Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Auslegungsmethode für zyklisch beanspruchte Stahl/CFK-Klebverbindungen unter besonderer Berücksichtigung des Rissfortschritts

Das übergeordnete Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung

eines ganzheitlichen und branchenübergreifenden Vorgehensmodells zur Auslegung elementar geklebter Stahl/CFK-Mischbauverbindungen. Dabei sollen Rissinitiierung und Rissfortschritt unter zyklischer Belastung bei gleichzeitiger Beachtung übergreifender phänomenologischer Bruchflächenanalysen besondere Berücksichtigung finden. Der Lösungsweg soll durch die Korrelationsbildung zwischen dem Projekt P 961 an quasistatisch-zügigen Untersuchungen zu den zyklischen Versuchen im geplanten Forschungsvorhaben beschritten werden und wird damit ein ganzheitliches und anwendungsrelevantes Vorgehensmodell für Stahl/CFK-Mischbauverbindungen für KMU darstellen. Der Nutzen für KMU besteht u.a. in der im Projekt erarbeiteten, branchenübergreifend verwendbaren Anwendungs- und Auslegungsrichtlinie. Anwender aus verschiedensten Branchen, wie z.B. Ingenieurbüros und -dienstleister, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie Fahrzeugbau und der Automobilzulieferindustrie, welche insgesamt vornehmlich durch KMU geprägt sind, sind erstmals in der Lage, den Einfluss von CFK-Werkstoffen auf das Klebstoffverbindungsverhalten einer geklebten Stahl/CFK-Konstruktion anhand einfacher Laborproben zu untersuchen und diese Eigenschaften unter Variation der Belastungsart und –richtung bei der Auslegung der Konstruktion zu berücksichtigen.

Ergebniszusammenfassung:

Hochfeste Stähle eignen sich für den werkstoffbasierten Leichtbau mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) für unterschiedliche Branchen im Transportwesen und im Maschinenbau. Der Leichtbauwerkstoff CFK ist aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften und seines geringen Gewichts ein etablierter Werkstoff, der innovative Konstruktionen zur Erfüllung hoher Ansprüche an Design, Sicherheit und Komfort ermöglicht und nicht zuletzt durch Gewichtsreduzierungen effizientere Bauweisen im Transportwesen realisiert. Die relativ hohen Kosten dieses Werkstoffes erfordern den wirtschaftlichen Einsatz von CFK dort, wo sein spezifisches Leichtbaupotential effektiv ausgenutzt werden kann. In Verbindung mit hochfesten Stählen lassen sich so leichte und sichere Strukturen wirtschaftlich herstellen.

Eine auf die Gesamtbauteilkonstruktion von dünnwandigen Stahl/CFK-Strukturen angepasste Auslegung geklebter Bauteile und die dadurch realisierbare Versagensvorhersage ermöglicht sowohl Herstellern als auch Anwendern eine Verkürzung der Entwicklungszeit. Diese sowohl grundlagenbasierten als auch anwendungsrelevanten Untersuchungen können gerade KMU die Entwicklung, den Aufbau und die Durchführung material- und zeitaufwändiger und damit kostenintensiver Versuchsreihen für sowohl quasistatisch-zügige, zyklische als auch dynamische Versagensvorhersagen ersparen. Durch die Erarbeitung und anschließende Bereitstellung eines Prüfkonzepts für Stahl/CFK-Strukturen und Klebschichten aus kalt aushärtenden Klebstoffen werden Ingenieurbüros, denen größtenteils KMU angehören, in die Lage versetzt, neben dem reinen Klebstoffversagen auch das unterschiedliche Versagen von CFK, wie inter- oder intralaminares sowie Grenzschichtversagen,

auszulegen. Darüber hinaus werden den Anwendern Empfehlungen bezüglich der Gestaltung von Stahl/CFK-Bauteilen im Bereich der Fügezone gegeben, sodass bereits frühzeitig konstruktive Maßnahmen in der Produktentwicklung berücksichtigt werden können.