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Simulieren und Kleben von Organoblechverbindungen

Versuchsaufbau mit optischer Messung des Verschiebungsfeldes auf dem Organoblech (Bild: SKZ – Das Kunststoff Zentrum)

29.10.2021 Simulieren und Kleben von Organoblechverbindungen

Verschiedene Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung im Vergleich

von M. Sc. Julian Hesselbach (SKZ-KFE gGmbH), Dr. Eduard Kraus (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr. Benjamin Baudrit (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr. Thomas Hochrein (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Professor Dr. Martin Bastian (SKZ – Das Kunststoff-Zentrum), Dr. Olaf Hesebeck (Fraunhofer IFAM), Dr. Vinicius Carrillo Beber (Fraunhofer IFAM)

Essenziell für eine zuverlässige Klebung von Organoblechen ist die Oberflächenvorbehandlung, wobei in dem hier beschriebenen Projekt verschiedene Verfahren verglichen wurden. Die optimale Oberflächenvorbehandlung wirkt sich auch auf die Langzeitbeständigkeit der Verbindungen aus, welche hier in Schnellalterungstests untersucht wurden. Der Einsatz in der Leichtbaukonstruktion erfordert die Auslegung der Klebverbindung. Deshalb waren Methoden zur Modellierung und Parameteridentifikation ein weiterer Arbeitsschwerpunkt.

Aufgrund der gegenwärtigen Klimaschutzdiskussion sowie des Elektromobilitätstrends wird seitens der Politik und Wirtschaft stetig der Ruf nach ressourcenschonenden, nachhaltigen sowie innovativen Materialien und Prozessen lauter [1, 2]. Branchenübergreifend scheinen u.a. vollständig imprägnierte und konsolidierte, endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix diesen Ansprüchen gerecht zu werden. Umgangssprachlich werden diese Faserverbundkunststoffe (FVK) auch als Organobleche bezeichnet, da sie neben einer organischen Matrix die Einsatzmöglichkeit als Ersatz für Metallbleche bieten [3, 4]. Eigenschaften wie hohe Steifigkeit, Festigkeit sowie Energieabsorption bei gleichzeitig geringer Dichte machen diese FVK zu idealen Leichtbauwerkstoffen [5]. FVK mit thermoplastischer Matrix auf Basis von Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA) werden z.B. zunehmend im Leichtbau von Automobilen und Schienenfahrzeugen eingesetzt. Häufig besteht der Bedarf Bauteile aus diesen Werkstoffen mit Bauteilen aus anderen Werkstoffen – oft Metallen wie Aluminium – zu kombinieren.

Dazu ist eine Fügetechnik notwendig, mit der sich die beiden Werkstoffe verbinden lassen. Die üblicherweise eingesetzten punktförmigen Verbindungen wie Schrauben, Nieten oder Clinchen verursachen bei Organoblechen erhebliche Spannungskonzentrationen sowie unerwünschte Faser- und Zwischenfaserbrüche an der Verbindungsstelle und führen zu einer Reduktion der Tragfähigkeit. Durch angepasste Nietverfahren oder thermisches Direktfügen kann dies teilweise umgangen werden. Gleichartige Organobleche können zudem auch gut geschweißt werden. Alle diese Fügemethoden können aber nur bedingt Bauteiltoleranzen ausgleichen sowie Unterschiede im Wärmedehnungsverhalten teils schlecht kompensieren. Das Kleben kann diesen Anforderungen dahingehend gerecht werden.

Aus diesem Grund forschten mehrere Unternehmen an einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr.: 19609 N) zum Thema: „Geklebte langzeitstabile Organoblech- Aluminium-Knotenverbindungen und deren Berechnung mit einem erweiterten Arruda-Boyce-Werkstoffmodell“ [6]. Das Projektziel bestand darin, Methoden zur langzeit- und alterungsstabilen Fertigung und zur Berechnung mehrlagiger, strukturell geklebter Knotenverbindungen von Organoblechen untereinander und mit Aluminium zu entwickeln. Dieses Ziel konnte mit hochsteifen hyperelastischen Klebstoffen erreicht werden. Dazu musste durch die Oberflächenvorbehandlung sichergestellt werden, dass die Verbindungen kohäsiv im Klebstoff versagen. Dazu wurden diverse physikalische Oberflächenvorbehandlungsverfahren angewandt und entsprechend ihrer Wirkung auf die Benetzbarkeit quantifiziert. Klebverbindungen mit hyperelastischen Klebstoffen bilden nur relativ geringe Spannungsüberhöhungen aus und ermöglichen somit über die flächige Lasteinleitung die Übertragung relativ hoher Lasten [7]. Gleichzeitig kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügeteile, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Δα-Problematik), durch das gute Toleranzverhalten der Klebstoffe ausgeglichen werden.

Die in einer mehrlagigen Knotenverbindung und in beliebigen Klebnahtverläufen komplexe Beanspruchung wurde über ein visko-hyperelastisches Werkstoffmodell berechnet. Es erfolgte außerdem eine Modellerweiterung zur Beschreibung des mechanischen Versagens.

Des Weiteren wurden zwei verschiedene Fügeverfahren (Schweißen und Kleben) in ihrer Anwendung auf Organobleche systematisch untersucht und entsprechend bewertet. Hierbei wurden die Möglichkeiten und Grenzen dieser beiden Verfahren in Bezug auf untersuchte Materialien aufgezeigt und Empfehlungen für eine sichere Verarbeitung von thermoplastischen FVK generiert. In diesem Artikel liegt der Fokus auf dem Kleben.

Lösungspartner

SKZ – Das Kunststoff-Zentrum
Fraunhofer IFAM
Fraunhofer IFAM

 

Zielgruppen

Einkauf, Konstruktion & Entwicklung, Produktion & Fertigung, Qualitätssicherung