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Abschluss des Forschungsvorhabens „Methodenentwicklung zur Simulation und Bewertung fertigungs- und betriebsbedingter Klebschichtschädigungen infolge Temperaturwechselbeanspruchung“

Das IGF-ZUTECH-Vorhaben 369 ZN /FOSTA-Nr.: P 878 (Laufzeit: 01.01.2012 - 31.12.2014) wurde von der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. - FOSTA koordiniert und in Zusammenarbeit mit den drei Forschungsstellen Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF Paderborn), Institut für Mechanik (IfM München) und Institut für Mechanik (IfM Kassel) bearbeitet.

Der Leichtbau wird einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen CO2-Reduktion in den neuen Karosserieentwicklungen leisten. Kosten-effiziente Leichtbaulösungen für die automobile Massenproduktion bietet das Multi-Material-Design. Der Schlüssel zu diesem Entwicklungstrend ist eine besonders wirtschaftliche, sichere und nachhaltige Fügetechnik, die Klebtechnik. In der Automobilproduktion muss die Karosserie im Ofen erhitzt werden, um die Aushärtung der Klebstoffe zu gewährleisten. Die Temperaturerhöhung führt zu unterschiedlichen Ausdehnungen der Bauteile entsprechend ihres individuellen Wärmeausdehnungsverhaltens. Spannungen können auftreten, die so groß sind, dass es zu Schäden in der Verbindung führen könnte. Während der Abkühlung der Bauteile treten wieder relative Verschiebungen zwischen den Fügepartnern auf, die ebenfalls zum Versagen führen können. Diese Effekte beeinflussen die Nachhaltigkeit und langfristige Haltbarkeit der verklebten Komponenten und sind kaum in der Fertigung der Automobil- Karosserie berücksichtigt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein Teststand aufgebaut, in dem Klebeverbindungen unter definierten Temperatur-Zeit-Profilen ausgehärtet werden können, um den KTL -Prozess zu simulieren. Parameter, wie die maximale Kraft oder Verschiebung beim Bruch sind abhängig von dem Grad der Aushärtung. Temperaturbedingte Relativverschiebungen während der Klebstoffaushärtung und auch im ausgehärteten Zustand werden durch Aufbringen einer zusätzlichen mechanischen Beanspruchung simuliert. Es gibt einen signifikanten Einfluss der Parameter während Aushärtung des Klebstoffs auf das mechanische Verhalten der Klebverbindung. Zur Verifizierung der in den Grundversuchen erkannten Zusammenhänge wirddie Bi-Metall-Probe eingesetzt. Bei dieser wird die Verschiebung der Klebschicht im Wärmeprozess durch eine real auftretende Problematik untersucht. Diese wird durch die Kombination von Aluminium und Stahl als Fügeteilwerkstoffe realisiert. Im ersten Schritt durchläuft die unausgehärtete Bi-Metall-Probe das Temperaturprofil der KTL-Härtung, wodurch die Klebschicht aushärtet und dieser gleichzeitig die temperaturbedingten Fügeteilrelativverschiebungen aufgezwungen werden. In Analogie zu den Grundversuchen zeigt sich, dass ein Anstieg der Relativverschiebungen während der Aushärtung die ertragbare Maximalkraft sowie den Bruchweg der Verbindung reduziert. Um die nachträgliche Verschiebung einer ausgehärteten Klebverbverbindung aufgrund einer Temperaturbelastung im Betrieb einer geklebten Struktur nachzustellen, werden in einem zweiten Schritt auch bereits ausgehärtete Bi-Metall-Proben mit einem Temperatur-Zeit-Profil beaufschlagt. Hierbei ist zu erkennen, dass es zu einer Relaxation der aufgezwungenen Spannungen kommt. Die Messergebnisse dieser Tests dienen im Weiteren der Validierung des konstitutiven Modells zur Abbildung der Klebschichteigenschaften unter Betriebslasten. Dafür wird die Bi-Metall-Probe im Sinne der FEM räumlich diskretisiert und mit Hilfe des kommerziellen FE-Programms LS-Dyna simuliert, um das Ergebnis der Simulation schlussendlich mit den Testdaten zu vergleichen. Als Ergebnis der Validierung wird festgestellt, dass das konstitutive Modell relativ gut mit den Testdaten korreliert und die erwähnte Spannungsrelaxation gut abbildet.Insgesamt haben die Versuche und Berechnungen der Bi-Metall-Probe gezeigt, dass die durch Temperaturwechsel eingebrachten Spannungen einen deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften von Klebverbindungen haben.


Das IGF-ZUTECH-Vorhaben 369 ZN (FOSTA-Nr.: P 878) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. - FOSTA, Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf, ist über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert worden.

Für die finanzielle Förderung und die organisatorische Betreuung seitens der Forschungsvereinigung sei an dieser Stelle gedankt, ebenso Herrn Franz-Josef Heise für seine engagierte Unterstützung des Projekts. Weiterer Dank gilt allen kooperierenden Industriepartnern für die gute Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes.

Der Abschlussbericht ist über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. FOSTA zu beziehen

Die Universität der Informationsgesellschaft