Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung und Berechnung des Versagensverhaltens von Strukturklebungen mit gemischt faserverstärkten Kunststoffen

Das hohe Leichtbaupotential von Faserverbundkunststoffen (FVK), insbesondere in Kombination mit der Fügetechnik Kleben, ist bekannt. Bei Klebverbindungen erfolgt die Lasteinleitung durch die Klebschicht und die Oberflächenharzschicht in die obere Faserlage. Aus diesem Grund stellen die Dicke und die mechanischen Eigenschaften der Deckharzschicht sowie die Orientierung der oberen Lage einen wesentlichen Einfluss auf die übertragbaren Lasten und das Versagensverhalten der Verbindung dar.

Bisher bestehen keine systematischen Untersuchungen zum Einfluss der Faserverbundhalbzeuge und des Lagenaufbaus auf das Versagensverhalten von FVK-Klebungen. Die Beobachtung und bruchmechanische Modellierung des Risspfades war sowohl für homogene Materialien als auch für Klebverbindungen Gegenstand verschiedener Arbeiten. Eine allgemein anerkannte Vorgehensweise zur Vorhersage des Rissverlaufs, deren Gültigkeit an einem Spektrum unterschiedlicher Experimente nachgewiesen ist, existiert jedoch noch nicht.

Bruchvorgänge an Klebverbindungen von Faserverbundlaminaten sind von besonderer Komplexität, da Risse in der Klebschicht, an einer Grenzfläche zwischen Fügeteil und Klebschicht, oszillierend zwischen den zwei Grenzflächen, in der ersten Laminatlage, eine Lage durchtrennend, als Delamination zwischen den Lagen oder in Kombination auftreten können. Insbesondere wenn sich das Laminat selbst noch aus verschiedenen Materialien wie CFK und GFK zusammensetzt, wird eine Festigkeitsvorhersage schwierig. Wünschenswert wäre es, durch konstruktive Gestaltung oder Materialauswahl einen Versgansmechanismus gezielt einstellen zu können. Das beantragte Vorhaben soll hierzu Grundlagen schaffen, indem es Methoden zur rechnerischen Vorhersage der Versagensart entwickelt und zum Verständnis der Einflussfaktoren beiträgt, von denen insbesondere der Einfluss des Laminataufbaus analysiert wird.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt befasste sich mit der experimentellen Untersuchung und numerischen Modellierung des Versagensverhaltens von Klebverbindungen zwischen Faserverbundkunststoffen, um Grundlagen für eine verbesserte Auslegung der Verbindungen zu schaffen. Bei FVK-Klebverbindungen kann eine Vielzahl unterschiedlicher Kombinationen von Bruchvorgängen auftreten wie z.B. kohäsiver Bruch, Delaminationen und Zwischenfaserbrüche.

Zur systematischen Untersuchung wurden drei Klebstoffe und zwei FVK-Materialien (CFK- und CFK/GFK-Mischlaminate) ausgewählt. In Zugscher-, DCB-, ADCB- und ENF-Versuchen wurde der Einfluss diverser Parameter analysiert (Klebschichtdicke, Laminataufbau, Geschwindigkeit, ...). Je nach Klebstoffklasse wurden unterschiedliche Abhängigkeiten des Versagensverhaltens identifiziert und mit mechanischen Kenngrößen in Beziehung gesetzt.

Für die Vorhersage des Bruchverhaltens mittels Finite Elemente Simulation wurden verschiedene Wege verfolgt, die sich in ihrer Komplexität wesentlich unterschieden und von einfachen Spannungsanalysen bis hin zur Rissfortschrittssimulation mit Kohäsivzonenmodellen und XFEM reichten. Für die verschiedenen Ansätze zur Berechnung wurden jeweils ihr Potenzial aber auch ihre derzeitigen Limitationen aufgezeigt. Ein universelles Berechnungsverfahren, dass für alle untersuchten Materialkombinationen und Parameter den Bruchvorgang vorhersagen kann, ist noch nicht verfügbar.

Anwendung finden die Ergebnisse in der Gestaltung von geklebten FVK-Bauteilen. Genutzt werden die Ergebnisse insbesondere von KMU, die sich auf die Entwicklung und Fertigung von FVK-Bauteilen spezialisiert haben, sowie Berechnungsdienstleistern, welche beide im PA aktiv mitgewirkt haben. Durch die Auswahl von Materialien und Parametern war das Projekt auf Klebverbindungen in der Automobilproduktion ausgerichtet, eine Übertragung der Ergebnisse auf andere Branchen ist aber möglich.