Geklebte Strukturen

Klebtechnik für neue Werkstoffkombinationen und tragfähige Strukturen

Moderne Leichtbauweisen haben den Fahrzeugbau in der jüngeren Vergangenheit revolutioniert. Ob Schiffe, Flugzeuge, Automobile oder Schienenfahrzeuge oder der schwere Stahlbau: Die Verwendung der bestgeeigneten Werkstoffe führte zu bemerkenswerten Verbesserungen bei Performance, Gewicht, Gestalt, Sicherheit und Komfort. Gleichzeitig wurden Kosteneinsparungen erzielt. Die Klebtechnik ermöglicht nun neue Werkstoffkombinationen und lässt bislang nicht realisierbare Werkstoffkombinationen zu – in der Verkehrstechnik beispielsweise die Verbindung von Glas und Stahl, Aluminium und Magnesium oder von Faserverbundwerkstoffen mit Metall.

Außerdem lassen sich über den Klebstoff zusätzliche Funktionen integrieren, etwa Vibrationsdämpfung, elektrische Isolation oder Korrosionsschutz. Ebenso führt diese äußerst flexibel einsetzbare Fügetechnik zu einer wesentlichen Erhöhung der Steifigkeit von Fahrzeugen. Dabei halten die Klebverbindungen heute höchsten Anforderungen stand und lassen sich hervorragend mit mechanischen Fügeverfahren wie Durchsetzfügen, Nieten, Schrauben und auch Punktschweißen kombinieren. Das Fraunhofer IFAM berät umfänglich zu den unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten und verfügt über die Expertise sowie die Ausstattung derartige lastübertragende Klebverbindungen zu prüfen.

Numerische und experimentelle Nachweisführung geklebter Strukturen

 

Die Nachweisführung bei geklebten Strukturen erfordert aufgrund der spezifischen Werkstoffeigenschaften der Klebstoffe und der besonderen Werkstoffanstrengung in der Klebfuge klebspezifische Vorgehensweisen. Wir setzen hierfür sowohl numerische als auch experimentelle Methoden ein. Dabei steht ein akkreditiertes Werkstoffprüflabor mit Einrichtungen zur Simulation von Klima- und Umwelteinflüssen zur Ermittlung von Werkstoff-, Klebstoff- und Verbundkennwerten zur Verfügung.   

Für die rechnerische Nachweisführung werden vereinfachte mathematische Modelle und die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt. Es stehen klebstoffspezifische Werkstoffmodelle und Modellierungstechniken bereit, die Besonderheiten von Klebfugen berücksichtigen. Für die Bemessung der Klebfuge werden Methoden verwendet, die unterschiedliche Belastungsarten, wie z.B. Schwing- und Kriechbeanspruchung sowie Relaxation in der Klebfuge bei Feuchte und Temperatur berücksichtigen. Mit Unterstützung des angegliederten Werkstoffprüflabors können Materialkarten für FE-Programme (ABAQUS, LSDyna, etc.) erstellt werden.

 

Kombinierte Fügeverfahren (Hybridfügen)

 

Kleben wird häufig mit einem zweiten Fügeverfahren zum sog. Hybridfügen kombiniert. Beispiele sind hier Kleben und Punktschweißen oder Kleben und Nieten. Bei einer Kombination von mehr als einer Fügetechnik sollte jedem Fügeverfahren eine eindeutig definierte Teilmenge der zu erfüllenden Funktionen zugeordnet werden, um ihre Erfüllung überprüfen zu können. Hierzu setzt das Fraunhofer IFAM unterschiedliche Methoden und Verfahren ein. So steht u. a. ein Nietautomat zur Fertigung von kombinierten Metall-FVK-Klebnietverbindungen zur Verfügung. Darin können Fertigungseinflüsse experimentell simuliert und Prozessparameter ermittelt werden. Für kombinierte Fügeverfahren werden außerdem numerische Methoden zur Simulation des mechanischen Verhaltens und der Fertigungseinflüsse eingesetzt.

Akkreditiertes Werkstoffprüflabor

 

Das Fraunhofer IFAM verfügt über ein nach DIN EN ISO 9001:2000-12 zertifiziertes Werkstoffprüflabor, in dem nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005 akkreditierten Versuche durchgeführt werden.

Verfügbar sind elektromechanische Prüfmaschinen bis 120 kN mit Einrichtungen zur Simulation von Klima- und Umwelteinflüssen zur Ermittlung von Werkstoff-, Klebstoff- und Verbindungskennwerten. Einachsige und mehrachsige servohydraulische Prüfmaschinen bis 400 kN ermöglichen die Messung der Schwing- und Betriebsfestigkeit von Komponenten sowie geklebten und hybridgefügten Verbindungen und Bauteilen.

Die gleichzeitige Beanspruchung durch Temperatur, Feuchte und korrosive Medien ist ebenfalls möglich. Zur Messung von Feindehnungen verfügt das Labor über inkrementelle Wegtaster, Ansetzdehnungsaufnehmer und Dehnungsmessstreifen sowie optische, berührungslose 1D - 3D Messsysteme, mit denen auch eine ortsaufgelöste Messung möglich ist.

Prüfeinrichtungen für Prüfgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s ermöglichen die Prüfung von Kleb- und Hybridverbindungen unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten (Crash) im Temperaturbereich von -60 °C bis 120 °C.

Die Einrichtungen werden zur experimentellen Simulation von Temperatur-Beanspruchungs-Zeitverläufen von Kleb- und kombinierten Verbindungen während der Fertigung verwendet.

Kleben von Strukturen der Bauwirtschaft

 

Nach der Verpackungsindustrie ist die Bauwirtschaft zweitgrößter Anwender von Klebstoffen. Kein modernes Gebäude lässt sich ohne den Einsatz von Klebstoffen realisieren. Neben den zahlreichen Anwendungen im Innenausbau, wie Teppichen, Fliesen oder Trockenbau, sind Klebungen im Bereich der Fenster, das Kleben von Holz und Glas im Fassadenbau und der Wärmedämmung für die funktionelle Gestaltung eines Gebäudes erforderlich.

Das Fraunhofer IFAM erforscht die Erweiterung der derzeitigen Anwendungen des Klebens in der Bauwirtschaft hinein in Bereiche, die zuvor anderen Fügetechniken oder Materialien vorbehalten waren. So wurde gezeigt, dass sich die extrem hohen Lasten des schweren Stahlbaus vorteilhaft über Klebverbindungen ableiten lassen, obwohl übertragbare Kräfte in den Bereich Meganewton hineinreichen. Analog arbeitet das Fraunhofer IFAM an lastabtragenden geklebten Verbindungen für den Werkstoff Holz – auch in Kombination mit weiteren Werkstoffen. Hierbei werden neben den statischen Lasten auch Einflüsse wie Temperatur und Feuchtigkeit berücksichtigt.

Neben der Auswahl von geeigneten Klebstoffen und der Entwicklung von baustellengerechten Klebprozessen arbeitet das Fraunhofer IFAM auch an der Auslegung und normgerechten Berechnung von geklebten Anschlüssen und Strukturen.