Strukturklebstoffe sind tragfähige Klebematerialien, die zum Verbinden von Metallen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen und anderen Substraten in Drohnen und unbemannten Systemen eingesetzt werden. Epoxid-, Acryl-, Polyurethan-, Folien- und flexible Klebstofftechnologien kommen in den Strukturen von UAV, UGV, USV, AUV und ROV zum Einsatz, darunter Flugzeugzellen, Rumpfkomponenten, Nutzlasthalterungen, Antriebsaggregate, Batterien und Elektronik.
Auf dieser Seite werden führende Anbieter von Strukturklebstoffen vorgestellt, die Lösungen zur Lastverteilung über Verbindungsstellen hinweg anbieten und gleichzeitig die Abhängigkeit von mechanischen Befestigungselementen verringern.
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Strukturklebstoffe erzeugen tragende Verbindungen zwischen Metallen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen und anderen Materialien, ohne ausschließlich auf Schrauben, Nieten oder Schweißnähte angewiesen zu sein. Bei Drohnen und unbemannten Systemen kann das Verkleben mit Strukturklebstoffen die Anzahl der Befestigungselemente reduzieren, eine Leichtbauweise ermöglichen und Lasten über eine größere Klebefläche verteilen.
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Die Auswahl des Klebstoffs hängt von mehr als nur den veröffentlichten Festigkeitswerten ab. Substratmaterialien, Oberflächenvorbereitung, Fugengeometrie, Klebefugenstärke, Temperatur, Vibrationen, Ermüdung, Feuchtigkeit, chemische Beanspruchung, Aushärtungsbedingungen und Fertigungsdurchsatz beeinflussen die Leistungsfähigkeit. Epoxid-, Acryl-, Polyurethan- und andere Klebstofftechnologien erfüllen daher unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Strukturen von UAV, UGV, USV, AUV und ROV.
Epoxid-Strukturklebstoffe finden breite Anwendung, wenn hohe Festigkeit, Steifigkeit, Umweltbeständigkeit und dauerhafte Verklebung im Vordergrund stehen. Ein hochfester Epoxidklebstoff kann – je nach Rezeptur und Oberflächenvorbereitung – Metalle, Verbundwerkstoffe, Keramiken und bestimmte Kunststoffe verbinden. Strukturelle Epoxidharzsysteme sind besonders relevant für dauerhafte Baugruppen von Flugzeugzellen, Verkleidungen und Verbundwerkstoffen.
Strukturelle Acrylklebstoffe, einschließlich Methacrylat-Systeme, bieten eine schnelle Festigkeitsentwicklung, Zähigkeit und eine effektive Verklebung auf einer Vielzahl von Untergründen. Aufgrund ihrer relativ schnellen Aushärtung eignen sich strukturelle Acrylklebstoffsysteme besonders für Produktionsumgebungen, in denen eine Verkürzung der Fixierzeit wichtig ist.
Viele strukturelle Polyurethan-Klebstoffe bieten eine größere Flexibilität als starre strukturelle Epoxidharzsysteme. Dies kann dazu beitragen, dass Verbindungen Vibrationen, Stößen, thermischen Bewegungen und Unterschieden in der Steifigkeit der Substrate standhalten. Temperaturbeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und andere Umwelteigenschaften sind formulierungsabhängig und müssen den vorgesehenen Betriebsbedingungen entsprechen.
Herkömmliche Cyanacrylate entwickeln schnell eine Handhabungsfestigkeit und können für kleine, passgenaue Bauteile oder sekundäre Baugruppen nützlich sein. Ihre Spaltfüllfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Umweltbeständigkeit variieren je nach Formulierung erheblich. Sie sollten daher nicht als universeller Ersatz für Strukturklebstoffe in der Luft- und Raumfahrt bei primären, tragenden Verbindungen betrachtet werden.
Silikonklebstoffe und -dichtstoffe sind dort nützlich, wo Verbindungen Bewegungen, Wärmeausdehnung, Vibrationen oder Umwelteinflüssen standhalten müssen. Ihre Rolle unterscheidet sich im Allgemeinen von der hochfester Strukturklebstoffe, da Flexibilität, Abdichtung und Spannungsentlastung oft wichtiger sind als eine hohe Verbindungssteifigkeit oder Lastübertragungsfähigkeit.
Folienklebstoffe liefern eine kontrollierte Menge an Klebematerial in einer vorgeformten Schicht. Sie finden breite Anwendung in kontrollierten Klebeprozessen in der Luft- und Raumfahrt, bei Verbundwerkstoffen, Sandwichplatten und Wabenstrukturen, wo eine gleichmäßige Klebefugenstärke und Klebstoffverteilung wichtig sind. Je nach System können eine Aushärtung bei erhöhten Temperaturen sowie der Aufbringen von Druck, einschließlich des durch Vakuumbeutelverfahren erzeugten Drucks, erforderlich sein.
Einkomponentenklebstoffe vereinfachen die Materialvorbereitung, erfordern jedoch unter Umständen Wärme, Feuchtigkeit, UV-Licht oder einen anderen Aushärtungsmechanismus. Zweikomponenten-Klebstoffe werden vor dem Auftragen aus reaktiven Komponenten gemischt und sind in Epoxid-, Acryl-, Polyurethan- und anderen chemischen Zusammensetzungen erhältlich. Aushärtungsmethode, Verarbeitungszeit, Aushärtungszeit, Lagerungsbedingungen und Produktionsrate sollten gemeinsam berücksichtigt werden.
TA437 von Permabond
Strukturelle Klebstoffe für die Luft- und Raumfahrt können Außenhäute, Rippen, Holme, Versteifungen, Sandwichplatten, Verkleidungen und andere UAV-Flugstrukturen verbinden. Die strukturelle Verklebung verteilt die Lasten über den Verbindungsbereich und kann die Anzahl der Befestigungslöcher reduzieren, was den Bau leichter Verbund- und Mischwerkstoffkonstruktionen ermöglicht. Bei Primärstrukturen müssen zudem Abzieh- und Spaltbeanspruchungen, Ermüdung, Klebefehler, Inspektion, Oberflächenvorbereitung und Fertigungskonsistenz berücksichtigt werden.
Bei UGVs können hochleistungsfähige Strukturklebstoffe für Karosserieteile, Struktureinsätze, Verbundwerkstoffbaugruppen, Schutz- und Panzerungsstrukturen sowie Ausrüstungshalterungen eingesetzt werden. Flexible oder hochfeste Systeme können dort geeignet sein, wo Vibrationen, Stöße, Schläge und wiederholte, vom Untergrund verursachte Belastungen erheblich sind.
Strukturelle Klebstoffsysteme für den Schiffsbau können Rumpfabschnitte aus Verbundwerkstoffen, Verkleidungen, Abdeckungen, Halterungen und Außenkomponenten verkleben. Klebstoffe für diese Plattformen müssen hinsichtlich Eintauchung, Temperatur, Salzwassereinwirkung, hydrostatischem Druck und gegebenenfalls Druckwechseln sowie hinsichtlich der Verträglichkeit mit den umgebenden Materialien geprüft werden. Eine Klebeverbindung sollte nicht als geeignet für eine primäre, druckführende Rumpfverbindung angesehen werden, ohne dass eine spezielle Qualifizierung hinsichtlich Struktur, Umgebung und Druck vorliegt.
Ein UAV-Klebstoff oder ein struktureller Klebestoff kann Sensorgehäuse, Nutzlastschnittstellen, Antennen, Radome, Halterungen und interne Stützen befestigen. Eine Verklebung kann sinnvoll sein, wenn das Bohren eine dünne Platte, ein Verbundlaminat, ein versiegeltes Gehäuse oder eine HF-durchlässige Struktur beschädigen würde.
Strukturelle Klebstoffe können ausgewählte Motorhalterungen, Gehäuse, Magnete, Halterungen und antriebsbezogene Baugruppen stützen, sofern sie für die zu erwartenden Temperaturen, Vibrationen, Ermüdungsbeanspruchungen, Stöße und mechanischen Belastungen qualifiziert sind. Rotierende Baugruppen können zudem Zentrifugal- und thermische Belastungen verursachen. Die Konstruktion der Verbindung sollte lokale Abzieh- und Spaltbeanspruchungen begrenzen.
Batteriemodule und Elektronik erfordern unter Umständen eine Verklebung in Kombination mit elektrischer Isolierung, Schwingungsdämpfung oder Wärmeübertragung. Wärmeleitende Strukturklebstoffe können eine mechanische Befestigung gewährleisten und gleichzeitig einen Wärmepfad zwischen den Bauteilen schaffen. Die thermische Leistung muss gegen mechanische Belastungen, Wartungsfreundlichkeit, Aushärtungsanforderungen und elektrische Eigenschaften abgewogen werden, die überprüft und nicht einfach vorausgesetzt werden sollten.
Bei der Qualifizierung sollten die relevanten Substrate, die Oberflächenvorbereitung, die Klebefugenstärke, der Aushärtungsprozess, die Fugengeometrie, die Belastungen, Fertigungstoleranzen und Umgebungsbedingungen so genau wie möglich nachgebildet werden. Gängige ASTM-Verfahren können Vergleichsdaten und Informationen zur Prozesskontrolle für das Verkleben mit Strukturklebstoffen liefern.
Diese Verfahren helfen bei der Charakterisierung von Werkstoffen und Klebeverfahren, doch erfordern die Ergebnisse der Prüfkörper eine ingenieurtechnische Interpretation. ASTM D4896 warnt davor, Festigkeitswerte von Proben mit Einfachüberlappung direkt als zulässige Auslegungsspannungen für strukturelle Verbindungen zu verwenden. Bei kritischen Anwendungen sollten zudem Ermüdung, Umweltalterung, gegebenenfalls Kriechen, Versagensarten, Fertigungstoleranzen, Prüfbarkeit sowie Prüfungen auf Bauteilebene berücksichtigt werden.
Die Auswahl eines Strukturklebstoffs für die Luftfahrt, der Schifffahrt oder eines allgemeinen Klebematerials für unbemannte Systeme erfordert die Berücksichtigung des gesamten Montage- und Fertigungsprozesses. Wichtige Auswahlkriterien sind:
Auch fertigungstechnische Anforderungen beeinflussen die Wahl zwischen strukturellen Epoxidklebstoffen, Acryl-, Polyurethan- und anderen Technologien. Zweikomponentenklebstoffe, schnell aushärtende Systeme, automatisierte Dosierung und – in einigen Anwendungen – strukturelle UV-härtende Klebstoffe können die Montagezeit verkürzen. UV-härtende Systeme erfordern ausreichend Licht, um den erforderlichen Klebebereich zu erreichen, während alle Aushärtungsmechanismen mit der Fugengeometrie und der Prozesssteuerung kompatibel bleiben müssen.
Für die Großserienfertigung kann ein schnell aushärtender, hochfester Klebstoff für die automatisierte Drohnenmontage geeignet sein, sofern er eine ausreichende Verarbeitungszeit, eine wiederholgenaue Dosierung, eine angemessene Aushärtungszeit sowie eine nachgewiesene Langzeitbeständigkeit bietet. Der beste Strukturklebstoff ist daher das System, das die Anforderungen hinsichtlich Struktur, Umgebung, Fertigung, Prüfung und Reparatur der vorgesehenen unbemannten Plattform erfüllt.
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