Metall vor dem Kleben vorbereiten: Was die Oberfläche braucht

Wer festlegt, wie Sie Metall vor dem Kleben vorbereiten

Wer Metall vor dem Kleben vorbereiten will, fängt am besten beim Klebstoff an. Ein Klebstoff haftet nur, wenn er die Fläche benetzt, sich also als flüssiger Film ausbreitet, statt Tropfen zu bilden, und wenn die oberste Schicht fest mit dem Metall verbunden ist. Was die Oberfläche dafür braucht, hängt vom Werkstoff, vom Klebstoffsystem und von der späteren Belastung ab. Eine Reinigungsregel, die für alle Metalle und alle Klebstoffe gilt, gibt es deshalb nicht.

Die erste Quelle ist das technische Datenblatt oder die Verarbeitungsanleitung des Klebstoffs. Ein Hersteller von Strukturklebstoffen staffelt seine Verarbeitungshinweise in drei Stufen nach Wirkung, vom reinen Entfetten über Entfetten, Aufrauen und Nachreinigen mit Lösemittel bis zum Entfetten mit anschließender chemischer Vorbehandlung. Hohe Festigkeiten auf Metall sind nach seinen Angaben schon erreichbar, wenn Fett und lose Beläge wie Rost entfernt sind; für die höchste Festigkeit empfiehlt er eine gründlichere mechanische oder chemische Oberflächenvorbehandlung.

Die zweite Quelle sind die Vorgaben Ihrer Fertigung oder Ihres Auftraggebers, etwa eine Prozessanweisung. Wer in einem bestehenden Ablauf das Reinigungsverfahren austauscht, ändert den Klebprozess; das sollte vorher mit der Stelle abgestimmt sein, die ihn verantwortet.

Fett, Trennmittel und lose Oxide entfernen

Auf Metallteilen aus Lager und Fertigung können Öl- und Fettfilme liegen, etwa Reste von Kühlschmierstoff oder Ziehöl, dazu Fingerabdrücke. Solche Filme sind oft dünn und kaum zu sehen. Sie senken die Oberflächenenergie, die bestimmt, wie gut eine Flüssigkeit die Fläche benetzt, und verschlechtern so Benetzung und Haftung des Klebstoffs. In allen drei Stufen des genannten Herstellers steht das Entfetten am Anfang; das passende Reinigungsmittel nennt das Datenblatt.

Trennmittel, meist wachs-, silikon- oder ölhaltig, sollen in Gieß- und Pressformen verhindern, dass ein Teil an der Form haftet. Ihre Reste stören auf einer Klebefläche Benetzung und Haftung ähnlich wie ein Ölfilm; der genannte Hersteller verlangt für Verbundwerkstoffe ausdrücklich, sie vor dem Kleben zu entfernen. Ob davon noch etwas auf der Fläche ist, lässt sich mit einer Benetzungsprüfung abschätzen.

Bei Oxiden kommt es darauf an, wie fest sie sitzen. Rost und andere lose Beläge gehören vor dem Kleben herunter, weil der Klebstoff sonst auf einer Schicht haftet, die sich selbst vom Metall lösen kann. Für blankes Aluminium verlangt derselbe Hersteller, das Oxid vollständig zu entfernen, wenn die Klebung Umwelteinflüssen dauerhaft standhalten soll, und nennt Ätzen als besten Weg dafür. Bei eloxiertem Aluminium ist die Oxidschicht gewollt; dort hängt die Haftung nach denselben Hinweisen von Dicke und Aufbau der Schicht und von der Art der Porenverdichtung ab.

Ein gepulster Laser kann dünne Öl- und Fettfilme, Trennmittelreste und lose Oxidschichten von zugänglichen Metallflächen abtragen, ohne Strahlmittel einzubringen. Ob er auf Ihrem Bauteil die störende Schicht vollständig erfasst und die Fläche darunter in einem Zustand hinterlässt, der zum Klebstoff passt, lässt sich an einer Probefläche oder einem Musterteil klären.

Benetzung prüfen: Wassertest, Testtinte und Kontaktwinkel

Ob eine Fläche frei von störenden Filmen ist, lässt sich mit bloßem Auge kaum beurteilen. Benetzungsprüfungen nutzen deshalb eine Flüssigkeit als Anzeiger. Auf einer gut benetzbaren Fläche läuft sie zu einem geschlossenen Film auseinander, auf einer verunreinigten zieht sie sich zusammen oder bildet Tropfen.

Am einfachsten ist der Wassertest. Nach den Hinweisen des schon genannten Klebstoffherstellers wird dazu destilliertes Wasser auf die gereinigte Fläche getropft; bildet es Tropfen, ist erneut zu entfetten. Für eloxiertes Leichtmetall vermerkt er, dass der Test nicht zuverlässig ist, weil Wasser dort auch ohne ausreichende Entfettung einen Film bilden kann.

Testtinten, auch Prüftinten genannt, sind Flüssigkeiten mit fest eingestellter Oberflächenspannung in abgestuften Werten. Ein Pinselstrich wird auf die Fläche gezogen; zieht er sich zusammen, folgt die Tinte der nächstniedrigeren Stufe, bis ein Strich als geschlossener Film stehen bleibt. Der Wert dieser Tinte gilt dann als Oberflächenenergie der Fläche. Das geht schnell. Ein Hersteller von Kontaktwinkelmessgeräten kam allerdings in einer Vergleichsstudie an Kunststoffen, Mineralien und Metallen zu dem Schluss, dass das Ergebnis eines Tintentests bei vielen Proben in Frage gestellt werden muss.

Mehr Aufschluss gibt nach dieser Studie die Kontaktwinkelmessung. Dabei wird ein Tropfen einer reinen Testflüssigkeit auf die Fläche gesetzt und mit einer Kamera aufgenommen; ausgewertet wird der Winkel, den der Tropfenrand mit der Fläche bildet. Je besser die Benetzung, desto kleiner ist dieser Winkel, und mit mehreren Testflüssigkeiten lässt sich die Oberflächenenergie berechnen. Welche Methode gilt und welcher Wert ausreicht, legt die verantwortliche Fertigung fest.

Das Zeitfenster zwischen Vorbehandlung und Kleben

Nach Angaben des Herstellers der Strukturklebstoffe ist eine Klebefläche direkt nach der Vorbehandlung in ihrem besten Zustand. Er empfiehlt deshalb, gleich mit welchem Verfahren vorbehandelt wurde, so bald wie möglich danach zu kleben. Sieht das System einen Primer vor, also eine dünne Haftvermittlerschicht unter dem Klebstoff, gilt das für den Primer ebenso; begründet wird es mit der Gefahr von Verunreinigung und mechanischer Beschädigung.

Als Ursachen für eine erneute Verunreinigung nennt der Hersteller Fingerabdrücke, nicht ganz saubere Tücher und nicht einwandfreie Entfettungs- oder Behandlungslösungen; hinzu kommen Lagerung und Transport. Wie lang das Zeitfenster höchstens sein darf, steht im Datenblatt oder in der Prozessvorgabe.

Diese Punkte sollten feststehen, bevor gereinigt wird:

• wie viel Zeit zwischen Reinigung und Kleben höchstens liegen darf
• wer die Klebezone danach anfasst, und zwar nur mit sauberen Handschuhen
• wie die Teile bis zum Kleben gelagert, abgedeckt und transportiert werden
• mit welcher Prüfung die Fläche vor dem Kleben freigegeben wird

Wie die Klebe­verbindung geprüft wird

Wie fest und dauerhaft eine Klebeverbindung hält, zeigt erst eine geklebte Probe. Dafür werden Prüfkörper oder Musterteile aus dem Originalwerkstoff wie geplant vorbehandelt, mit dem vorgesehenen Klebstoff gefügt und unter Bedingungen geprüft, die der späteren Belastung entsprechen. Auch der genannte Klebstoffhersteller rät, seine Empfehlungen am eigenen Werkstoff durch Prüfungen zu bestätigen.

Zum Befund gehört das Bruchbild, also die Stelle, an der die Probe versagt hat. Bleibt nach dem Bruch blankes Metall ohne sichtbare Klebstoffreste zurück, hat sich der Klebstoff dem Anschein nach an der Grenzfläche zum Metall gelöst. Dann liegt es nahe, die Vorbehandlung zu überprüfen, denn sie wirkt genau an dieser Grenzfläche. Wie die wichtigsten Bruchbilder bezeichnet werden, legt DIN EN ISO 10365 fest; die Norm ist bei allen mechanischen Prüfungen an geklebten Verbindungen anwendbar, unabhängig von Fügeteilen und Klebstoff.

Für Betriebe, die Kleben als Fertigungsverfahren einsetzen, gibt DIN EN ISO 21368 Leitlinien zu den Qualitätsanforderungen an das Kleben; die Dokumentation bildet dort die Grundlage für die Risikobewertung geklebter Strukturen. Sie ersetzt die inzwischen zurückgezogene DIN 2304-1, die für lastübertragende Klebverbindungen Anforderungen entlang der ganzen Prozesskette festlegte und verlangte, jede darunter fallende Klebverbindung in eine Sicherheitsklasse einzustufen. Welche Anforderungen für Ihre Klebungen gelten, ergibt sich aus Ihrem Qualitätsmanagement und den Vorgaben Ihrer Kunden.

PULSWERK setzt für diese Aufgabe gepulste Faserlaser der Laserklasse 4 ein und arbeitet mobil bei Betrieben in NRW, ausgehend von Köln. Wir beginnen mit Ihren Fotos und Angaben zu Werkstoff, vorhandenen Schichten, Klebstoff und Klebezone und legen den Zielzustand mit der Fertigung fest, die die Klebung verantwortet. Ist der Werkstoff neu oder die Ausgangslage unklar, vereinbaren wir vorab Umfang und Kosten einer Probefläche oder von Musterteilen, die sich danach in Ihrem Prozess kleben und prüfen lassen. Die Freigabe der Verbindung bleibt bei der zuständigen Stelle, und angeboten wird nur ein Leistungsumfang, der für PULSWERK validiert ist.

Grenzen

Eine Laserreinigung kann ein Schritt der Klebevorbehandlung sein, die Vorgaben des Klebstoffherstellers ersetzt sie nicht. Verlangt das Datenblatt ein bestimmtes Aufrauen, eine chemische Vorbehandlung oder einen Primer, bleibt es dabei, solange der Hersteller oder die verantwortliche Fertigung nach einer Prüfung nichts anderes freigibt. Eine definierte Oberflächenstruktur oder eine bestimmte Aktivierung entsteht beim Reinigen nicht von selbst; dafür bräuchte es einen eigens entwickelten und geprüften Prozess.

Gereinigt wird nur, was der Strahl auf direktem Weg erreicht; in Hinterschnitten, engen Spalten und Bohrungen kann Verschmutzung zurückbleiben. Bei dicken Fettauflagen und freiem Öl kann zuerst eine andere Vorreinigung nötig sein, und für das großflächige Entfetten kann ein anderes Verfahren die bessere Wahl sein. Angrenzende Beschichtungen und Dichtungen gehören in die Planung des Einsatzes und, wo es nötig ist, auf die Probefläche.

Eine gelaserte Fläche, die sauber aussieht und gut benetzt wird, ist noch kein Nachweis für eine haltbare Klebung. Ob eine Klebung mit einem bestimmten Klebstoff nach der Laserreinigung fester hält, zeigt erst die Prüfung der Verbindung. Bei sicherheitsrelevanten Verbindungen gelten die Anforderungen des Bauteils.

Häufige Fragen

Begriffe aus dem Glossar

• Klebevorbehandlung
• Benetzung (Benetzbarkeit)
• Oberflächenenergie
• Testtinte (Prüftinte)
• Trennmittel (Formentrennmittel)
• Oxidschicht