Materialverbindungen: Das Beste aus zwei oder mehr Welten vereinen

Die Bildschirme, auf denen diese Worte gelesen werden; die Tastatur, auf der sie geschrieben wurden und unzählige weitere Anwendungen in zahllosen Sparten aller möglichen Produkte, Geräte, Maschinen und Bauten zeichnen sich durch eine Tatsache aus: Mindestens zwei unterschiedliche Materialien wurden zu einem funktionierenden Ganzen vereint. Warum dies getan wird und wie vielfältig Materialverbindungen sein können, lesen Sie jetzt.

Verbindungstechniken: Was die Welt zu einem funktionierenden Ganzen macht

Die Geschichte des Homo Sapiens ist untrennbar mit seiner Neigung verbunden, verschiedene Gegenstände oder Materialien zu kombinieren. Schon als die ersten Urmenschen auf die Idee kamen, Pflanzenfasern um den Griff eines Faustkeils zu wickeln, um den Komfort und die Griffigkeit zu erhöhen, wurde dieser Gedankengang exerziert. Auch hölzerne Speere, in denen vorne steinerne Spitzen mit Hilfe von Teer und Harz sowie Pflanzenfasern befestigt wurden, zeugen von diesem Erfindungsgeist. Zudem gelang es dem Menschen schon sehr früh, Verbindungstechniken hervorzubringen, die selbst aus heutiger Sicht komplex waren. Ein sehr gutes Beispiel hierfür ist der Kompositbogen, der sich durch Funde auf drei- bis viertausend Jahre vor der Zeitenwende zurückdatieren lässt. Hierbei kamen nicht nur hölzerne Pfeile mit steinernen Spitzen und Federkiel-Leitwerken zum Einsatz. Die Bögen selbst wurden aus einer Kombination von Holz, Horn und Tiersehnen gefertigt – nachdem man zuvor schon seit etwa 60.000 Jahren rein hölzerne Bögen benutzt hatte. Bis in die heutige Zeit hat sich am Grundgedanken hinter den Verbindungstechniken nichts geändert. Immer geht es um mindestens einen der folgenden Punkte:

• Das Anfertigen eines Gegenstandes, der positive Eigenschaften mehrerer Materialien vereint,
• Die Herstellung einer Konstruktion von irgendwie gearteter (größerer) Funktionalität als es die Ausgangsmaterialien ermöglichen und
• Die Konstruktion von komplexeren Gebilden, die erst im Ganzen mindestens eine Funktion haben, häufiger aber verschiedenste miteinander in einem System kombinieren.

Von den Holzgriffschalen, die Ihre Küchenmesser umfassen, über das Gebäude, in dem Sie leben, bis zu so phänomenalen Konstrukten wie der ISS gilt dies überall. Das heißt, es steht dahinter immer der Wunsch, ein Ausgangsmaterial oder einen solchen Gegenstand irgendwie zu verbessern. Dazu müssen Sie jedoch nicht einmal an hochkomplexe Funktionen denken. Materialverbindungen finden sich in Millionen unterschiedlicher Nischen und selbst in jeder kindlichen Spielzeugkiste.

Die drei Einteilungen aller Verbindungstechniken

Sogar mit geringem technischen Hintergrundwissen wissen Sie vielleicht, dass Verbindung nicht gleich Verbindung ist. Schließlich steckt beispielsweise hinter dem aufgeschraubten Deckel einer Getränkeflasche eine andere Vorgehensweise als beim Etikett, das nur wenige Zentimeter tiefer auf die Flasche aufgeklebt wurde. Tatsächlich lassen sich alle Verbindungstechniken in eine von drei Kategorien hinsichtlich ihrer Lösbarkeit einsortieren. Wichtig ist hierbei, dass Sie zuvor die drei folgenden Begriffe kennen:

• Bauteil: Dabei handelt es sich um die eigentlichen Teile, die aus verschiedenen Gründen verbunden werden sollen.
• Hilfsfügeteil: Dies sind Materialien bzw. Gegenstände, die für die Verbindung elementar wichtig sind. Beispielsweise Klebstoff, Nieten, Schrauben und dergleichen. Allerdings sind Hilfsfügeteile je nach Bauteilgestaltung nicht immer notwendig – beispielsweise bei einem Klick- oder Stecksystem.
• Fügen: Darunter versteht der Fachmann den eigentlichen (handelnden) Prozess der Herstellung einer Materialverbindung. Das heißt beispielsweise, wenn Sie die Teile eines Bücherregals mit Schrauben zusammenbauen, dann fügen Sie dies alles zusammen.

Die Kenntnis dieser Begriffe ist für das Verständnis der gesamten Thematik elementar wichtig. Sie werden im Laufe dieses Artikels noch mehrmals aufgegriffen. Sowohl Bau- als auch Hilfsfügeteile lassen sich dementsprechend auf folgende Arten fügen:

Lösbar

Eine lösbare Verbindung ist immer dann vorhanden, wenn sie sich händisch oder zumindest mit entsprechenden Werkzeugen wieder trennen lässt, ohne dass es dabei zu einer Beschädigung von Bau- oder Hilfsfügeteilen kommt. Ein Netzstecker und seine Dose wären ein gutes Beispiel dafür. Ebenso ein mit mehreren Schrauben mit der Karosserie verbundener Kotflügel oder die berühmten Lego-Steine.

Bedingt lösbar

Bedingt lösbare Verbindungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich zwar ohne Beschädigung der Bauteile lösen lassen, aber dabei das Hilfsfügeteil Schaden nimmt. Denken Sie beispielsweise an die (aus gutem Grund) miteinander verklebten Teile eines modernen Smartphones. Sie lassen sich zwar trennen, jedoch muss der Klebstoff aufgelöst werden. Auch ein genähtes Hemd ist nur bedingt lösbar, weil dazu die Fäden zerschnitten werden müssen, dazu jede Nietverbindung.

Unlösbar

Last but not least ist eine Verbindung immer dann nicht lösbar, wenn es unvermeidbar ist, dass ein Lösen die Beschädigung oder gar Zerstörung mindestens eines Bauteils und eventueller Hilfsfügeteile zur Folge hat. Hier können Sie sich ein geklebtes Buch vorstellen, das sich kaum wieder zerlegen ließe, ohne dass Seiten reißen. Merke: Insbesondere zwischen einer bedingt und einer unlösbaren Verbindung besteht teilweise nur ein schmaler Grat, der von der Haltbarkeit der Hilfsfüge- und der Bauteile definiert wird.

Physik und Technik miteinander vereint: Die eigentlichen Verbindungstechniken

Materialverbindungen und die dahinterstehenden Fügetechniken haben sich seit den Tagen unserer urmenschlichen Vorfahren zu einem extrem vielfältigen und -schichtigen System entwickelt. Besonders während der Industrialisierung im 19. Jahrhundert wurden hierfür viele bahnbrechende Entwicklungen getätigt. Unterhalb der drei skizzierten Grade der Lösbarkeit von Verbindungen existieren deshalb drei weitere Unterschiede. Sie sind die eigentliche Definition, auf welche Weise Bauteile gefügt werden, was dazu nötig ist und wie die vor- und nachteiligen Eigenschaften der daraus hergestellten Baugruppen und ganzen Systeme sind.

1. Stoffschlüssige Verbindungen

Was Materialverbindungen und ihre Fügetechniken anbelangt, so handelt es sich bei stoffschlüssigen Verbindungen um die komplexeste Herangehensweise. Denn hierbei wird die Verbindung grundsätzlich auf den kleinsten möglichen Ebenen hergestellt. Das heißt auf atomarem oder molekularem Level. Funktionsweise Der Stoffschluss wird immer dann hergestellt, wenn es gelingt, die Verbindung, das heißt, die zusammenhaltenden Kräfte, auf besagten Ebenen herzustellen. Dazu wird durch eine den Materialien angepasste Fügetechnik versucht, in die mikroskopische Struktur der Bauteile selbst einzugreifen. Meist wird dies deshalb getan, um insgesamt besonders dauerhafte Verbindungen zu erhalten, die widrigen Umgebungsbedingungen oder besonderen Kräften standhalten müssen. Je nach Art der Fügetechnik ist es deshalb möglich, dass Baugruppen entstehen, die nur noch unter dem Mikroskop als Materialverbindungen erkennbar sind. Hierfür ist die Metallbranche ein generell sehr gutes Beispiel. So haben etwa viele Eisenmetalle das grundsätzliche Problem der Korrosionsanfälligkeit, sie können also rosten. Mit einer stoffschlüssigen Verbindung werden dort verschiedene Schutz- und Veredelungstechniken angewendet, bei denen andere Stoffe auf die Bauteile aufgebracht und stoffschlüssig mit der Oberflächenstruktur verbunden werden. Dadurch ist das Grundmaterial dauerhaft von der Umgebungsluft abgekapselt, das hergestellte Bauteil wird äußerst rostbeständig. Vorteile:

• Sehr geringer Platzbedarf der Verbindung.
• Hochbelastbare Verbindung.
• Optisch teilweise gänzlich unsichtbar.

Nachteile:

• Verbindungen sind höchstens bedingt lösbar.
• Längst nicht alle Bau- und Hilfsfügeteile können mit sämtlichen möglichen Techniken verbunden werden.
• Bei auf Hitze basierenden Fügetechniken können Materialverspannungen und -verformungen auftreten.

Beispiele Das prägnanteste Beispiel für eine stoffschlüssige Verbindung ist das Schweißen. Hierbei werden beide Bauteile, gegebenenfalls unter Zugabe eines Hilfsfügeteils, durch große Hitze aufgeschmolzen. Dabei entsteht beim Aufschmelzen und Auskühlen eine Verbindung beider Kristallgitter miteinander. Je nach Güte der Schweißung und der angewendeten Technik kann dies so weit gehen, dass dabei auf physikalischer Ebene aus zweien ein einziges Bauteil entsteht. Dies, weil die Leistungsfähigkeit der Verbindung in sämtlichen Belangen den Materialeigenschaften der Ausgangsbauteile entspricht. Allerdings müssen stoffschlüssige Verbindungen nicht unbedingt auf einer so tiefgreifenden Ebene erfolgen. Beide Techniken des Lötens (Weich- und Hartlöten) sind ebenfalls stoffschlüssige Verbindungen, selbst wenn es hierbei zu keiner integralen Verschmelzung der Bauteile kommt. In diesem Fall verbindet sich das Lot mit der kristallinen Oberflächenstruktur beider Teile (Adhäsion) und hält außerdem durch molekulare Kräfte innerhalb des Lotmaterials zusammen (Kohäsion). In dieselbe Kerbe schlagen deshalb auch sämtliche Klebetechniken. Sie müssen zwar unterschieden werden zwischen Klebstoffen, die nur durch Ko- und Adhäsion verbinden und solchen, die durch ihre chemischen Eigenschaften ein Aufschmelzen der Werkstoffe bewirken (häufig bei Kunststoffklebern der Fall). Dennoch haben Klebetechniken den Vorteil, die einzigen stoffschlüssigen Verbindungen zu sein, bei denen keine so große Hitze entsteht, dass sich die Bauteile verziehen oder anderweitig durch große Wärmeentwicklung beeinflusst werden können. Nicht zuletzt ermöglichen manche Kleber eine sehr gute bedingt lösbare Verbindung. Wird der Klebstoff beispielsweise mit einem dazu passenden Lösemittel oder sogar nur Wärme in Kontakt gebracht, werden Ko- und Adhäsionskräfte aufgebrochen, der Kleber löst sich – oft sogar spurenlos.

2. Kraftschlüssige Verbindungen

Kraftschlüssige Verbindungen entstehen immer dann, wenn auf gezielte Weise und typischerweise unter Hinzufügen von mindestens einem Hilfsfügeteil dafür gesorgt wird, dass sich eine Kraft aufbaut, die alle Teile zusammenhält. Allerdings sei unterstrichen, dass ein solches Hilfsteil nicht für jede kraftschlüssige Verbindung vonnöten ist. Funktionsweise Prinzipiell gilt, dass es hierfür unerheblich ist, welche Kraft dafür zum Einsatz kommt. Bei einigen kraftschlüssigen Verbindungen können sogar mehrere Kräfte eine Materialverbindung zusammenhalten. Letztendlich bricht jedoch zwischen einer Wäscheklammer und einem sorgsam verschraubten Flansch praktisch alles auf eine Kraft herunter, die die eigentliche Verbindung herstellt: Reibkraft. Aus diesem Grund wird fachsprachlich auch häufig von reibschlüssigen Verbindungen gesprochen. Erneut sei hierbei die Wäscheklammer genannt. Zwar sorgt hier die Kraft der involvierten Feder dafür, dass beide Klammerhälften zusammengedrückt werden. Was jedoch das dazwischen geklemmte Wäschestück anbelangt, so rutscht es nur deshalb nicht aus den beiden Klammerbacken heraus, weil zwischen den beiden Kontaktflächen eine so große Reibkraft aufgebaut wird – durch die Druckkräfte, die von der Feder erzeugt werden. Vorteile:

• Kraftschlüssige Verbindungen sind fast immer lösbare Verbindungen.
• Viele dazugehörige Verbindungstechniken sind justierbar.
• Die Verbindung kann dynamisch belastet werden.
• Für eine extrem große Bandbreite von Materialien nutzbar.

Nachteile:

• Teils großer Raumbedarf der Verbindung.
• Die Güte und Belastbarkeit der Verbindung ist von der Reibkraft aller Oberflächen abhängig.
• Es sind teilweise sehr große Vorspannungen erforderlich, die Bauteile und/oder Hilfsfügeteile belasten können.
• Einige Verbindungstechniken können sich durch Vibrationen oder andere Bewegungen sofort oder allmählich lösen.
• Werden Hilfsfügeteile verwendet, so muss deren Lage, Anzahl und Qualität genau berechnet werden, damit keine ungewollten Sollbruchstellen entstehen.

Beispiele Neben der Wäscheklammer dürften Sie die kraftschlüssige Verbindung vor allem aus sämtlichen Techniken der Verschraubung kennen. Nehmen wir dazu ein simples Beispiel: Bei einem Metallbaukasten werden zwei Bauteile durch eine Schraube und eine Mutter verbunden. Dadurch, dass Schraube und Mutter angezogen werden, entsteht zwischen ihnen und den beiden Bauteilen sowie zwischen diesen eine hohe Reibkraft, sodass diese sich nicht mehr zueinander bewegen lassen. Umgekehrt könnten Sie jedoch ebenso die Schraubverbindung weniger stark anziehen, wodurch die Verbindung beweglich bliebe. Würden Sie dann die Mutter durch eine zweite Mutter kontern oder beispielsweise Schraubensicherungsmasse aufbringen, würde diese zu geringe Vorspannung nicht einmal dafür sorgen, dass die Verschraubung sich durch zu geringe Reibkräfte mit jeder Bewegung weiter lösen würde. Allerdings dürfen Sie hierbei nicht nur an die Verbindung von festen Bauteilen denken. Hier kommt das Beispiel des Knotens ins Spiel. Denn wirklich jeder einzelne denkbare Knoten verbindet nur deshalb zwei Schnüre oder Seile, weil er sicherstellt, dass dazwischen sehr kontrollierte und teilweise hochkomplex aus mehreren Richtungen einwirkende Reibkräfte hergestellt werden.

3. Formschlüssige Verbindungen

Der Dritte im Bunde der Verbindungstechniken ist die formschlüssige Verbindung. Sie wird dadurch geprägt, dass zwei Bauteile entweder durch ihre Formgebung oder die eines Hilfsfügeteils miteinander verbunden werden. Dadurch besteht die Haltekraft so lange, wie die Teile miteinander verbunden sind. Ganz gleich, welche (und ob) externen Kräfte darauf einwirken. Funktionsweise Der Formschluss wird immer dann hergestellt, wenn durch die reine geometrische Formgebung der beteiligten Bauteile sichergestellt wird, dass diese miteinander in Verbindung bleiben. Auf dem einfachsten Niveau können Sie sich das nach Art eines Puzzles vorstellen. Ein Puzzlestein hat eine positive pilzförmige Ausprägung, der andere Stein hat eine exakt dazu passende negative Formgebung. Sie können an beiden Puzzlesteinen ziehen, sie würden sich selbst ohne Kleber, Schrauben oder ähnliches nicht mehr lösen. Vorteile:

• Die Verbindung wird nur aus den Bauteilen heraus hergestellt.
• Der Platzbedarf der Verbindung ist ähnlich gering wie bei der stoffschlüssigen Verbindung.
• Es sind keine Nebenkräfte wie beispielsweise Vorspannungen erforderlich. Dadurch werden die Bauteile nicht belastet.
• Die Verbindung kann bei praktisch allen Materialien angewendet werden.
• Ein Hilfsfügeteil ist, wenn überhaupt, nur erforderlich, um ein quer zur üblichen Krafteinwirkung erfolgendes Auseinanderrutschen zu verhindern.
• Die Verbindung ist immer lösbar – typischerweise sogar ohne Werkzeuge. Zudem kann der immer notwendige Freiheitsgrad für ein Gesamtsystem vorteilhaft sein.

Nachteile:

• Die Fertigung ist aufwendig, dadurch zeit- und kostenintensiv – der heutzutage bedeutendste Nachteil.
• Da immer ein gewisser Freiheitsgrad erforderlich ist, können dynamische Belastung die Verbindung allmählich ausleiern.
• Soll die Verbindung beweglich bleiben, so ist die Formgebung noch komplexer.

Beispiele Zwar ist das Puzzlestein-Prinzip bereits das beste Beispiel für eine formschlüssige Verbindung, jedoch finden Sie Abwandlungen davon zuhauf. Ein im Alltag sehr bedeutender Vertreter wäre die Anhängerkupplung in Form der typischen Kugelkopfkupplungen, wie Sie sie wahrscheinlich aus dem PKW-Bereich kennen. Auf der einen Seite der am Fahrzeug befestigte Kugelkopf, auf der anderen Seite die dazu passende Kugelpfanne. Beide Teile haben die gleiche positive beziehungsweise negative Formgebung, halten deshalb zusammen, sobald sie verbunden werden. Und da es sich um die geometrische Kugelform handelt, hat die Verbindung eine inhärente Beweglichkeit sowohl in der waagerechten als auch der horizontalen Ebene. Sie können also Kurven und Kuppen befahren, während zwischen PKW und Anhänger ein Winkel entsteht, ohne dass sich die Verbindung löst. Noch simpler wäre es, wenn Sie beide Zeigefinger biegen und ineinander verhaken würden. Nach diesem Prinzip arbeitet beispielsweise auch jede Kette, die mit einem Karabinerhaken verbunden wird.

Ein Blick in die Zukunft

Materialverbindungen begleiten den Menschen nun schon seit geraumer Zeit. Angesichts dessen lässt sich feststellen, dass sich zumindest an den grundlegenden technischen und physikalischen Prinzipien nichts mehr ändern wird. Das heißt, alles, was Sie bisher hier über die Lösbarkeit und die Schlüssigkeit von Materialverbindungen gelesen haben, wird weiterhin bestehen und es wird zudem nichts von Belang mehr hinzukommen. Allerdings bedeutet dies längst noch nicht, dass wir beim Thema Materialverbindungen damit am Ende der Entwicklungen angelangt wären. Ganz im Gegenteil. Tatsächlich befindet sich die Welt hierbei gerade sogar inmitten eines tiefgreifenden Wandels. Der Grund dafür ist, dass die Materialforschung schon seit langer Zeit äußerst umtriebig ist. Insbesondere, was neue Legierungen anbelangt und ganz besonders chemische Verbindungen, so werden ständig neue Stoffe entwickelt. Stoffe, die für die Herstellung von Produkten geeignet sind, aber auch solche, die beispielsweise als Hilfsfügeteile von großem Nutzen sein können. Speziell auf dem Gebiet der Klebstoffe wurde erst in allerjüngster Zeit wahrhaft Bahnbrechendes geleistet. Dies korreliert mit der in vielen Sparten immer größer werdenden Notwendigkeit zu Leichtbau – denken Sie beispielsweise an die Fahrzeugbranche. Hier ist Leichtbau deshalb eine ständige Notwendigkeit, um die bewegten Massen und die deshalb zu ihrem Antrieb nötigen Energieverbräuche zu reduzieren. Kommt noch der in anderen Branchen immer stärkere Drang nach mehr Kompaktheit hinzu, ist es leicht zu erklären, dass aktuell vor allem das Thema Stoffschlüssigkeit stark in den Vordergrund tritt – selbst bei Materialien, die man zuvor standardmäßig eher form- oder kraftschlüssig miteinander verband. Denken Sie hier an das genannte Beispiel der Smartphones. Diese werden einzig aus Gründen der Kompaktheit miteinander verklebt, wo man vor nur wenigen Jahren ganz normal zu geschraubten oder geklippten Verbindungen griff. Hier sehen Sie Materialforschung in Bestform. Denn dadurch, dass ständig neue und fähigere Klebstoffe entwickelt werden, wird die darauf basierende stoffschlüssige Verbindung immer vorherrschender und löst andere Methoden ab. Sehr schön können Sie dies zudem im Fahrzeugbau betrachten. Traditionell war dies eine Domäne, in der alle drei Verbindungsarten gleichberechtigt vertreten waren. Durch den nötigen Leichtbau kommen jedoch immer häufiger Kunststoffe zum Einsatz, die dementsprechend eher verklebt oder miteinander verschweißt werden. Das heißt, die Welt der Materialverbindung befindet sich in ständiger Veränderung. Zwar ist es völlig undenkbar, dass dereinst eine bestimmte Form von Schlüssigkeit aus der Mode kommt, jedoch diktieren verschiedenste Trends und Entwicklungsströmungen, was aktuell besonders häufig genutzt wird. Heute sind es Klebe- und Schweißtechniken. Doch schon morgen könnte sich dieses Blatt wenden, wenn es beispielsweise gelänge, Magnetkräfte so präzise zu lenken, dass sich damit kraftschlüssige Verbindungen ohne jeden weiteren Nachteil herstellen ließen.

Fazit

Ganz gleich, ob es der aufgeklebte Deckel eines Smartphones ist, eine Zinkschicht auf einem Stück Blech oder ein festgeschraubter Stoßdämpfer: Wann immer in der Welt zwei Materialien oder Werkstücke miteinander verbunden werden müssen, kommen Verbindungstechniken zum Einsatz. Und selbst wenn viele von ihnen schon sehr alt sind, so gibt es bislang noch keine Ablöse dafür. Denn verbunden werden muss immer – selbst in den Weiten des Weltraumes. Urhebender Autor: Redaktion Futura