Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lokales Konzept zur Auslegung von elastischen Klebverbindungen

Die Auslegung elastischer Klebungen erfolgt derzeit hauptsächlich nach dem sogenannten Nennspannungskonzept. Diese Art der Auslegung ist vom rechnerischen Aufwand her relativ einfach, die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Geometrien ist jedoch nicht gegeben, da Spannungs- bzw. Dehnungszustände nicht mit einer hohen örtlichen Auflösung detektiert werden können.

Im Rahmen des Forschungsprojektes LOKAL wird daher eine Methode für die lokale Verformungsanalyse elastischer Klebverbindungen entwickelt. Ziel ist es, diese Methode zur direkten hochaufgelösten Dehnungsmessung in Klebschichten zu erforschen und dadurch neue Auslegungsmöglichkeiten von Klebungen zu eröffnen, wodurch der experimentelle Aufwand zur Kennwertermittlung erheblich reduziert wird. Das aus den Ergebnissen resultierende bessere Materialverständnis schafft neue, bessere Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten. Dazu wird die am Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig (ifs) erforschte Methode auf Basis der in-situ Computertomographie so eingesetzt bzw. weiterentwickelt, dass eine Messung an verschiedenen Klebungen bei unterschiedlichen Beanspruchungen möglich ist. Gleichzeitig wird durch das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn (LWF) eine Simulationsmethodik entwickelt, die die experimentelle Kennwertermittlung unterstützt bzw. die Korrelation von lokalen Dehnungs- mit lokalen Spannungszuständen ermöglicht.

Langfristiges Ziel ist es, daraus ein Auslegungstool zu entwickeln, das dem kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) direkt zur Verfügung steht und die derzeit noch aufwändige Kennwertermittlung signifikant reduziert. Die verwendete Methode ist dabei deutlich genauer und auch übertragbarer als das heutige Nennspannungskonzept. Das erhaltene Tool erspart dem KMU die rechen- und somit zeitintensiven FE-Berechnungen, welche derzeit als Voruntersuchungen den jeweiligen Auslegeprozessen vorgeschaltet werden müssen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des oben genannten Forschungsvorhabens wurde die erfolgreiche Erarbeitung und Validierung einer Methodik zur direkten hochaufgelösten Messung lokaler Verschiebungen im Inneren von mit Markerpartikeln gefüllten Klebstoffen mittels in-situ Computertomografie (CT) Messungen erzielt. Hiermit einhergehend sind die CT Messtechnik sowie eingesetzte Messaufbauten optimiert worden.

Es konnte aufgezeigt werden, dass sich das Materialverhalten, der im Projekt ausgewählten PU Klebstoffe, mittels des MARLOW Modells simulativ beschreiben lässt. U.a. konnte das Klebstoffverhalten an schubdominierten einfach überlappten Zugscherproben und querkontraktionsbehinderten Kopfzugproben im Bereich kleiner bis mittlerer Deformationen mit einer hohen Prognosegüte vorhergesagt werden. Die generierten FEM-Modellen zur Berechnung elastischer Klebstoffe unter ausgewählten Beanspruchungsarten wurden mit Hilfe der entwickelten Methodik durch den Abgleich von mittels in-situ CT experimentell ermittelten dreidimensionalen Verschiebungsfeldern verifiziert und validiert. Dafür wurde zur Auswertung der CT Messungen ein geeigneter Algorithmus zur Partikelverfolgung verwendet. Der Vergleich zwischen den an der Oberfläche und im Volumen der Klebschicht gemessenen Verschiebungen mittels in-situ CT Messungen und numerisch berechneten Verschiebungen konnte eine sehr gute Übereinstimmung demonstrieren.

Die aufgezeigte Berechnungsmethode kann für die lokale Spannungs- und Verformungsanalyse des zeitlich mechanischen Klebstoffverhaltens genutzt werden. Die von den Forschungseinrichtungen ermittelten und validierten Parametersätze bzw. Simulationsmodelle zur Analyse von Klebverbindungen können direkt von KMU, wie Herstellern von Software zur Berechnung von Klebverbindungen, genutzt werden. Auch können die hinsichtlich der eingesetzten CT Messtechnik angewendeten Optimierungsmaßnahmen direkt adaptiert werden.