Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenentwicklung zur Langzeitprognose von Klebverbindungen bei kombinierter Temperatur- und Medieneinwirkung

Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Problematik, dass sich die mechanischen Eigenschaften einer Stahlklebverbindung infolge jahrelanger hygrothermomechanischer(htm) Belastung verändern. Dieser als Alterung bezeichnete Prozess führt zur Verminderung der Festigkeit und vorzeitigem Versagen. Bislang existieren zur Prognose der Alterungsbeständigkeit von Stahlklebverbindungen keine etablierten Methoden. Mit dem Forschungsvorhaben wird deshalb die Entwicklung eines Konzepts angestrebt, mit dem KMUs das Langzeitverhalten und die Alterung infolge htm-Belastung charakterisieren und die Lebensdauer der Klebverbindung prognostizieren können. Bei der Methodenentwicklung wird der Alterungsfortschritt experimentell untersucht und mathematisch modelliert. Im Anschluss an die Bestimmung des Diffusions- und Wärmeleitkoeffizienten des Klebstoffs werden die Einflüsse von Feuchtigkeit, Temperatur und mechanischer Belastung analysiert. Hierfür werden Grundversuche durchgeführt. Die Testdaten werden mit einer htm-Zustandsgleichung und Zeitstanddiagrammen ausgewertet. Mit den Erkenntnissen wird ein Materialmodell auf Basis von Rheologie und Kontinuumsschädigungsmechanik entwickelt. Die Gleichungen für das effektive Materialverhalten werden mit einem Ansatz vervollständigt, der aus einem Kriech- und einem chemischen/physikalischen Beitrag zur Modellierung der Schädigung besteht. Die Modellparameter werden an Grundversuchen identifiziert. Das Modell wird in die FE-Software LS-DYNA implementiert und anhand von Tests der Probekörper validiert. Bei den FE-Berechnungen wird die Analogie des Diffusions- und Wärmeleitproblems ausgenutzt. Nach Entwicklung und Aufbau eines Universalprüfstands können unterschiedliche htm-Beanspruchungen unabhängig voneinander gezielt aufgebracht werden, um die abschließende Validierung an einem bauteilähnlichen Prüfkörper durchzuführen. Damit werden KMU in die Lage versetzt, Klebverbindungen unter htm-Beanspruchungen auszulegen und einzusetzen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsvorhaben befasste sich mit der Problematik, dass sich die mechanischen Eigenschaften einer Stahlklebverbindung durch chemische und physikalische Vorgänge infolge jahrelanger hygrothermomechanischer (htm-)Belastung verändern. Bislang existieren zur Prognose der Alterungsbeständigkeit von Stahlklebverbindungen keine etablierten Methoden. Mit dem Forschungsvorhaben wurde deshalb die Entwicklung eines Konzepts angestrebt, mit dem KMUs das Langzeitverhalten und die Alterung infolge htm-Belastung charakterisieren und die Lebensdauer der Klebverbindung prognostizieren können. Bei der Methodenentwicklung wurde der Alterungsfortschritt experimentell untersucht und mathematisch modelliert. Im Anschluss an die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten des Klebstoffs wurden die Einflüsse von Feuchtigkeit, Temperatur und mechanischer Belastung auf die Alterungsbeständigkeit analysiert. Hierfür wurden Grundversuche durchgeführt, bei denen sich die Prozessparameter quasi-homogen in der Klebschicht einstellen ließen.

Mit den Erkenntnissen wurde ein Materialmodell auf Basis von Rheologie und Kontinuumsschädigungsmechanik entwickelt. Die Gleichungen für das effektive Materialverhalten wurden mit einem Ansatz vervollständigt, der aus einem Kriech- und einem chemischen/physikalischen Beitrag zur Modellierung der Schädigung infolge mechanischer Last bzw. Temperatur und Medieneinwirkung besteht.

Das Modell wurde in die FE-Software LS-DYNA implementiert und zunächst anhand von Tests der Probekörper im ungesättigten Zustand validiert. Nach Entwicklung und Aufbau eines Universalprüfstands konnten unterschiedliche htm-Beanspruchungen unabhängig voneinander gezielt aufgebracht werden, um die abschließende Validierung an einem bauteilähnlichen Prüfkörper durchzuführen. Die Verbesserung von materiellen, geometrischen und verfahrenstechnischen Größen führt zu einem optimalen Leichtbau. Durch die Methode können KMUs das Langzeitverhalten von Klebverbindungen genauer vorhersagen.