Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Messmethode zur Bestimmung der Spannungsverteilung bei belasteten flexiblen Klebverbindungen mithilfe von in-situ Röntgen-Tomographie.

Getrieben durch den Leichtbau steigt die Anzahl von Klebverbindungen in der Industrie stetig an. Doch eine mathematische Auslegung dieser Verbindungsart ist aktuell noch relativ ungenau.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine neue mehrdimensionale in-situ CT-Messtechnik als unterstützende Methode zur Beschreibung der Kunststoffklebschicht zu entwickeln. Hierzu werden die Verformungen von Klebverbindungen unter definierter Last in-situ mittels CT vermessen. Die Verformung gibt Aufschluss über vorherrschende Spannungen. Die Kenntnis über diese mit den entsprechenden geometrischen Dimensionen soll letztendlich als Grundlage für Simulationen von Klebverbindungen bei komplexen Geometrien während der Produktentwicklung eingesetzt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, werden während des Projektes am SKZ industriell relevante Klebstoffe und Substrate ausgewählt und charakterisiert. Aus den Klebstoffpaarungen werden Prüfkörper hergestellt, die mittels in-situ CT bei mehreren Belastungen am IIS untersucht werden. Abschließend werden in den Messergebnissen die Schichtdicken der verschiedenen Klebphasen bestimmt und für validierende Simulationen vorbereitet.

Gerade durch die Optimierungen der Simulationsmodelle werden die Entwicklungszeiten von Kunststoffbauteilen, die geklebt werden, deutlich reduziert. Diese kürzeren Entwicklungszeiten gepaart mit wenigen Entwicklungsversuchen und Reduktion von Ausschuss sorgen somit zukünftig für eine gesteigerte Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bei den herstellenden kleinen und mittelständischen Unternehmen.

Die wirtschaftlichen Vorteile der gewonnenen Erkenntnisse bzgl. Der Eigenschaften von Klebverbindungen unter Last sowie die Auslegung und Simulation der Verbindung lassen eine große Verbreitung der Ergebnisse, insbesondere in KMU (wie z. B. Konstruktionsbüros) erwarten. Die Erkenntnisse des Forschungsvorhabens werden fortlaufend in Vorführungen, Seminaren und Tagungen der Industrie bekannt gegeben.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden erstmals Erkenntnisse über die lokale Raum-aufgelöste Verformung in Klebschichten gewonnen. Das

vorliegende Forschungsvorhaben untersuchte die lokale Deformation von Klebverbindungen, um Rückschlüsse

auf die Materialeigenschaften einer sog. Interphase auszuarbeiten. Ziel war es eine neue mehrdimensionale

in-situ CT-Messmethodik zu entwickeln und zu bauen, mit welcher die Messung der lokalen Verformungen von

diversen Klebverbindungen unter definierter Last ermöglicht wird.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde deshalb zunächst ein solches in-situ CT-Messgerät mit einer

Voxelauflösung von unter 10 µm für den herkömmlichen Zugscherversuch in Anlehnung an DIN EN ISO 1465

konstruiert und gebaut. Parallel dazu wurde eine Software zur Auswertung der Messdaten mittels digitaler

Volumenkorrelation programmiert. Insgesamt wurden vier verschiedene vorwiegend elastische

Polyurethan-Klebstoffe mittels in-situ CT untersucht, die lokalen Deformationen bei Belastung bestimmt und die

daraus resultierenden Schubdehnungen bestimmt. Es zeigte sich, dass am Rand der Klebschicht, also in der

Nähe der Fügeteile, geringe Schubdehnungen auftraten, während in der Klebschichtmitte die höchsten

Schubdehnungen verzeichnet wurden. Dies kann u. a. auf die Bildung einer Interphase mit unterschiedlichen

Materialeigenschaften im Vergleich zum Klebstoff-Bulk hinweisen. Es konnte hingegen nicht gezeigt werden, dass

die gemessenen lokalen Verformungen Aufschluss über örtlich vorherrschende Spannungen im Klebstoff geben.

Innerhalb der Arbeit konnten somit einige wertvolle Erkenntnisse über die Verformungs-Messung von Klebstoffen

mittels in-situ CT während der Belastung gewonnen werden. Kleine und mittlere Unternehmen aus dem Bereich

der klebtechnischen Anwender und Klebstoffhersteller können die Projektergebnisse bereits jetzt für die

Weiterentwicklung ihrer Produkte verwenden.