Klebstoffe zum Verkleben von Magneten für die Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung (AAED)

Permanentmagnete werden längst nicht mehr nur in der Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Bei der Ausrüstung für die Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung (AAED) führen zunehmend elektrische Antriebssysteme, die Miniaturisierung von Sensoren und die Elektrifizierung von Antrieben dazu, dass Magnete auch in Systemen eingesetzt werden, die früher hydraulisch oder rein mechanisch funktionierten. Flugsteuerungsaktuatoren, Antriebsmotoren von unbemannten Luftfahrzeugen (UAV), Radar- und Avioniksensoren, Reaktionsräder von Satelliten und Leitsysteme sind auf Permanentmagnete angewiesen, die während der gesamten Lebensdauer der Ausrüstung präzise an ihrer Position bleiben müssen.

Diese Entwicklung zeigt sich auch in der europäischen Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie: Laut den Branchenzahlen 2024 von ASD Europe erreichte der Umsatz 2024 325,7 Milliarden Euro und stieg damit gegenüber dem Vorjahr um 10,1 %. Gleichzeitig wuchs die Beschäftigung um 6,9 % auf mehr als 1,1 Millionen Arbeitsplätze in rund 4.000 Unternehmen. Mit zunehmendem Umfang der Programme werden die Materialien für die Montage magnetbasierter Komponenten zu einem direkten Einflussfaktor. Insbesondere Magnetklebstoffe wirken sich auf den Produktionsdurchsatz, die Zuverlässigkeit und die Lebenszykluskosten aus.

Anders als bei Anwendungen in der Automobilindustrie oder Unterhaltungselektronik muss AAED-Ausrüstung über Jahrzehnte hinweg Vibrationen und extremen Temperaturschwankungen standhalten. In vielen Fällen kommt zusätzlich der Kontakt mit Kraftstoffen, Hydraulikflüssigkeiten oder Enteisungsmitteln hinzu. Eine Kleblösung, die beispielsweise in einem Smartphone zuverlässig funktioniert, ist daher nur selten für einen flugkritischen Aktuator qualifiziert. Magnetklebstoffe für diesen Bereich werden deshalb nach strengeren Kriterien ausgewählt als Klebstoffe für allgemeine Industrieanwendungen.

Mechanische Klemm- und Befestigungslösungen sind für die engen Toleranzen, die für Magnetbaugruppen typisch sind, nur bedingt geeignet. Deshalb sind Magnetklebstoffe zu einer zuverlässigeren Alternative für AAED-Ausrüstung geworden. Mehrere Eigenschaften machen das Kleben für diesen Bereich besonders geeignet:

• Gleichmäßige Spannungsverteilung: Klebstoffe verteilen mechanische und thermische Spannungen über die gesamte Klebfuge, anstatt sie an einzelnen Befestigungspunkten zu konzentrieren. Dadurch wird das Risiko verringert, dass spröde Magnetwerkstoffe brechen.

• Keine Beschädigung der Bauteile: Beim Kleben sind weder Bohrungen und Klemmdruck noch die beim Schweißen entstehende Wärme erforderlich, die einen Magneten brechen oder ein empfindliches Gehäuse verformen könnten.

• Leichtere, korrosionsbeständige Baugruppen: Der Verzicht auf Befestigungselemente und Halterungen reduziert das Gewicht – eine ständige Priorität bei Ausrüstung für die Luft- und Raumfahrt. Gleichzeitig dichtet die Klebfuge gegen eindringende Feuchtigkeit ab.

• Vibrationsbeständigkeit und Geräuschreduzierung: Eine flexible, entsprechend formulierte Klebfuge nimmt Vibrationsenergie auf, die mechanische Befestigungen über Tausende von Flugstunden hinweg lockern könnte.

• Verkleben unterschiedlicher Werkstoffe: Klebstoffe verbinden Magnete mit Metallen, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, ohne die thermische Belastung, die beim Löten oder Hartlöten entsteht.

• Geeignet für kompakte, automatisierte Montageprozesse: Viele AAED-Komponenten sind klein und werden auf automatisierten Produktionslinien gefertigt. Die präzise und wiederholgenaue Dosierung von Magnetklebstoffen unterstützt eine skalierbare Produktion mit hoher Ausbeute.

Unterschiedliche Magnetwerkstoffe verhalten sich beim Kleben sowie unter Wärme und mechanischer Belastung sehr unterschiedlich. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Magnettypen, die in AAED-Ausrüstung eingesetzt werden.

Neodym-Magnete werden vor allem dort eingesetzt, wo eine hohe Magnetstärke bei geringem Volumen entscheidend ist. Aufgrund ihrer Sprödigkeit und begrenzten Hitzebeständigkeit werden Magnetklebstoffe für NdFeB-Komponenten jedoch in der Regel eher nach ihrer Zähigkeit und Spaltfüllfähigkeit als allein nach ihrer Hitzebeständigkeit ausgewählt.

Samarium-Kobalt-Magnete halten dagegen höheren Betriebstemperaturen stand und werden häufig in der Nähe von Triebwerken oder in Hochtemperatur-Avionik eingesetzt. Der verwendete Klebstoff muss daher eine entsprechend hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.

Keine einzelne Klebstofftechnologie deckt alle AAED-Anwendungen ab. Genau deshalb bietet ein Lieferpartner mit mehreren Klebstofftechnologien einen Mehrwert: Jede Klebstofffamilie bietet ein anderes Verhältnis von Festigkeit, Aushärtungsgeschwindigkeit, Spaltfüllvermögen und Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen.

• Epoxidharzklebstoffe: Sie sind als warmhärtende 1K-Systeme und als bei Raumtemperatur härtende 2K-Systeme erhältlich. Epoxidharzklebstoffe bieten eine ausgezeichnete Festigkeit sowie hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Zudem verfügen sie über ein gutes Spaltfüllvermögen bei ungleichmäßigen Klebfugen. 1K-Systeme benötigen in der Regel einen Ofen zur Aushärtung und einen anschließenden Abkühlschritt. 2K-Systeme härten bei Raumtemperatur aus, benötigen jedoch im Allgemeinen längere Aushärtezeiten und weisen eine geringere Temperaturbeständigkeit als warmhärtende Produkte auf.

• Strukturacrylatklebstoffe, einschließlich nicht zu mischender oberflächenaktivierter Formulierungen: Diese Klebstoffe werden aufgrund ihrer schnellen Fixierzeiten – häufig innerhalb weniger Sekunden – vielfach als Magnetklebstoffe in der Hochgeschwindigkeitsproduktion eingesetzt. Gleichzeitig bieten sie eine sehr hohe Schlag- und Scherfestigkeit. Oberflächenaktivierte Acrylatklebstoffe ohne vorheriges Mischen erfordern keinen Mischvorgang, härten bei Raumtemperatur aus und bieten in der Regel auch ohne Kühlung eine gute Lagerfähigkeit. Ihr Spaltfüllvermögen ist jedoch begrenzter und eine gleichmäßige Dosierung muss sichergestellt werden.

• Cyanacrylatklebstoffe: Cyanacrylate sind einkomponentig, härten schnell aus und haften gut auf Kunststoffen. Zudem lassen sie sich einfach auftragen. Dadurch eignen sie sich für Ferrit- und Alnico-Magnete in kostensensiblen Bauteilen oder Anwendungen mit niedrigen Temperaturen. Ihre Schlag- und Temperaturbeständigkeit ist jedoch geringer als die von Epoxidharz- oder Strukturacrylatklebstoffen.

• Anaerobe Klebstoffe: Anaerobe Klebstoffe härten unter Luftabschluss zwischen eng aneinanderliegenden Metalloberflächen aus. Sie eignen sich daher nur für bestimmte Magnettypen – typischerweise für Magnete mit metallischer Beschichtung, da der Aushärtungsmechanismus den Kontakt mit Metallionen voraussetzt.

• Silikonklebstoffe: Silikone bieten Flexibilität und eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln. Dadurch eignen sie sich besonders für Samarium-Kobalt-Magnete in Bereichen mit hohen Temperaturen und starken Vibrationen, beispielsweise für Sensoren im Triebwerksbereich.

• Dual-Cure-Systeme (UV/Wärme oder UV/anaerob): Dual-Cure-Klebstoffe nutzen UV-Licht, um eine Klebverbindung innerhalb weniger Sekunden zu fixieren oder abzudichten. Dadurch kann der Einsatz von Fixiervorrichtungen reduziert oder ganz vermieden werden. Anschließend sorgt ein zweiter Aushärtungsmechanismus durch Wärme oder anaerobe Aushärtung dafür, dass der Klebstoff auch in Schattenbereichen vollständig aushärtet, die das UV-Licht nicht erreicht. Dazu gehören beispielsweise vertieft angeordnete Magnete. Einige Dual-Cure-Formulierungen fluoreszieren außerdem unter UV-Licht und unterstützen damit die Inline-Qualitätskontrolle in automatisierten Produktionslinien.

Die folgende Tabelle vergleicht die wichtigsten Klebstofffamilien hinsichtlich ihrer Vorteile und Einschränkungen.

Die elektrophoretische Beschichtung, allgemein als E-Coating bezeichnet, ist eine gängige Oberflächenbehandlung zum Schutz von Magneten – insbesondere Seltenerdmagneten – vor Korrosion und Verschleiß. Bei AAED-Magneten kommen unter anderem Beschichtungen auf Epoxidharz-, Polyimid-, Gummi- und PTFE-Basis zum Einsatz. Jede dieser Beschichtungen verhält sich bei der Verklebung mit Magnetklebstoffen unterschiedlich.

Abhängig von der Art der Beschichtung kann für ein gutes Klebergebnis eine zusätzliche Oberflächenvorbehandlung vor dem Klebstoffauftrag erforderlich sein, beispielsweise:

• Corona-Behandlung: Erhöht die Oberflächenenergie von Polymerbeschichtungen und verbessert dadurch die Benetzung.

• Plasmabehandlung: Wird bei anspruchsvolleren Beschichtungen mit niedriger Oberflächenenergie eingesetzt, beispielsweise bei PTFE-basierten Beschichtungen.

• Mechanisches Aufrauen: eine einfachere Möglichkeit für Produktionsumgebungen, in denen keine Anlagen zur Inline-Oberflächenbehandlung zur Verfügung stehen.

Bei besonders schwer zu verklebenden Substraten sollten spezielle Klebstoffformulierungen in Betracht gezogen werden, die gezielt für Werkstoffe mit niedriger Oberflächenenergie entwickelt wurden. Sie sind hier gegenüber herkömmlichen Universalklebstoffen vorzuziehen.

Die richtige Oberflächenvorbehandlung ist entscheidend: Eine nicht ausreichend vorbehandelte Beschichtung zählt zu den häufigsten Ursachen für das Versagen von Klebverbindungen bei E-Coat-beschichteten Seltenerdmagneten.

Bei der Auswahl des richtigen Magnetklebstoffs für ein AAED-Programm müssen mehrere miteinander verbundene Faktoren berücksichtigt werden, bevor eine Klebstofffamilie ausgewählt wird:

• Magnetwerkstoff und Beschichtung: Vernickelte, epoxidharzbeschichtete oder unbeschichtete Magnete weisen jeweils eine unterschiedliche Oberflächenchemie auf. Diese beeinflusst die Haftung und kann eine Oberflächenvorbehandlung erforderlich machen.

• Umgebungsbedingungen: Wärme, Feuchtigkeit und UV-Strahlung beeinflussen die Leistungsfähigkeit von Klebstoffen auf unterschiedliche Weise. AAED-Ausrüstung ist häufig größeren Temperaturschwankungen und anspruchsvolleren Umgebungszyklen ausgesetzt als Anwendungen in der Industrie oder Automobilbranche.

• Aushärtungsgeschwindigkeit und Verarbeitungsbedingungen: Automatisierte Produktionslinien mit hohen Stückzahlen profitieren von schnell fixierenden Acrylatklebstoffen oder Dual-Cure-Systemen. Bei hochpräzisen Baugruppen mit geringeren Stückzahlen können dagegen längere Aushärtezeiten von Epoxidharzklebstoffen akzeptiert werden, wenn dadurch eine höhere Endfestigkeit erreicht wird.

• Mechanische Belastungen und Geometrie der Klebverbindung: Überwiegend auf Scherung beanspruchte Verbindungen, Schlagbelastungen sowie vertiefte oder abgeschattete Geometrien stellen unterschiedliche Anforderungen an die Klebstofftechnologie. Dual-Cure-Systeme eignen sich beispielsweise für Schattenbereiche, die von einer UV-Lampe nicht erreicht werden.

• Qualifizierungs- und Prüfanforderungen: Viele AAED-Programme erfordern entsprechende Nachweise nach anerkannten Standards der Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung. Dazu gehören beispielsweise eine geringe Ausgasung gemäß den Kriterien der NASA-Datenbank für Ausgasungsdaten bei Komponenten für den Einsatz im Weltraum oder Daten zu Vibrationen und Temperaturwechseln entsprechend den plattformspezifischen Prüfplänen.

Da keine einzelne Klebstofftechnologie jede Kombination dieser Faktoren abdeckt, profitieren Entwicklungsteams von einem Lieferanten, der Epoxidharz-, Strukturacrylat-, Cyanacrylat-, anaerobe und Silikonklebstoffe direkt miteinander vergleichen kann. So ist die Auswahl nicht auf eine einzige Klebstofffamilie beschränkt.

Ein geklebter Magnet wird nur selten allein eingesetzt. In den meisten AAED-Ausrüstungen ist er zusammen mit Lagern, Zahnrädern und Dichtungen in einen Motor, Aktuator, ein Getriebe oder Sensorgehäuse integriert. Diese Komponenten stellen wiederum hohe Anforderungen an die Schmierung. Elektrische Aktuatoren mit Permanentmagneten müssen beispielsweise von Minustemperaturen am Boden bis hin zu erhöhten Temperaturen in der Nähe von Triebwerken zuverlässig funktionieren. Und das häufig ohne Nachschmierung während der gesamten Lebensdauer der Ausrüstung.

Spezialschmierstoffe, die für solche Einsatzbedingungen entwickelt wurden, weisen in der Regel mehrere Eigenschaften auf, die für magnetbasierte AAED-Baugruppen relevant sind:

• Großer Temperatureinsatzbereich: Die Schmierstoffe decken einen breiten Temperaturbereich ab – von niedrigen Temperaturen bis hin zu Hochtemperaturbereichen in der Nähe von Triebwerken oder Leistungselektronik.

• Chemische Inertheit: Diese ist besonders wichtig, wenn Schmierstoffe mit Kraftstoffen, Hydraulikflüssigkeiten oder Enteisungsmitteln in Kontakt kommen können.

• Geringe Ausgasung: Dies ist eine wichtige Anforderung bei geschlossenen Mechanismen oder Anwendungen im Weltraum, bei denen sich flüchtige Verbindungen auf optischen Komponenten oder Sensoren niederschlagen könnten.

• Lange Nachschmierintervalle: Viele abgedichtete Lager und Getriebesätze in magnetbetriebenen Aktuatoren sind nach der Endmontage praktisch nicht mehr zugänglich.

AAED-Ausrüstung benötigt somit nicht nur einen zuverlässigen Magnetklebstoff, der den Magneten sicher an seiner Position hält. Auch für die umliegenden Lager, Zahnräder und Dichtungen muss der richtige Schmierstoff ausgewählt werden. Die Beschaffung von Klebstoff- und Schmierstofftechnologien bei einem einzigen technischen Partner vereinfacht daher die Qualifizierung und bündelt die Lieferkette.

Als Lieferant für die Luft- und Raumfahrt ist tewipack seit Dezember 2022 nach EN 9120:2018 zertifiziert. Die branchenspezifische Qualitätsmanagementnorm ergänzt die Anforderungen der ISO 9001 und unterstreicht unseren hohen Qualitätsanspruch bei der Bereitstellung von Produkten und Lösungen für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.

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