Beschreibung
P 961 – Beanspruchungs- und fertigungsgerechtes Kleben von Faserverbundkunststoffen im Multi-Material-Design
Aufgrund der umweltpolitischen Forderung nach Ressourcenschonung steht der Leichtbau bewegter Massen derzeit im Fokus von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Ein in diesem Zusammenhang effizientes Konzept des Leichtbaus ist die Mischbauweise [MüI11, Hah11]. Der Schlüssel für die Umsetzung dieser intelligenten Leichtbaukonzepte für zukünftige Hochleistungsstrukturen ist die Klebtechnik. Das Verfahren bietet im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren die Möglichkeit, hybride Leichtbaustrukturen aus verschiedenartigen Werkstoffen, wie das Beispiel in Abbildung 1 anhand der Karosseriestruktur des BMW i3 verdeutlicht, aufzubauen, wobei werkstoffspezifische Einschränkungen berücksichtigt werden können. Aufgrund der flächigen und gleichmäßigen Kraftübertragung werden Belastungen dabei so in das Bauteil eingeleitet, dass das Potential auch thermischoder kerbempfindlicher Werkstoffe optimal ausgenutzt werden kann.
Der aktuelle Stand der Erkenntnisse, welcher in zahlreichen erfolgreichen Forschungsvorhaben in den vergangenen Jahren insbesondere im Rahmen der BMWE-IGF-Aktivitäten des Gemeinschaftsausschusses Klebtechnik erarbeitet wurde, bildet eine solide Basis dafür, die Klebtechnik als elementare Fügetechnik, das heißt ohne zusätzliche Absicherung durch weitere Verbindungstechniken, in strukturellen und hochbeanspruchten Leichtbaustrukturen zu qualifizieren. Eine solche Qualifizierung elementar geklebter Strukturen für den Stahl/CFK-Mischbau erfordert jedoch Entwicklungs- und Forschungsarbeiten mit unterschiedlichen Schwerpunkten, um zum einen den Klebprozess und zum anderen die Qualität sowie die Beständigkeit der Klebungen abzusichern.
Im Karosserierohbau werden hauptsächlich Einkomponenten-Klebstoffe eingesetzt, deren Festigkeitsaufbau erst bei erhöhten Temperaturen im Trocknungsofen der kathodischen Tauchlackierung (KTL) beginnt. Im kalten Karosseriebau nach dem KTL-Bad werden KTL-beschichtete oder weitergehend lackierte Bauteile mittels ein- oder zweikomponentiger Klebstoffe geklebt, die ohne zusätzlichen Wärmeeintrag bereits bei Raumtemperatur aushärten [Has06]. Der Wegfall von investitionsintensiven Härtungsöfen bei kalthärtenden Klebstoffen und die Umgehung der “Delta-Alpha-Problematik”, die beim Fügen artverschiedener Werkstoffe mittels heißhärtender Klebstoffe auftreten kann, erlaubt eine einfachere Umsetzung neuer Produkte vor allem bei Kleinserienfertigungen, wie zum Beispiel im Anlagenbau. Damit ein geklebtes crashrelvantes Bauteil im Falle eines Unfalls Energie
durch plastische Verformung duktiler Fügepartner absorbieren kann, werden sogenannte crashfeste Klebstoffe eingesetzt, die schlagartigen Belastungen bei verzögertem Risswachstum standhalten [BuS09]. Im Gegensatz zu Kiebverbindungen mit metallischen Fügepartnern, die unter Last kohäsives oder adhäsives Versagen der Klebschicht aufweisen, kann bei Klebverbindungen mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) der Verbundwerkstoff durch Rissbildung in der Oberflächenmatrix versagen. Das Versagensverhalten ist abhängig vom eingesetzten Klebstoff und faserverstärktem Kunststoff (FVK) [ACS10].
Die Besonderheit der FVK liegt in den Fasern, die die Kunststoffe verstärken und dadurch auf ein höheres mechanisches Niveau anheben. Die Kombination von Fasern und Kunststoff und die einhergehende feste Anbindung der Kunststoffmatrix an die Fasern entscheiden über die Leistung des FVK-Bauteils. Ein weiterer Einflussfaktor auf Verbindungseigenschaften ist die Oberflächengüte der zu klebenden Fügezone. Als mechanische Vorbehandlungsmethode findet häufig das Strahlen oder Schleifen Verwendung. Werden Fasern dabei geschädigt, so ist eine homogene Kraftübertragung in der Grenzschicht nicht mehr gewährleistet [AVK10]. Das Ziel des Projektes ist die Ermittlung des Einflusses eines Faserkunststoffverbundes auf die Klebung an einem Stahl/CFK-Verbund unter idealsteifen Bedingungen.
Veröffentlichung:
2015
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, Prof. Dr.-Ing. A. Matzenmiller
