Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Berechnung des instationären mechanischen Verhaltens von alternden Klebverbindungen unter Einfluss von Wasser auf den Klebstoff

Aufgrund des günstigen Spannungszustandes in Klebverbindungen ist die Klebtechnik prädestiniert zum Fügen dünnwandiger Leichtbaustrukturen im Fahrzeug- und Anlagenbau. Das sicherheitsrelevante strukturelle Kleben von Primärstrukturen wird in der Regel jedoch vermieden, weil eine Berechnung der Lebensdauer der Klebverbindungen unter Einfluss von Wasser oder anderer Umgebungsmedien bisher nicht möglich ist. Damit werden ressourcenschonende Leichtbaupotenziale verschenkt.

Das hier beantragte Vorhaben untersucht die Alterung von höhersteifen Polyurethan-Klebstoffen, die in Klebungen auf beschichtetem Metall und auf FVK im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Schiffbau, im Schienenfahrzeugbau sowie im Windenergieanlagenbau und der Elektroindustrie eingesetzt werden. Ziel ist die Entwicklung von Methoden, um die Änderung des mechanischen Verhaltens einer unter Feuchteeinwirkung alternden Klebverbindung quantitativ vorherzusagen.

Der einfache Fit der Parameter von empirischen Modellfunktionen mit den Daten einer großen Anzahl von Experimenten an gealterten Proben führt nicht zu übertragbaren, prognosefähigen Modellen des komplexen Phänomens der Alterung. Stattdessen werden im Vorhaben die Prozesse von Weiterreaktion, Weichmachung und chemischer Degradation gezielt erfasst. Für die adäquate Abbildung des Klebstoffverhaltens wird ein mikromechanisches Netzwerkmodell entwickelt, zur Vermeidung von Netzabhängigkeit in der Schädigungsmodellierung dient ein Phasenfeldmodell. Aus diesem detaillierten Modell werden Parameter für ein Kohäsivzonenmodell erzeugt, das die effiziente Simulation der gealterten Klebverbindungen in großen geklebten Strukturen ermöglicht.

Da Finite-Elemente-Simulationen häufig an KMU ausgelagert sind, profitieren diese Berechnungsdienstleister von den entwickelten Berechnungsmethoden. Die Ausweitung des Einsatzes der Klebtechnik in sicherheitsrelevanten Anwendungen führt zu einer Nachfrage nach Berechnung gealterter Klebungen.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Projekt IGF-19730-N wurde ein mikromechanisch motiviertes Modell zur Beschreibung des hyper-viskoelastischen Verhaltens von Polyurethan-Klebstoffen entwickelt, das eine hohe Prognosegüte aufweist und mit wenigen Modellparametern auskommt, die mit Hilfe von einfachen Versuchen bestimmt werden können. Gleichzeitig wurde dieses Modell in Bezug auf den Einfluss der Wasserkonzentration im Klebstoffbulk auf das mechanische Verhalten erweitert. Die Modellparameter wurden für isotherme Bedingungen in Abhängigkeit der Umgebungsfeuchte bestimmt. Mit Hilfe eines Phasenfeldmodells kann außerdem die Schädigung berücksichtigt werden. Das Modelllayout erlaubt eine Erweiterung im Hinblick auf die Berücksichtigung von irreversibler Schädigung z.B. durch chemische Degradation.

Die damit verbundene Möglichkeit, das Langzeitverhalten moderner Klebstoffe unter dem Einfluss von Alterung auf werkstoffphysikalischer Grundlage zu beschreiben, eröffnet mittel- und langfristig ein hohes Innovationspotenzial in allen Wirtschaftszweigen, in denen Leichtbaukonzepte wie z.B. im Automobilbereich zur Anwendung kommen. Weitere konkretisierende Beispiele folgen hier, um den branchenübergreifenden Nutzen zu illustrieren: Im Schiff- und Schienenfahrzeugbau, in denen elastische Dickschichtklebungen auch zum Fügen großer Anbauteile, wie z.B. Dächern, Beplankungen, mittragenden Fensterbändern und vielem mehr eingesetzt werden, kann der Anwendungsbereich auf primärstrukturelle Bauteile erweitert werden. Im Offshore Windanlagenbau gibt es Ansätze, Reparaturmaßnahmen in Bereichen, in denen geschweißte Reparaturen aus Ermüdungsgründen nicht erlaubt sind, zu kleben. In der Raumfahrt finden sich Ansätze klebtechnischer Lösungen. Eine große Rolle spielt dort z.B. der Nachweis der Lagerfähigkeit über mehrere Jahre unter den klimatischen Bedingungen in Kourou, also bei erhöhter Luftfeuchte und erhöhten Temperaturen.