Kleben Kleben auf Knopfdruck

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung

Franke GmbH

Ruderer Klebetechnik GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Kleben verbindet Bauteile flächig, bringt unterschiedliche Materialien zusammen und ermöglicht leichte Konstruktionen. Jedoch ist der Klebstoffauftrag häufig ein zusätzlicher Prozessschritt – Mikrokapseln sollen dies nun ändern.

Beim Klebstoffauftrag müssen Klebstoffe zunächst dosiert, dann aufgetragen und schließlich ausgehärtet werden. Dabei kann der direkte Umgang mit reaktiven Klebstoffkomponenten zusätzliche Anforderungen an Arbeitsschutz, Prozessführung und Schulung stellen. Je nach Materialsystem, Temperatur, Untergrund und Belastung kann sich zudem die Haftwirkung konventioneller Klebebänder verändern. 
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP haben Forscher im Rahmen des Fraunhofer-Clusters Programmierbare Materialien CPM mikroskopisch kleine Kapseln entwickelt, die Komponenten eines Zweikomponenten-Klebstoffs einschließen. Der Klebstoff ist zunächst sicher in Kapseln eingeschlossen, der Kontakt mit offenen reaktiven Komponenten kann reduziert werden, und die Aktivierung erfolgt erst beim Verpressen bei Raumtemperatur. 

So wird Druck zur Klebkraft

„Man kann sich die Mikrokapseln wie viele winzige Reservoirs für Klebstoff vorstellen“, sagt Dr. Christian Neumann, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP. In jeder Kapsel ist eine der beiden Komponenten eingeschlossen. Solange die Kapseln intakt sind, bleibt das System inaktiv. Wird Druck ausgeübt, zerplatzen die Kapseln. Die Komponenten treffen aufeinander und der Klebstoff vernetzt. So entsteht genau an der Kontaktfläche eine feste Verbindung. „Ein großer Vorteil ist, dass diese Vernetzung bei Raumtemperatur geschieht. Zusätzliche Erwärmung oder weitere Aushärtungsschritte sind also nicht notwendig“, so Neumann. Die technische Herausforderung liegt dabei in der Verkapselung selbst: Zweikomponenten-Klebstoffe sind reaktive Materialien und können mit den Chemikalien reagieren, die während der Herstellung der Kapselhülle eingesetzt werden. Die Forschenden können die Kapselchemie aber äußerst präzise einstellen. Dadurch bleiben die Klebstoffkomponenten aktiv, werden zuverlässig eingeschlossen, können gelagert und verarbeitet werden und sich beim Verpressen gezielt öffnen.

Buchtipp: Klebtechnik

Die Klebtechnik stellt für viele Anwendungsfälle eine zuverlässige und wirtschaftliche Alternative zu anderen Fügeverfahren dar. Zudem bietet sie Potenzial für den Leichtbau. Das Buch "Klebtechnik" gibt Konstrukteuren und Klebstoffanwendern praktische Hilfestellungen für die Konzeption, Konstruktion und Realisierung von Klebungen.

Mehr erfahren bei Vogel Professional Education

„Für industrielle Anwendungen ist entscheidend, dass der Klebstoff zunächst sicher eingeschlossen ist“, so Neumann. „Mitarbeitende kommen dadurch weniger direkt mit reaktiven Komponenten in Kontakt, da die Aktivierung erst im Fügeschritt erfolgt.“Für industrielle Klebprozesse verbindet der Ansatz zwei Vorteile: Erstens reduziert die Verkapselung den offenen Umgang mit Klebstoffen: Die reaktiven Komponenten werden erst während des Fügens in der Klebfuge freigesetzt. Das kann die Handhabung vereinfachen und den Arbeitsschutz in der Verarbeitung unterstützen.Zweitens setzen die Forschenden auf isocyanatfreie Klebstoffsysteme auf Basis von Acrylaten oder Epoxiden. Damit ist das Kapsel- und Trägersystem für Anwendungen interessant, in denen Unternehmen den Einsatz isocyanathaltiger Klebstoffe vermeiden möchten.

Wie wird klebendes Gewebe eingesetzt?

Die Mikrokapseln sollen in einem nächsten Schritt auf flächige Trägermaterialien aufgebracht werden, die sich wie ein Zwischenlagewerkstoff verarbeiten lassen. Geeignet sind etwa textile Träger, Fasergewirke oder andere flächige Materialien. „So wird der Klebstoff zu einem handhabbaren Material: Er lässt sich im Bauteil positionieren und entfaltet seine Wirkung erst durch den Fügeschritt“, erklärt Neumann.Mögliche Einsatzfelder sind Prozesse, in denen Bauteile flächig, kontrolliert und ohne offenen Klebstoffauftrag verklebt oder gefügt werden sollen. In der Automobilindustrie kommen beispielsweise Batterie-Stacks infrage. Weitere Anwendungsfelder sind der Maschinenbau, die Elektronikfertigung oder mikrostrukturierte Bauteile mit feinen Kanälen, bei denen klassische Dosier- und Auftragsverfahren technisch aufwendig, schwer zugänglich oder wirtschaftlich wenig attraktiv sind.Für die Entwicklung dieser Klebstofftextile verbindet das Fraunhofer IAP seine Expertise in der Mikroverkapselung mit anwendungsnahen Prüfungen. Die Festigkeit der daraus entstehenden Verbindungen wird gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU untersucht und bildet die Grundlage, um geeignete Einsatzfelder mit Partnern gezielt zu bewerten.

Gesucht: Partner aus Industrie und Forschung

Jetzt soll der Ansatz in konkrete Anwendungen übertragen werden. Dafür sucht das Fraunhofer IAP Partner aus Industrie und Forschung, die eigene Bauteile, Trägermaterialien oder Montageprozesse einbringen. Besonders relevant sind Unternehmen, die flächige Fügeverfahren vereinfachen, den Umgang mit Klebstoffen sicherer gestalten oder den Klebprozess besser in bestehende Montageabläufe integrieren möchten. „Gemeinsam können wir prüfen, ob sich das Kapsel- und Trägersystem an konkrete Anforderungen anpassen lässt und welche Materialmengen für anwendungsnahe Tests benötigt werden“, sagt Neumann.Bringt ein Partner einen geeigneten Anwendungsfall mit, legt das Fraunhofer IAP das Kapsel- und Trägersystem speziell darauf aus. Im Synthesetechnikum des Fraunhofer-Pilotanlagenzentrums für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ des Fraunhofer IAP lassen sich Mikrokapseln zudem bis in den Tonnenmaßstab herstellen. Dadurch stehen ausreichend Materialmengen zur Verfügung, um die Technologie unter anwendungsnahen Bedingungen zu testen.