Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Geklebte langzeitstabile Organoblech-Aluminium-Knotenverbindungen und deren Berechnung mit einem erweitertem Arruda-Boyce Werkstoffmodell

Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens besteht darin, Methoden zur langzeit- und alterungsstabilen Fertigung und zur Berechnung mehrlagiger, geklebter Knotenverbindungen von Organoblechen zu entwickeln. Dieses Ziel kann unter Anwendung von höhersteifen hyperelastischen Klebstoffen nur dann erreicht werden, wenn die Oberflächenvorbehandlung sicherstellt, dass die Verbindungen kohäsiv im Klebstoff versagen. Dazu sollen diverse Oberflächenvorbehandlungsverfahren angewendet und entsprechend ihrer Wirkung qualifiziert werden. Die hyperelastischen Klebstoffe ermöglichen dabei über die flächige Lasteinleitung, die aufgrund der relativ geringen Spannungsüberhöhungen möglich ist, die Übertragung relativ hoher Lasten bei gleichzeitig gutem Toleranzverhalten und gutem Verhalten bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügeteile. Die in einer mehrlagigen Knotenverbindung und beliebigen Klebnahtverläufen komplexe Beanspruchung soll über das physikalisch begründete Arruda-Boyce Werkstoffmodell berechnet werden.

Die Arbeitshypothese beinhaltet eine verfahrenstechnisch langzeit- und alterungsstabile Adhäsion des Klebstoffes auf der Oberfläche des Organoblechs. Mit Hilfe der numerischen Modellierung kann dabei das vereinfachte Verhalten der Klebstoffe in jedem statischen Beanspruchungsfall korrekt abgebildet werden. Durch das Sicherstellen eines Kohäsionsbruchs im Klebstoff kann das verwendete Modell um die Berechnung des Versagens (bzw. Rissfortschrittes) erweitert werden. So kann mit Hilfe von Modellrechnungen ein begründeter Sicherheitsfaktor festgelegt werden, der die Ungenauigkeiten des vereinfachten Ansatzes an realen komplexeren Bauteilen berücksichtigt. Mittelfristig können die KMU basierend auf diesen Forschungsergebnissen ein Know-how an ihren eigenen Produkten mit den entsprechenden mechanischen Anforderungen aufbauen, um damit langfristig eine Qualitätssicherung von geklebten FVT-Bauteilen auch bei dynamischen Belastungen zu gewährleisten.

Ergebniszusammenfassung:

Den Fokus dieses Forschungsvorhabens bildete der Erkenntnisgewinn über die Klebeignung und Langzeitbeständigkeit geklebter Organoblechverbindungen. Des Weiteren lag der Fokus auf der Simulation des Verformungsverhaltens und des Versagenskriteriums der Klebverbindung. Es wurden erstmals Wissensdefizite über die geeignete Oberflächenvorbehandlung von Organoblechen geschlossen und die Eigenschaften sowie Fügeprozesse geklebter und geschweißter Organoblechverbindungen direkt miteinander verglichen. Zudem wurden weitere Methoden zur Charakterisierung spezifischer Klebstoffeigenschaften erschlossen. Die damit generierten Werte haben direkt Einzug in das aufgebaute Simulationsmodell erhalten.

Es wurden Klebverbindungen von Organoblechen mit PA66- und PP-Matrix untereinander sowie in Kombination mit KTL beschichtetem Aluminium hierfür betrachtet. Außerdem wurden diese Organobleche auch hinterspritzt und mittels Infrarotschweißen verbunden, um sie mit geklebten Verbindungen vergleichen zu können.

Die Klebversuche erzielten vielversprechende Ergebnisse für eine branchenübergreifende Anwendung von Organoblech-Aluminium-Knotenverbindungen. So lässt sich festhalten, dass Organobleche im unbehandelten Zustand eine unzureichende Klebeignung aufweisen, aber durch geeignete Oberflächenvorbehandlung daran Klebfestigkeiten von über 10 MPa mit guter Alterungsstabilität erzielt werden können. Des Weiteren konnte das aufgebaute Simulationsmodell das Dehnungsverhalten an einem anwendungsnahen Probekörper vorhersagen.