Im vergangenen Sommer widerfuhr vier Autobesitzern der ultimative Albtraum: Ihre über 200.000 Euro teuren Ferrari 458 gingen ohne Vorwarnung in Flammen auf. Schuld war ein Klebstoff, mit dem eine Hitzeschutz-Platte im Motorraum befestigt war. Durch die Abwärme traten Gase aus dem Kleber aus und entzündeten sich. Der italienische Hersteller musste insgesamt 1248 Fahrzeuge zurückrufen.

So verheerend kann es sein, wenn falsch geklebt wird. Meist erfährt aber kaum jemand von den Unfällen, weil betroffene Firmen ungern an die Öffentlichkeit gehen. Doch je öfter Klebstoff verwendet wird, desto mehr dürften sich ähnliche Vorfälle auch häufen. Und geklebt wird wie noch nie: Der Weltmarkt für Kleb- und Dichtstoffe wächst jährlich um fünf Prozent.

Der größte Wachstumssektor ist dabei die Windenergiebranche - die bis zu 60 Meter langen Rotorblätter von Windkraftanlagen werden stets aus zwei Halbschalen zusammengeklebt. Daneben erobert das Kleben auch neue Einsatzbereiche, etwa in der Architektur. Die Fassade der Allianz-Arena in München ist beispielsweise mit angeklebten Kunststofffolien überzogen.

Die Vorteile des Klebens kommen vor allem beim Leichtbau zum Tragen: Die Kräfte werden hierbei - anders als etwa beim Nieten - großflächig und nicht punktuell übertragen. Im Gegensatz zum Schweißen werden die Bauteile weniger stark erhitzt und verziehen sich deshalb nicht. Zudem lassen sich per Kleber Materialkombinationen wie Kunststoff und Metall verbinden, bei denen andere Fügeverfahren passen müssen. Ein weiteres Plus der Klebenaht: Sie kann auch noch Vibrationen dämpfen.

Experten wähnen rund 200.000 verschiedene Klebstoffe im Umlauf

Doch Kleben ist eine hohe Ingenieurskunst und erfordert mehr Know-how als andere Fügetechniken. Die Schwierigkeiten beginnen schon bei der Auswahl des richtigen Materials: Rund 200.000 verschiedene Klebstoffe wähnen Experten im Umlauf. Hat man dann endlich den passenden Kleber gefunden, müssen bei der Verarbeitung Parameter wie die Sauberkeit der Oberfläche peinlich genau beachtet werden. Und ob dabei alles richtig gemacht wurde und eine Klebenaht wirklich hält, ist später nur schwer festzustellen.

Materialforschung

Diese Komplexität verhindert oft, dass Klebstoff sein Potential auch in großindustriellen Anwendungen entfalten kann. Beim Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte (IFAM) in Bremen arbeiten Forscher daran, Kleben berechenbarer und zuverlässiger zu machen. Mit 270 Mitarbeitern ist das IFAM die größte europäische Forschungseinrichtung für Klebtechnik. Dreimal schon wurde das Gebäude seit der Fertigstellung im Jahr 1999 erweitert. Bald soll ein weiteres Geschoss aufgesetzt werden. "Wir platzen ständig aus allen Nähten", sagt Markus Brede, Leiter der Abteilung für Werkstoffe und Bauweisen. "Dahinter steht der Bedarf aus der Industrie."

1992 verschlug es den Physiker Brede an das Bremer Fraunhofer-Institut. Damals war die Klebstoffforschung nicht mehr als ein zartes Pflänzchen, gehegt von einer Handvoll Wissenschaftler. Heute bietet das IFAM von der Oberflächenbehandlung, der Wahl des geeigneten Klebstoffs, der Ausbildung von Klebingenieuren bis hin zu Prüfverfahren alle erdenklichen Dienstleistungen an. Das Institut strich im vergangenen Jahr mehr als 16 Millionen Euro Forschungsgelder ein. Ein Großteil davon kam aus der Wirtschaft.

Lässt sich das Verhalten von Klebstoffen in mathematische Formeln zu bannen?

Um den richtigen Klebstoff für eine bestimmte Anwendung zu finden, arbeiten die IFAM-Forscher mit einem Zusammenspiel aus Computersimulationen und standardisierten Experimenten. Dabei wird das zu klebende Material zu kleinen Sandwiches von der Größe einer halben Spielkarte verklebt. An diesen Prüfkörpern wird gerüttelt, gezogen und geruckt, bis die Klebenaht nachgibt. Die Kraft, bei der dies geschieht, ist ein charakteristischer Parameter für ein Klebstoffsystem - ähnlich dem Fingerabdruck eines Menschen. Mit den Ergebnissen der praktischen Tests werden Simulationen gefüttert, welche die Auswahl des richtigen Klebers beschleunigen.

Doch oft genug widersetzt sich der Klebstoff einer einfachen mathematischen Modellierung. Um das zu veranschaulichen, holt Fraunhofer-Physiker Christof Nagel eine pinkfarbene Knetmasse aus seiner Hosentasche und zieht sie vor seinem Gesicht zu einem kaugummiartigen Faden auseinander. Dann knetet Nagel sie wieder zu einem Ball und rupft diesen mit einem kraftvollen Ruck auseinander. "Ob ein Werkstoff Fäden zieht oder aus einanderreißt, hängt davon ab, wie stark und wie schnell ich ihn beanspruche", erklärt Nagel die Launenhaftigkeit aller Klebstoffe. Er wirft die rosafarbene Kugel auf den Tisch, wo sie hochhüpft wie ein Gummiball. Dann drückt er sie langsam auf die Tischplatte. Die Masse bleibt liegen wie ein zu weicher Teig. "Das macht die Sache so schwierig", sagt Nagel.

Bauingenieur Stephan Marzi hat sich davon nicht abschrecken lassen und dennoch versucht, das Verhalten von Klebstoffen in mathematische Formeln zu bannen. Herausgekommen ist im Juni 2010 seine Doktorarbeit "Ein ratenabhängiges, elastoplastisches Kohäsivzonenmodell zur Berechnung struktureller Klebverbindungen unter Crashbeanspruchung". Die praktische Relevanz des 84 Seiten schlanken Werkes lässt sich in einem Schaufenster vor Marzis Büro besichtigen. Dort steht ein metergroßes verdelltes Stück gelbes Blech vom Fahrzeugbauer Opel, mit einem violetten Stahlträger in der Mitte. "Eine Bodengruppe nach einem Seitenaufprall", klärt Marzi auf. Auf seinem Monitor erscheint dasselbe Bauteil. Marzi hat eine Simulation programmiert, die erstmals exakt berechnet, welche Klebenähte bei einem Unfall reißen. Bei 15 Kilometern pro Stunde etwa wird der lilafarbene Träger teilweise abgelöst. "In diesem Tempo passieren die meisten Unfälle im Innenstadtverkehr", sagt Marzi. Bei 56 km/h trennt sich der Träger dann vollkommen vom Blech. Was bedeutet das für die Insassen - Krankenhaus oder nur Blechschaden? Marzi zuckt die Achseln.

Probieren geht vor Simulieren

Manchmal sei es sogar gut, wenn die Klebenaht aufgeht, damit sich das Fahrzeug in einer bestimmten Weise faltet, meint er. Doch sein Computerprogramm berechnet nicht die Unfallfolgen für den Menschen, sondern für die Karosserie. Dazu benutzt Marzi die bei Crashtests übliche Finite-Elemente-Methode. Dabei wird jede Klebefuge in winzige Segmente zerlegt und deren Verhalten Stück für Stück durch mathematische Gleichungen beschrieben. Die Daten dazu stammen aus eigenen Mini-Crashtests, die Marzi in seinem Labor durchführt. Beispielsweise lässt er einen geklebten Edelstahlzylinder mit einem Rollwagen bei verschiedenen Geschwindigkeiten an die Wand krachen und überprüft, wie sich die Klebeverbindungen gehalten haben.

Da sich die Auflagen für das Unfallverhalten von Fahrzeugen von Land zu Land unterscheiden, werden für jeden Markt andere Karosserien gebaut. Den Unterschied macht oft nur der Klebstoff. Bestimmte Inhaltsstoffe, sogenannte Zähmodifikatoren, lassen die Klebefuge bei Belastung weicher oder steifer reagieren. Ein Zusatz aus Kautschuk sorgt beispielsweise für eine gefügige Naht. Wenn der Klebstoff gewechselt oder in anderer Menge aufgetragen wird, verändert das die gesamte Karosse. Eine Motorabdeckung aus faserverstärktem Kunststoff im Führerhaus eines Lkws muss in den USA beispielsweise mit mehr Klebstoff befestigt werden als in Europa, errechneten die Fraunhofer-Forscher, denn der darauf sitzende amerikanische Norm-Fahrer wiegt doppelt so viel wie der europäische. Mit Marzis Simulationen lässt sich jener eine Klebstoff ermitteln, der sich genau so verhält, wie es sich ein Autobauer wünscht. Opel verwendet die Software bereits, um die aufwendigen Crashtests mit realen Karosserien seltener durchführen zu müssen.

Highspeed-Fähre aus Aluminium und viel Klebstoff

Oft geht aber Probieren immer noch vor Simulieren. Abteilungsleiter Brede bleibt vor einem Plakat im Erdgeschoss stehen. Es zeigt die indonesische Fähre Ambulu, die mit 70 Stundenkilometern und mehr als 900 Passagieren an Bord durch den Indischen Ozean pflügt. Leichtbau aus Aluminium und viel Klebstoff machen es möglich. Die Sitze der Highspeed-Fähre sind nicht etwa mit dem Boden verschraubt, sondern verklebt. Um einen Kleber zu finden, mit dem die Sitze auch bei einem Crash nicht abreißen, klebten die Fraunhofer-Forscher die Sitze in ihrem Labor auf einen fahrbaren Wagen und ließen ihn mit verschiedenen Geschwindigkeiten gegen die Wand fahren.

Komplizierter war die Suche nach einem Klebstoff, der die Fenster in ihren Aluminiumrahmen fixiert. Aus Gewichtsgründen sind die Scheiben aus Polycarbonat statt aus Glas gefertigt. Um die Haltbarkeit auf hoher See zu simulieren, stellten die Fraunhofer-Forscher die mechanischen Belastungen in der feuchten Luft einer Klimakammer nach. Dabei stellten sie fest, dass sich die Fenster um bis zu drei Zentimeter durchbiegen. Der Klebstoff muss diese Bewegung wie ein Scharnier aufnehmen, ohne zu reißen. Epoxidhaltige Klebstoffe, beliebt im Fahrzeugbau, sind dafür zu spröde. Andere Produkte enthalten gar Lösemittel, die das Polycarbonat angreifen. Ein gummiartiger Polyurethan-Klebstoff siegte schließlich in den unzähligen, monatelangen Tests. Inzwischen verkehren zehn derart zusammengeklebte Fähren im Indischen Ozean. Ein Versagen der Nähte ist Brede nicht zu Ohren gekommen.

Richtig angewandt, ist das Kleben manchmal jeder anderen Fügetechnologie überlegen. Das demonstriert Brede an einem Sägeblatt, wie es in Steinmetzbetrieben Verwendung findet. Daneben steht ein Quader aus Rosengranit, in den etliche Rillen geschliffen sind. Das Sägeblatt schneidet Grabsteine aus Granit und Marmor. Die rund hundert Zähne daran sind angeklebt, berichtet Brede - mit einem gummiartigen Epoxidharz. Bis jetzt mussten die Zähne solcher Sägeblätter einzeln angelötet werden, was aufwendig und anspruchsvoll ist, da sich das Blatt in der Wärme nicht verziehen darf. Wenn ein Zahn abgenutzt war, musste bisher zudem das ganze Blatt gewechselt werden. Das Ankleben eines Ersatzzahns ist dagegen ein Leichtes. Künftig sollen die Sägezähne in einer automatisierten Fertigung maschinell an die Blätter geklebt werden. Der Prozess dafür wird gerade in einem laufenden Forschungsprojekt entwickelt.

Der Klebewächter signalisiert, ob die Reinigung erfolgreich war

Doch damit Klebeverbindungen tatsächlich so fest wie Schweißnähte werden, braucht es nicht nur den richtigen Klebstoff - auch der Klebeprozess will beherrscht sein. Und das ist deutlich schwieriger als bei anderen Fügeverfahren. Manchmal haftet etwa das Geklebte bei einem Mitarbeiter bombenfest, bei seinem Kollegen fällt es auseinander, obwohl beide augenscheinlich gleich vorgegangen sind. Wie ist das möglich? Parfum oder Schuhcreme, gibt Brede einen Tipp und ergänzt diesen noch um Mettbrot, Handcreme oder Blattglanz für die Zimmerpflanze. Schon wenige Moleküle dieser Substanzen auf der zu klebenden Fläche können die Haftung verhindern.

Abhilfe gegen solche Tücken ist schwierig. Mit Spektroskopen und Mikroskopen kann man die Oberfläche zwar vor dem Kleben nach molekularen Störenfrieden absuchen, doch das kann Stunden oder Tage dauern. Schneller geht es, wenn man die Fläche beregnet und die Tropfen beim Abfließen beobachtet. Auf einem schmutzigen Untergrund bilden sich Wasserinseln, die nicht abperlen. Für eine Montage am Fließband taugt die Methode allerdings nicht. "Dazu benötigt man ein automatisches Online-Monitoring", sagt Ingenieurin Susanne Markus. Im Erdgeschoss des Fraunhofer-Institutes steht ein solcher von ihr entwickelter Klebewächter - ein blauer Kasten, so groß wie ein PC, an dem ein Messkopf mit einer unscheinbaren Düse befestigt ist. Aus der Düse wird ein hauchfeiner Wassernebel auf die zu klebende Fläche gesprüht. Eine Kamera vermisst die mit bloßem Auge unsichtbaren Tröpfchen. Ihre Größe und Form verrät jede Verunreinigung. Zu kleine Wasserperlen zeigen beispielsweise ölige Fremdstoffe an. Mit einem Sandstrahl oder mit Plasma kann die verschmutzte Oberfläche dann gesäubert werden. Der Klebewächter signalisiert im Nachgang, ob die Reinigung erfolgreich war. Nach spätestens vier Minuten ist die Feuchtigkeit von den Werkstücken verdunstet, und sie können verklebt werden.