Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenentwicklung zur Versagensanalyse aufgrund der Aushärtung vorgeschädigter Klebverbindungen in stahlintensiven Mischbaustrukturen

Der anhaltende Einzug der metallischen Mischbauweise in die Entwicklung leichter und effizienter Produkte stellt neue Anforderungen an die Auslegung gefügter Mischbaustrukturen mit artverschiedenen Werkstoffen. In diesem Zusammenhang spielen insbesondere Klebverbindungen mit warm härtenden strukturellen 1K-Klebstoffen auf Epoxidharzbasis eine wichtige Rolle, da diese innerhalb des Fertigungsprozesses in der Mischbaustruktur unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die unterschiedlichen thermischen Dehnungskoeffizienten der Fügepartner induzieren dabei eine mechanische Beanspruchung in der Klebschicht, die zur Veränderung der Materialeigenschaften bis hin zur Schädigung führt. Bei einer Folgebelastung der Klebverbindung ist neben der Vorschädigung eine Änderung der Festigkeit in Abhängigkeit der Deformationshistorie während des Fertigungsprozesses zu beobachten. Im Zuge dessen ist die Richtung der Folgebelastung ausschlaggebend für die Beanspruchbarkeit der Klebschicht.

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur Versagensanalyse von Strukturklebverbindungen in metallischen Mischbaustrukturen unter Crashbelastung mit Vorschädigung aufgrund der Aushärtung. Dabei wird der zuvor beschriebene Einfluss aus dem Fertigungsprozess auf die mechanischen Eigenschaften der Klebschicht berücksichtigt. Für eine möglichst genaue Auslegung metallischer Leichtbaustrukturen wird eine verbesserte Prognosegüte für die Crashanalyse angestrebt. Dafür wird eine experimentelle Prüfmethodik entwickelt, welche die relevanten Materialeigenschaften sowohl während des Fertigungsprozesses als auch bei Folgebeanspruchung charakterisiert. Die Erkenntnisse der experimentellen Prüfmethodik dienen der Weiterentwicklung des TAPO Modells, um die Vorschädigung und den Einfluss des Fertigungsprozesses in der Crashberechnung zu berücksichtigen. Damit erhalten Ingenieurbüros – die häufig KMU sind – ein Werkzeug, das Ihnen die optimale Auslegung gefügter Strukturen ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsvorhaben "Methodenentwicklung zur Versagensanalyse aufgrund der Aushärtung vorgeschädigter Klebverbindungen in stahlintensiven Mischbaustrukturen" befasste sich mit der Problematik der fertigungsinduzierten Vorverformungen warmhärtenden Strukturklebstoffen aufgrund thermisch bedingter Relativverschiebungen während des Aushärteprozesses. Bislang existieren keine ganzheitlichen Untersuchungen der dadurch auftretenden Effekte auf die mechanischen Eigenschaften unter anwendungsrelevanten Lastfällen wie dem Crash. Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Erweiterung eines numerischen Materialmodells zur simulativen Abbildung der auftretenden Eigenschaftsänderungen. Zur Charakterisierung des Vorverformungseinflusses wurden Versuche an Grundproben mit variierenden Relativverschiebungen während des Aushärteprozesses durchgeführt. Zusätzlich wurden an bauteilnahen Proben realitätsnahe Weg-Temperatur-Zeitprofile bestimmt, die auf weitere, technologische Proben angewandt wurden. Alle Versuche fanden unter quasistatischer und dynamisch schlagartiger Belastung statt.

Aufbauend auf den experimentellen Ergebnissen wurde das TAPO-Modell der kommerziell erhältlichen FE-Software LS-DYNA dahingehend erweitert, dass die durch die Vorverformungen auftretenden Effekte mit abgebildet werden können. Dies ist durch die Einbindung einer kinematischen Verfestigung und prozessabhängigen Schädigung basierend auf einer Verschiebung der Mittelpunktspannung geschehen.

Die erzielten Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis des Materialverhaltens von Klebstoffen und helfen so dabei einen ressourceneffizienten Leichtbau zu ermöglichen. Weitergehend können KMU durch die experimentellen und simulativen Ergebnisse das Verhalten von Klebverbindungen numerisch genauer vorhersagen.