Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Systematisierung einer rechnergestützten Auswertemethode zur Versagensanalyse geklebter Verbindungen

In einem klebtechnischen Verbundsystem wirken im Betrieb äußerst komplexe Beanspruchungszustände. Um den Anforderungen einer sicheren Auslegung des Verbundes gerecht werden zu können, ist die zerstörende Prüfung von Prüfkörpern oder Bauteilen unter realitätsnahen Beanspruchungen unabdingbar. Neben den ermittelten Verbundfestigkeiten, liefert die qualitative Beschreibung und die quantitative Einteilung der Bruchflächen in die verschiedenen Versagensarten ein relevantes Qualitätskriterium. In dem IGF-Projekt-Nr. 19714 BG wurde auf Basis der Richtlinie DVS-3302 ein rechnergestütztes Softwaretool sowie ein Demonstrator eines Aufnahmesystems zur Differenzierung der Versagensanteile entwickelt. Als größte technische Herausforderung sind hier die Einflüsse der plastischen Fügeteildeformation, der geometrischen Entzerrung, der automatisierten Erkennung der Bruchflächen und des fehlenden Kontrasts zwischen Klebstoff und Fügeteilen auf die Klassifikation der Versagensanteile zu nennen. Durch die Systemerweiterung um eine 3D Betrachtung, lassen sich weitere Merkmale wie die Bruchflächentopographie und –struktur erfassen und die genannten Einflüsse auf die Varianz weiter minimieren. Daher soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein Verständnis für die grundlegenden Versagensmechanismen in Abhängigkeit der äußeren Betriebseinflüsse ermittelt werden, um dies durch die Definition von Versagenskriterien in die entwickelte Methode zu integrieren. KmU wird dadurch ermöglicht ihre Fachkenntnisse zu den Versagensmechanismen von Klebverbindungen zu erweitern. Die Übertragbarkeit der Methode auf realitätsnahe Beanspruchungszustände wird anhand von bauteilähnlichen Prüfkörpern sichergestellt. Die Erarbeitung eines Richtlinienentwurfs und die Bereitstellung einer objektiven Bewertungsmethode zur qualitätssichernden Versagensanalyse von Klebverbindungen versetzt besonders kmU in die Lage sichere Klebverbindungen auszulegen und ihre Fachkompetenzen zu erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

Die optische Bewertung von Bruchbildern ist essentieller Teil der Qualitätssicherung durch zerstörende Prüfungen von Verbundklebungen. Neben der Bestimmung der anteilig auftretenden Versagensarten zeigen Klebbruchflächen durch die beim Bruch entstehende Topografie außerdem, welche Belastungen zum Versagen der Klebschicht führten.

In diesem Projekt wurden Einflussfaktoren auf die Robustheit der rechnergestützten Bruchbildanalyse identifiziert und bewertet. Dabei wurden prüftechnische und systemspezifische Einflüsse differenziert. Aufbauend auf dem Vorprojekt wurde das Analysetool weiterentwickelt, indem eine Topografieerfassung hinzugefügt wurde. Dadurch ist es nun möglich, sowohl 2D- als auch 3D-Daten zur Auswertung zu verwenden und somit die Bruchflächen noch präziser zu quantifizieren. Darüber hinaus können durch einen entsprechenden Algorithmus Bauteilverformungen ermittelt und in der Beurteilung berücksichtigt werden. Im weiteren Verlauf wurden Schadensanalysen an idealsteifen Probenkörpern unter Variation der Prüfgeschwindigkeit und der Prüftemperatur durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Einfluss der Prüftemperatur auf das mechanische Verhalten des Klebstoffes sowie auf die Ausprägung des Bruchbildes stärker ist, als der Einfluss der Prüfgeschwindigkeit. Eine Differenzierung der Belastungsrichtung ist durch die Betrachtung des Bruchbildes ebenfalls gut möglich. Es stellte sich allerdings heraus, dass für diese Betrachtung die Makroskopie der mikroskopischen Analyse zu bevorzugen ist. Vor allem bei modifizierten Klebstoffen ist eine punktuelle Betrachtung der Bruchfläche, aufgrund unterschiedlicher Phasen, nicht zielführend. Zur Validierung der Erkenntnisse wurden bauteilähnliche Probenkörper mit unbekannten Spannungszuständen zerstörend geprüft und anhand der Bruchflächenanalyse ausgewertet. Als Abschluss des Projektes wurde ein Demonstrator zur Aufnahme von 2D- und 3D Daten, der die Versagensanalyse von Klebbruchflächen ermöglicht, entworfen und umgesetzt.