
Wolfgang Fleischmann / KIT 92Juni 2010
Wassermolekle sind starke Dipole und besitzen aufgrund der sehr geringe Gre eine hohe Beweglichkeit
Herabsetzen der Kohsion durch Weichmachereffekt
Schdigung der Adhsion durch Konkurrenzadsorption gegenber den polaren Gruppierungen der Klebschichtmolekle
Bei metallischen Fgeteilen Korrosionsgefahr
-
langsame und kontinuierliche nderung der Eigenschaften
Erweichung
Verringerung der Steifigkeit (G-, E-Modul)
Verformungsverhalten: Feuchtigkeitseinfluss auf Polymere
Wolfgang Fleischmann / KIT 93Juni 2010
Verringerung der Zugfestigkeit
Zunahme der Verformungsfhigkeit (Bruch, Bruch)
Erhhung des Schlwiderstandes (pSchl)
Verringerung der Glasbergangstemperatur (Tg)
im wesentlichen reversibel
-
Zugbeanspruchung:F
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 94Juni 2010
d
ab
F
zSpannungsverteilung:
-
Biegebeanspruchung:
d
Mb
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 95Juni 2010
d
ab
b
b
+
-
Spannungsverteilung:
-
Schlbeanspruchung:F
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 96Juni 2010
max
x
Spannungsverteilung
-
Spaltbeanspruchung:F
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 97Juni 2010
F
maxSpannungsverteilung:
-
Torsionsbeanspruchung:M
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 98Juni 2010
maxSpannungsverteilung:
-
Hinweis:Bei der folgenden Darstellung der Spannungsverteilung innerhalb einer
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 99Juni 2010
Bei der folgenden Darstellung der Spannungsverteilung innerhalb einer Zugscherprobe wurde zur Vereinfachung eine lediglich eindimensionale Spannung angenommen. Aus diesem Grund wird eine in der Realitt auftretende Querkontraktion in den Darstellungen nicht bercksichtigt.
In der Realitt sind die auftretenden Spannungen jedoch mehrdimensional, so dass die in der Realitt auftretende Spannungsverteilung von den dargestellten Diagrammen abweicht.
-
Scherbeanspruchung:
FF
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 100Juni 2010
F
Spannungsverteilung: ??
???
?
??
?
-
Scherbeanspruchung (starre Fgeteile):
Beobachtungen: Bei absolut starren Fgeteilen (keine Verformung der Fgeteile): Schubverformung der Klebschicht mit gleichmiger Verteilung der Schubspannung
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 101Juni 2010
FF
max -
Schubspannung
-
Scherbeanspruchung (starre Fgeteile):
Beobachtungen: steigt mit Zunahme der Belastung F
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 102Juni 2010
FF
max -
-
Scherbeanspruchung (starre Fgeteile):
Beobachtungen:Es kommt zum Bruch, wenn die von der Klebung maximal tolerierbare Schubspannung max erreicht bzw. berschritten wird.
Beispiel: max wird bestimmt durch die Kohsion des Klebstoffs Kohsionsbruch bei = max
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 103Juni 2010
FF
max -
Beispiel: max wird bestimmt durch die Kohsion des Klebstoffs Kohsionsbruch bei = max
-
Scherbeanspruchung (allgemein):
max ist als systemspezifischer Kennwert abhngig von den Kennwerten des Klebstoffs und der Adhsionskraft.
Die Kraft, die zum Bruch der Klebung erforderlich ist, wird als Bruchkraft FBruch bezeichnet
Als Verbundfestigkeit gilt die klebflchenbezogene Bruchkraft (F / A)
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 104Juni 2010
Verbund= maxA = lb
b
l
Als Verbundfestigkeit Verbund gilt die klebflchenbezogene Bruchkraft (FBruch / A)
Verbund = FBruch / A
-
Scherbeanspruchung (allgemein):
= F / A F = A
Das heit: Das Volumen entspricht der Kraft F.
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 105Juni 2010
F = A = lbb
l
F
-
Scherbeanspruchung (reale Fgeteile):
Beobachtungen:
Bei realen Fgeteilen: ungleichmige Verformung der Fgeteile bei Belastung.Diese Verformung muss der Klebstoff zustzlich ausgleichen:
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 106Juni 2010
unbelastet:
belastet:F
F
Diese Verformung muss der Klebstoff zustzlich ausgleichen:
-
Scherbeanspruchung (reale Fgeteile):
F
Folge:ungleichmige Schubverformung des Klebstoffes aufgrund des gegenlufigen, ungleichmigen Verformungsverhaltens der Fgeteile:
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 107Juni 2010
FF
ungleichmige Spannungsverteilung
b
l
max -
-
Scherbeanspruchung (reale Fgeteile):
F
Mit Zunahme der Belastung F nimmt auch die Fgeteilverformung zu. Die
Spannungsunterschiede in der Klebschicht werden ausgeprgter. Bei Erreichen von max kommt es zum Bruch
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 108Juni 2010
b
l
max -
FF
-
= F / A F = A
Das heit: Das Volumen entspricht der Kraft F
Scherbeanspruchung (allgemein):
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 109Juni 2010
b
l
F
F
-
Scherbeanspruchung (Vergleich: starre/reale Fgeteile):
Zum Bruch kommt es, wenn die Schubspannung an irgendeiner Stelle in der Klebschicht
max erreicht:
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 110Juni 2010
FFBruch, starr
max -max -
FBruch, real
Spannungsverteilung zum Zeitpunkt des Bruches
starre Fgeteile: reale Fgeteile:
-
Scherbeanspruchung (Vergleich: starre/reale Fgeteile):
Offensichtlich wird max durch die Verformung der Fgeteile schon bei geringeren Krften erreicht. Verbundfestigkeit Verbund, real = FBruch, real / A < Verbund, starr
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 111Juni 2010
FFBruch, starr
max -
FBruch, reall
Spannugsverteilung zum Zeitpunkt des Bruches
Verbund= max -
Verbund -
starre Fgeteile: reale Fgeteile:
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der Fgeteilwerkstoffes):
Bei gleicher Belastung F und gleiche Fgeteilgeometrie dehnt sich ein Fgeteil aus einem niedrigermoduligen Werkstoff strker als ein Fgeteil aus einem hhermoduligen Werkstoff:
niedrigmodulig (z.B. Aluminium): hochmodulig (z.B. Stahl)
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 112Juni 2010
F
max -
F
F
max -
F
Spannungsunterschiede nehmen beim Einsatz hhermoduliger Werkstoffe ab.
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der Fgeteilwerkstoffes):
Bei steigender Belastung wird in der Klebung niedrigmoduliger Fgeteile frher max erreicht als in der Klebung hochmoduliger Fgeteile.
Niedrigmodulig (z.B. Aluminium): hochmodulig (z.B. Stahl)
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 113Juni 2010
F
max -
F
F
max -
F
Verbundfestigkeit joint ist niedriger bei Verwendung niedermoduliger Fgeteile.
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der Fgeteilgeometrie):
Bei gleicher Belastung F und gleichem Fgeteilwerkstoff dehnt sich ein Fgeteil mit kleinem Querschnitt strker als ein Fgeteil mit groem Querschnitt:
dnnes Fgeteil (z.B. Al 1,5mm): dickes Fgeteil (z.B. Al 3mm)
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 114Juni 2010
F
max -
F
F
max -
F
Spannugsunterschiede nehmen beim Einsatz von Fgeteilen mit hherem Querschnitt ab.
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der Fgeteilgeometrie):
Bei steigender Belastung wird in der Klebung von Fgeteile mit kleinem Querschnitt frher
ax erreicht als in der Klebung von dicken Fgeteilen:dnnes Fgeteil (z.B. Al 1,5mm): dickes Fgeteil (z.B. Al 3mm)
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 115Juni 2010
F
max -
F
F
max -
F
Verbundfestigekit Verbund ist bei Klebungen dnner Fgeteile geringer.
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der berlappungslnge):
Beobachtung:
Bei steigender berlappungslnge erhht sich wie erwartet auch die Bruchlast FBruch ,
allerdings unterproportional zur Vergrerung der Klebflche Verbund sinkt
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 116Juni 2010
max -
Spannungsverteilung bei verschiedenen berlappungslngen zum Zeitpunkt des Bruches
Verbund, l -Verbund, 2l -Verbund, 3l -
l 2 l 3 l
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der berlappungsbreite):
Beobachtung:
Bei steigender berlappungsbreite erhht sich die Bruchlast FBruch proportional zur
Vergrerung der Klebflche Verbund bleibt konstant
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 117Juni 2010
max -
l
b2 b
Verbund, b = Verbund, 2b -
Spannungsverteilung bei verschiedenen berlappungsbreiten zum Zeitpunkt des Bruches
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der Klebstoffschichtdicke):
Beobachtung:
Verbund ist im Zugscherversuch bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen von der Dicke der Klebschicht abhngig (i.d.R.: hchste Festigkeiten bei ca. 0,1-0,2 mm):
Beanspruchung von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 118Juni 2010
d [mm]
Ver
bund
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1.0
d
-
Scherbeanspruchung (Einfluss der Klebstoffschichtdicke):
t Ver
bund
zunehmende Klebschichtdicke: Zunahme von Inhomogenitten mit Kerbwirkung (Luftblasen, Bereiche schlechter Durchmischung, Verunreinigungen, )Zunahme des Drehmomentes durch exzentrische Krafteinleitung Schlwirkung:
Beanspruchungen von Klebungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 119Juni 2010
d [mm]F F
d [mm]
t Ver
bund
Krafteinleitung Schlwirkung:
abnehmende Klebschichtdicke: Zunahme von Kerbwirkung durch Oberflchen-
rauigkeiten
-
Berechnung vonKlebverbindungenKlebverbindungen
-
Auslegung und Berechnung von Klebverbindungen
Grundstzliche Ziele Technisch und wirtschaftlich optimierte Konstruktion Quantitative Verifikation von Belastbarkeit und Dauerhaftigkeit Minimierung des Aufwands physischer Tests
Wolfgang Fleischmann / KIT 121Juni 2010
Grundstzliche Berechnungsmethoden Analytische Anstze Einfache oder Differential Gleichungen Numerische Anstze - Finite Elemente Analyse
Grundprinzip wirkende Kraft/Klebeflche = Ist-Spannung Ist-Spannung mu kleiner zulssige Spannung sein Randbedingungen werden durch Abminderungsfaktoren oder
spezifische Materialmodelle bercksichtigt
-
Geometrische Klassen
Flache Klebfugen
Dnne(steife)
Klebschicht
Dicke
Nichtlinear Spannungsspitzen
Elastische Verformung Abbau von Spannungs-
Wolfgang Fleischmann / KIT 122Juni 2010
Runde Klebfugen
Dicke(weiche)
Klebschicht
Abbau von Spannungs-spitzen
Dnne(steife)
Klebschicht
Nichtlinear Spannungsspitzen Zustzlich Tangential-spannungen
-
Abminderungsfaktoren
Anpassungen der Festigkeiten an spezifische Randbedingungen mit Abminderungsfaktoren
Bei mehreren Faktoren kommt das Multiplikationsverfahren
Wolfgang Fleischmann / KIT 123Juni 2010
Bei mehreren Faktoren kommt das Multiplikationsverfahren zum Einsatz
fgesamt = *fn = f1*f2*f3.....
max = fgesamt* bmax = fgesamt* b
-
Idealisierte Rechenanstze
z < b Betriebszugspannung < Zugspannung bei Bruch
Fist/A < Fmax/A mit Fmax = Fbruchb bei Klebstoffen Rm bei Metallen
Wolfgang Fleischmann / KIT 124Juni 2010
b bei Klebstoffen Rm bei Metallenunter Vernachlssigung der Querkontraktion
< b Betriebsschubspannung < Schubspannung bei Bruch
Fist/A < Fmax/A mit Fmax = Fbruch
-
Analytische Rechenanstze Modelle von Volkersen, Goland & Reissner, Hart-Smith
Sandwichmodell von Bigwood - Crocombe
04 454
4
=+ yy K
d
( ) ( ) ( ) ( )xKxKAxKxKA sinhcoscoshcos +=
Wolfgang Fleischmann / KIT 125Juni 2010
04 54 =+ yKdx ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )xKxKAxKxKAxKxKAxKxKAy
554553
552551
sinhsincoshsin
sinhcoscoshcos
++
+=
0263
3
=dx
dK
dx
d xyxy ( ) ( ) 36261 sinhcosh BxKBxKBxy ++=
Zugspannung SchubspannungA, B, K experimentelle Konstanten
-
Bigwood-Crocombe in der Praxis
Wolfgang Fleischmann / KIT 126Juni 2010
-
Finite Elemente Analyse Aufteilung einer Struktur in Teilregionen = Grundelemente Verbindung der Grundelemente durch Knoten Verformungsantwort der Grundelement auf Krafteinwirkung wird durch
Materialmodelle beschrieben Berechnung der Deformation der Struktur durch gekoppelte
Differentialgleichungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 127Juni 2010
Differentialgleichungen Materialkennwerte fr die Materialmodelle werden aus Zug- und
Scherversuchen ergnzt durch bruchmechanische Untersuchungen unter Bercksichtigung der betrieblichen Einfle
Klebstoffspezifische Materialmodelle und Kontaktelemente sind in einigen Berechnungsprogrammen implementiert
Bestimmung der Belastungsverteilung und Erkennung von Problemzonen Abgleich durch Besttigungsversuch empfehlenswert Verlliche Modellierung erfordert viel Erfahrung
-
FEA BeispielVerstrkungsholm
Wolfgang Fleischmann / KIT 128Juni 2010
Seitencrash an Fahrzeugbodengruppe mit 50 km/hVerformung und Energieabsorption eines geklebten Verstrkungsholms
Simulation Originaltest
-
Berechnung Welle-Nabe Nennspannungskonzept: Lastbertragung durch gleichmig
verteilte Schubspannungen (Nennspannungen) Bestimmung von D aus Druckscherversuch ISO 10123
( ) f...ffpff +=
Wolfgang Fleischmann / KIT 129Juni 2010
bertragbare Axialkraft
zul,vnFFzul,ax lDF =
bertragbares Drehmomentzul,vn
FFzul,t
lDM =
2
2
Zulssige Nennschubspannung( ) npDzul,vn f...ffpff += 210
-
ScherfestigkeitsvergleichS
cher
fest
igke
it [
N/m
m]
50
40
30
(geklebterSchiebe
(geklebter Schrumpfsitz)
nichtgeklebter Schrumpfsitz(geklebterPresitz)
IT7
Wolfgang Fleischmann / KIT 130Juni 2010
Sch
erfe
stig
keit
[N
/mm
]
30
20
10
0
50403020100-50 -40 -30
Spalt [m] berma [m]
Schiebesitz) nichtgeklebter Schrumpfsitzmit Reibungsk. = 0,2
Presitz)
nichtgekl.Presitz = 0,1
IT5
Basis Wellen- 35Passfeder
-
Prfung von KlebverbindungenKlebverbindungen
-
Wahl des Prfverfahrens abhngig von den zu prfenden Eigenschaften:
Welche Eigenschaften sollen geprft werden?
Prfen von Klebverbindungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 132Juni 2010
Festigkeit Langzeitbestndigkeit
Mechanische Prftests: z.B. Zugscherversuch, Rollenschlversuch
Test-Kombination:1) Tests, die Umwelteinflsse simulieren
z.B. Klimaauslagerung, Schwitzwassertest, Klimawechseltest, Kataplasmatest,
2) Mechanische Prfung
-
statisch- Zugscherversuch (DIN EN 1465)- Schubspannungs-
Gleitungs-Versuch (DIN 54451)- Druckscherversuch (DIN 54452)
zyklisch- Prfung der
Schwingfestigkeit
schlagartig
ggf. unter Einbeziehungbesonderer Umweltbdgg.,simuliert durch Klima-auslagerung, z.B.:- Freibewitterung
bersicht zerstrende Prfverfahren
Wolfgang Fleischmann / KIT 133Juni 2010
- Druckscherversuch (DIN 54452)- Torsionsscherfestigkeit (DIN 54455)- Losbrechmoment (DIN EN ISO 10964)- Prfung der Zeitstandfestigkeit
(DIN EN 15338)
- Rollenschlversuch (DIN EN 1464)- T-peel Test (DIN EN ISO 11339)- Winkelschlversuch- Biegeschlversuch (DIN 54461)- Klettertrommelschlversuch
(ASTM D 1781)
schlagartig- Prfung bei
schlagartigerBeanspruchung
- Freibewitterung- Kondenswassertest (DIN EN ISO 6270)
- Salzsprhtest(DIN EN ISO 9227)
-Kataplasma-Test (DIN EN ISO 9142)
- Klimawechseltest (VWP-1200-Test)
- VDA-Wechseltest- Klimabestndigkeits-
versuch (DIN 54456)
- Raupenschltest(DIN 14457)
- Keiltest
-
Methode ermittelbare Gre
Zugversuch Elastizittsmodul E
Methode und ermittelbare Gren
Wolfgang Fleischmann / KIT 134Juni 2010
Schubmodul G
Zugscherversuch ZugscherfestigkeitBruchbild
Rollenschlversuch mittlerer Schlwiderstand
Fmax, FminBruchbild
-
Prinzipiell kann es zum Bruch im Klebstoff kommen (Kohsionsbruch), zum Bruch zwischen Fgeteil und Klebstoff (Adhsionsbruch) und zum Bruch des Fgeteils (Fgeteilbruch).
Bruchbilder
Wolfgang Fleischmann / KIT 135Juni 2010
Adhsionsbruch an einem Fgeteil
Adhsionsbruch an beiden Fgeteilen
KohsionsbruchFgeteilbruch
substratnaher spezieller Kohsionsbruch
Adhsions- und Kohsionsbruch(Mischbruch)
-
Bruchbilder
Wolfgang Fleischmann / KIT 136Juni 2010
Brucharten bei Abschlung einer Dickschichtklebung: links: Kohsionsbruch, rechts: Adhsionsbruch
Brucharten bei Zugscherversuch: links: Kohsionsbruch, mitte: Mischbruch, rechts: Adhsionsbruch
-
F
b Kraft wirkt parallel zur Klebflche( = Scherbeanspruchung)
Probengeometrie:
Zugscherversuch nach DIN EN 1465
Wolfgang Fleischmann / KIT 137Juni 2010
F
l
lberlappung
( = Scherbeanspruchung)
b: Probenbreite (25 mm)l: Fgeteillnge (100 mm)lberlappung: berlappungslnge (berlappungslnge: 12,5 mm)
-
Ermittlung der Zugscherfestigkeit
Verbundfestigkeit =
Zugscherversuch nach DIN EN 1465
Wolfgang Fleischmann / KIT 138Juni 2010
Erhhung der Belastung bis zum Bruch Fmax
Verbundfestigkeit = Zugscherfestigkeit
bl
F
gberlappun
Verbund = max
Einheit: MPa mm
N ====
-
Anmerkung:Zur Vergleichbarkeit verschiedener Zugscherversuche mssen die Parameter der Prfungen bekannt sein und dokumentiert werden.
Zugscherversuch nach DIN EN 1465
Wolfgang Fleischmann / KIT 139Juni 2010
Parameter der Prfungen bekannt sein und dokumentiert werden.
Dazu zhlen in erster Linie: Fgeteilmaterial und -geometrieOberflchenbehandlungKlebstoffKlebstoffschichtdickeAushrtetemperatur und -dauerberlappungslngePrftemperaturPrfgeschwindigkeit
-
Probengeometrie:
T-Schlversuch nach DIN EN ISO 11339
Wolfgang Fleischmann / KIT 140Juni 2010
Krafteinleitung ber einen kleinen Teil der Klebflche und nahezu senkrecht zu ihr ( = Schlbeanspruchung)
F Fflexibel flexibel
-
Ermittlung des Schlwiderstandes:
Kraftverlauf im Auswertebereich
mittlere Schlkraft Fmittel
Verbundfestigkeit = Schlwiderstand
F
Schldiagramm
Sch
lkr
aft F
Auswertebereich
Fmax
T-Schlversuch nach DIN EN ISO 11339
Wolfgang Fleischmann / KIT 141Juni 2010
b
Fp mittel s =
Einheit:
mmN
Ferner sind fr den Auswertebereich der maximale Schlwiderstand und der minimale Schlwiderstand zu ermitteln.( ps,max , ps,min )Schlweg s
Sch
lkr
aft F
Fmin
Fmittel
-
Klebstoffauswahl
-
Klebstoffauswahl - Einfluparameter
zu verbindende Werkstoffe Gre des Klebespaltes und der Klebeflche Belastung der Bauteile
Einsatzbedingungen
Wolfgang Fleischmann / KIT 143Juni 2010
Einsatzbedingungen
Klebstoff
-
Ablauf
Beanspruchungen ermitteln
Anforderungsliste erstellen
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 144Juni 2010
Anforderungsliste erstellen
Klebstoff + Oberflchenbehandlung vorauswhlen
Beanspruchbarkeit des Verbundes ermitteln
Verbund optimieren bis zum Nachweis, dass
Beanspruchung + Sicherheit < Beanspruchbarkeit
-
Mgliche Beanspruchungen
statische mechanische Beanspruchung, Kriechen
1. Beanspruchungen ermitteln
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 145Juni 2010
statische mechanische Beanspruchung, Kriechen
zyklische mechanische Beanspruchung, Schwingung
Schlagbeanspruchung
chemische Beanspruchungen: Feuchtigkeit, Salz, Fett, l, usw.
physikalische Beanspruchung: Temperatur, Strahlung
-
Einbeziehung von:
Konstruktion
ProduktionEndkunde
2. Anforderungsliste erstellen
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 146Juni 2010
AnforderungslisteHersteller der Fgeteile
Kosten
Qualitts-sicherung
Klebstoffhersteller
-
2. Anforderungsliste erstellen
Neben den Angaben zu den Beanspruchungen sollte die Anforderungsliste Informationen enthalten ber:
Fgeteile
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 147Juni 2010
Fgeteile
Fertigungsrandbedingungen
Vorgaben des Arbeitsschutzes / Umweltschutzes
Klebstoff (geforderte/gewnschte Eigenschaften)
Langzeitbestndigkeit
Qualittssicherung
Verfgbarkeit / Kosten
-
2. Anforderungsliste erstellen
Produktionsbedingungen, die die Klebstoffauswahl beeinflussen knnen
TaktzeitUmgebungsbedingungen
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 148Juni 2010
UmgebungsbedingungenProzessparameter: Zeit, Temperatur, Druck, usw.OberflchenbehandlungAuftrag (sphen oder Raupe / manuell oder automatisiert)Fixierung, HybridfgenProzessintegrationAushrtungWeitere ProzessschritteToleranzenrheologische Eigenschaften (Flieeigenschaften)
-
Fgeteileigenschaften, die die Klebstoffauswahl beeinflussen knnen
Fgeteilwerkstoff
2. Anforderungsliste erstellen
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 149Juni 2010
FgeteilwerkstoffWrmebestndigkeit, WrmeausdehungskoeffizeintMechanische Eigenschaften, z.B. Festigkeit, ModuleFgeteilgeometrieBestndigkeit gegenber chemischen BeanspruchungenDurchlssigkeit (Strahlung, Lsungsmittel)Geometrie der KlebflcheOberflcheneigenschaften (Verunreinigungen, Reaktionsschichten, Oberflchenspannung, Rauheit, usw.)
-
2. Anforderungsliste erstellen
Klebstoffeigenschaften, die die Auswahl beeinflussen knnen1-K / 2-Kzustzliche Funktionen (dichten, dmpfen, el. leitend, usw.)Geringer Schrumpf
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 150Juni 2010
Geringer SchrumpfAusgasungsverhaltenlsungsmittelfreiBesonderheiten ( z. B. Lebensmittelkontakt, Feuerschutz)SilikonfreiheitStandfestigkeitberlackierbarkeitAnfangsfestigkeitFarbe / GeruchReparaturfhigkeit
-
2. Anforderungsliste erstellen
Abwgungen hinsichtlich Arbeits- und Umweltschutz
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 151Juni 2010
Gefhrdungspotential der Klebstoffe und HilfsstoffeSchutzmanahmenmgliche Ersatzstoffe mit geringem Gefhrdungspotentialgesetzliche BestimmungenAbfallvermeidung und -entsorgung
-
2. Anforderungsliste erstellen
Weitere Informationen, die die Klebstoffauswahl beeinflussen knnenMaterialeingangskontrolle
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 152Juni 2010
MaterialeingangskontrolleLagerbedingungenIn-line-Kontrollezerstrungsfreie Prfung QualittssicherungIn-service-Kontrolle
gewnschte Lebensdauer LangzeitbestndigkeitTestverfahren
}}
-
3. Klebstoff + Oberflchenbehandlung vorauswhlen
Anhand der erstellten Anforderungsliste kann die Vorauswahl von
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 153Juni 2010
Anhand der erstellten Anforderungsliste kann die Vorauswahl vonKlebstoffen und Oberflchenbehandlungen erfolgen:
vom Anwender selbst
vom Klebstoff-Hersteller (eingeschrnkte Produktpalette)
von neutralen Dienstleistern (z.B. IFAM: umfangreiche Klebstoff-datenbank, herstellerunabhngig)
-
4. Beanspruchbarkeit des Verbundes ermitteln
Welche Belastungen hlt der Klebverbund bei allen relevantenGebrauchsbedingungen aus?
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 154Juni 2010
Festigkeit und Verformungsfhigkeit (Bruchdehnung) eines Klebverbundes sind die wichtigsten Gren zur Beschreibung der Beanspruchbarkeit.
Die Beanspruchbarkeit wird mit geeigneten Prfverfahren ermittelt: z.B. zunchst im Zugscherversuch mit Substraten (Werkstoffen und Oberflchenzustnden), die der Anwendung entsprechen; spter dann an den Original-Bauteilen
Einsatzbedingungen sollen mit einbezogen und durch geeignete, beschleunigte Alterungsverfahren bei der Prfung bercksichtigt werden.
-
5. Verbund optimieren bis: Beanspruchung < Beanspruchbarkeit
BeanspruchbarkeitBeanspruchung Vergleich
Klebstoffauswahl
Wolfgang Fleischmann / KIT 155Juni 2010
< >
Verbund optimieren!
Verbund OK
Fertigungsplanung
-
Anwendungs-beispielebeispiele
-
Anwendung Automobil
Wolfgang Fleischmann / KIT 157Juni 2010
Fahrkomfort Erhhung der Karossensteifigkeit durch KlebenSicherheit Erhhung der Energieaufnahme durch Kleben
Crashresistente, zh-modifizierte 1k-EpoxidklebstoffeAushrtung im KTL-Lackierofen
-
Anwendung Automobil
Heck1.54 m
Dach4.62 m
Total24.46 m
Wolfgang Fleischmann / KIT 158Juni 2010
Front
1.96 m
Seiten R/L
16.34 m
TATA Nano DMS
vorgefertigte KarossenteileKleben mit Nietfixierung2k- schlagzhes Epoxy
-
Anwendung Flugzeug
Wabenbauteile
Wolfgang Fleischmann / KIT 159Juni 2010
1-k und 2k-EpoxideEpoxid Filmklebstoffe
Wabenbauteile Versteifungen Leitwerke Triebwerksgondel Rumpfbauteile
-
Anwendung Rotorblatt
Klebnaht
Klebnaht
Klebnaht
Steg-Gurt-Klebung der Tragstruktur
Wolfgang Fleischmann / KIT 160Juni 2010
Steg-Gurt-Klebung der TragstrukturSchalenverklebung der Aussenhaut2k-Epoxy oder 2k-HM Polyurethan
Klebnaht
-
Anwendung Bogensport
Stahlspitze CFK Rohr 2k Epoxy mittlere Viskositt schlagfest
Wolfgang Fleischmann / KIT 161Juni 2010
schlagfest vibrationsbestndig manuelle Verarbeitung
-
Flchendichten E-Motorflansche
Wolfgang Fleischmann / KIT 162Juni 2010
-
Flchendichtungen im Motorenbau
Wolfgang Fleischmann / KIT 163Juni 2010
-
Anwendung Lager und Wellen
Anaerober Klebstoff
Wolfgang Fleischmann / KIT 164Juni 2010
KugellagerKurbelwellenIndustriegetriebePastifteFhrungsbuchsen
-
Anwendung LKW Getriebe
geklebter Presitz
LKW Getriebe fr 500PS/2100Nm
Bessere statische und
Wolfgang Fleischmann / KIT 165Juni 2010
Bessere statische und dynamische Verdrehfestigkeit
Hhere Dauerfestigkeit als die bisherige geschweite Verbindung
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Anwendung Grogetriebe
Wolfgang Fleischmann / KIT 166Juni 2010
Anaerobe Fgeprodukte mit langsamer Aushrtung
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Anwendung Radsatz
Wolfgang Fleischmann / KIT 167Juni 2010
Anaerober Klebstoff: Bremsscheiben, Zahnrder, Radscheiben,
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Literatur
1. G. Habenicht: Kleben, Grundlagen Technologie Anwendungen, Springer Verlag2. R.D. Adams (editor): Adhesive bonding, Science, technology and applications,
Woodhead Publishing Limited3. W. Brockmann, P.L. Gei, J.Klingen, B.Schrder: Klebtechnik, Klebstoffe,
Anwendungen und verfahren, Wiley-VCH
Wolfgang Fleischmann / KIT 168Juni 2010
Anwendungen und verfahren, Wiley-VCH4. G. Habenicht: Kleben erfolgreich und fehlwerfrei, Vieweg + Teubner5. E.W. Petrie: Handbook of Adhesives and Sealants, McGraw-Hill6. Fosta-Forschungsberichte P 229, P 259, P 332, P 340, P 477, P 508, P 513, P 676
bei www.stahl-online.de
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Weiterbildung Kleben
DVS zertifizierte Klebkurse Klebstoffpraktiker (1 Woche) Klebstofffachkraft (3 Wochen) Klebstofffachingenieur (8 Wochen)
Wolfgang Fleischmann / KIT 169Juni 2010
Klebstofffachingenieur (8 Wochen) Durchgefhrt von DVS-zertifizierten Organisationen
Fraunhofer IFAM Bremen TC-Kleben bach-Palenberg
Diverse Klebseminare von Universitten und Institutionen
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Dieses Vorlesungsskript basiert auf Schulungsunterlagenfr die Klebstofffachberater der Henkel AG & Co. KGaA
die in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut IFAM Bremen entwickelt wurden.
Wolfgang Fleischmann / KIT 170Juni 2010
Bremen entwickelt wurden.
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