Inspire ICS

Verkleben von Strukturbauteilen
aus faserverstärkten Kunststoffen
Strukturlabor
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Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 1
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
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1. Einführung ........................................................................................... 4
2. Klebstoffe ............................................................................................. 8
3. Einflussgrössen ................................................................................. 11
4. Versagensverhalten ........................................................................... 19
5. Qualitätskontrolle ............................................................................... 25
6. Zusammenfassung ............................................................................. 35
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1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
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Verbindungstechnologien
1.
Einführung
lösbare
Verbindung
Schrauben
 Metallinserts bei
hoher Belastung
erforderlich
Kraftschluss
& Formschluss
 bei hoch belasteten
Strukturen selten
 aufwändig
Nieten
permanente
Verbindung
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 Standard in Luftfahrt
Schweissen
 nur mit Thermoplast
FVK möglich
Kleben
 typisch für FVK
(ausser Luftfahrt)
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Verklebungen
1.
Einführung
+ gleichmässige Spannungsverteilung (über Breite)
+ keine zusätzlichen Bauteile
oder Aufdickungen notwendig
 leicht & kostengünstig
+ kann auch abdichten
und isolieren
 Funktionsintegration
- keine etablierten Verfahren für zerstörungsfreie Qualitätsprüfung
-
Aushärteprozess (Duroplaste) oder Temperaturzyklus (Thermoplaste)
notwendig  Zeit
-
zuverlässige Oberflächenvorbehandlung notwendig
-
limitierte Einsatztemperatur durch Klebstoff zu berücksichtigen
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Grundbegriffe
1.
Einführung
 wichtigste Elemente:
 Klebepartner: Komponenten, die
Zusammengeklebt werden sollen
 Klebstoff: Material, das zum
Verkleben verwendet wird
Klebepartner
Klebstoff
 Spannungen in einer Verklebung:
Zug
senkrecht
Inspire ICS
Schub
in Ebene
Schub
aus Ebene
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Klebepartner
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
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Pastenkleber & Klebefilme
2.
Klebstoffe
Pastenkleber
Klebefilme
 typischerweise Duroplaste
 Duroplaste & Thermoplaste
möglich
 Zweikomponentensysteme
(typisch) und Einkomponentensysteme möglich
 Applikation anspruchsvoll
 können Klebsspalttoleranzen
ausgleichen
 minimaler Klebspalt muss
konstruktiv oder mit Additiven
eingestellt werden
 Zusammenbau mit wenig
Druck möglich
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 Einkomponentensysteme
 einfach zu applizieren
 erfordern genaue
Klebspaltdicken
 minimaler Klebspalt wird
üblicherweise mit einem
Trägermaterial eingestellt
 Druck muss bei Zusammenbau und Aushärtung aufrecht
gehalten werden
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duroplastische Pastenkleber
2.
Klebstoffe
 duroplastische Pastenkleber sind typischerweise
Zweikomponentenklebstoffe
 das Mischverhältnis (Harz & Härter) muss möglichst genau
eingehalten werden
 die Topfzeit (pot life) ist beschränkt (abhängig vom Klebstoff):
Zeit, bis der Klebstoff geliert
(so hart wird, dass er nicht mehr verarbeitet werden kann)
 der Aushärtezyklus (Temperaturzyklus über die Zeit) muss so gewählt
werden, dass:
 nicht zu viel Porosität entsteht
 in der Luftfahrt: maximal 2 %
 der Klebstoff vollständig aushärtet
 in der Luftfahrt: minimal 95 % Aushärtegrad
(min. 95 % des Klebstoffs hat reagiert)
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1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
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strukturelle Tragfähigkeit
3.
Einflussgrössen
 Gestaltung:
 Vermeiden von Spannungsspitzen & Abschälen
 passende Klebschichtdicke
 Klebstoff:
 gute mechanische Leistungsfähigkeit (Festigkeit, E-Modul & Zähigkeit)
 (Aushärte-)Prozess:
 geringe Porosität
 hoher Aushärtegrad
 Qualität der Klebepartner:
 oberste Harzschicht ist bei FVK oft die Schwachstelle
 vermeiden von Trennmittelresten aus Klebflächen
 Oberflächenbehandlung:
 Entfernung von Verunreinigungen
 aufrauen & aktivieren der Oberfläche
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Gestaltung
3.
Einflussgrössen
 Beispiel: Verkleben von 2
auf Zug belasteten Bauteilen
 Schrägen (Ausläufe oder Stufen)
helfen Steifigkeitssprünge zu
vermeiden:
 Vermeidung
von Spannungsspitzen
in der Klebefläche
(in Kraftrichtung)
 Minimierung
von Spannungen
senkrecht zur Klebefläche
Hart-Smith, L. J.: Analysis and Design of Advanced
Composite Bonded Joints, NASA CR-2218, 1974.
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Gestaltung
3.
Einflussgrössen
 Beispiel: Einfluss der Klebeschichtdicke bei einem strukturellen
(spröden) Klebstoff (Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) und CFK
Klebepartnern (Epoxy/CF-Gewebe)
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Qualität der Klebepartner
3.
Einflussgrössen
 Beispiel: Einfluss der Herstellung der Klebepartner
(Epoxy/CF-Gewebe) auf die Tragfähigkeit der Verklebung:
 Werkzeug mit Trennfilm oder mit Trennmittel behandelt
 mit oder ohne Abreissgewebe (Peel Ply)
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Einflussgrössen
30
Shear stress [MPa]
Qualität der Klebepartner
3.
25
20
15
10
5
0
Release film
no cleaned
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Release film Release agent Release agent
with acetone
no cleaned
with acetone
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Peel ply
Oberflächenbehandlung
3.
Einflussgrössen
 mit einer Oberflächenbehandlung können Verschmutzungen und
Trennmittelreste entfernt sowie die Oberfläche aufgeraut werden
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Einflussgrössen
Oberflächenbehandlung
3.
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1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
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Überblick
4.
Versagensverhalten
 kohäsives Versagen
(cohesive failure)
 adhäsives Versagen
(adhesive failure)
 Versagen im Klebepartner
(adherent failure)
 gemischtes Versagen
(mixed failure)
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kohäsives Versagen
4.
Versagensverhalten
kohäsives Versagen:
 Versagen im Klebstoff
 auf beiden Probehälften ist flächig
Klebstoff
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adhäsives Versagen
4.
Versagensverhalten
adhäsives Versagen:
 Versagen zwischen Klebstoff und einem Klebepartner
 auf einer Probehälfte ist flächig
Klebstoff, auf der
anderen der "saubere"
Klebepartner
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Versagen im Klebepartner
4.
Versagensverhalten
Versagen im Klebepartner:
 das Versagen läuft im Klebepartner (typischerweise unterhalb der
obersten Harzschicht)
 auf beiden Probehälften ist Material von
einem Klebepartner
an der Oberfläche
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gemischtes Versagen
4.
Versagensverhalten
gemischtes Versagen:
 Kombination aus adhäsivem und kohäsivem Versagen
sowie von Versagen
im Klebepartner
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1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
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Überblick
5.
Qualitätskontrolle
 korrekte Oberflächenbehandlung der Klebepartner:
 kann vor dem Verkleben z.B. optisch kontrolliert werden
 nach dem Verkleben ist keine (zerstörungsfreie) Prüfung möglich
 korrektes Mischverhältnis der Komponenten:
 kann nachträglich nicht überprüft werden!
 korrektes Aushärten des Klebstoffs:
 für strukturelle Anwendungen muss ein genügend grosser
Aushärtegrad erzielt werden (z.B. 95 % in der Luftfahrt)
 der Aushärtegrad kann an kleinen Proben (ca. 10 mg) mit einem
DSC (Dynamic Scanning Calorimetry) gemessen werden
 nicht (ganz) zerstörungsfrei
 Porosität im Klebstoff kann mit Röntgen oder Ultraschall
abgeschätzt werden

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Überblick
5.
Qualitätskontrolle

 strukturelle Tragfähigkeit der Verklebung:
 es gibt keine etablierten zerstörungsfreien Prüfverfahren!
 verschiede mechanische Versuche sind jedoch etabliert
- Schubversuche, z.B. mit Zugproben mit einer oder mehreren
Überlappung(en)
- Schälversuche mit verschiedenen Konfigurationen
(DCB, Schälversuch, Biegeversuche)
- Zugversuche (senkrecht zur Klebeschicht)
für sichere & zuverlässige strukturelle Verklebungen
braucht es eine gute Prozessvorschrift und
zuverlässige Mitarbeiter in der Fabrik (oder im Labor)
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Qualitätskontrolle
 mit einem DSC (Dynamic Scanning Calorimetry) kann der Aushärtegrad
von duroplastischen Klebstoffen bestimmt werden
 durch Vergleich der "verbleibenden" Reaktionsenthalpie
mit derjenigen von frisch gemischtem Klebstoff
Heat Flow Endo Up [mW]
Aushärtegrad
5.
Inspire ICS
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
Area = -2507.8 mJ
 H = -320.0 J/g
Peak = 106.2 °C
0
50
100
150
200
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250 Temperature [°C]
Aushärtegrad
5.
Qualitätskontrolle
 mit geeigneten Simulationsmodellen kann der Aushärtegrad 
als Funktion von Temperatur und Zeit (bei der Temperatur)
abgeschätzt werden
 Beispiel:
mit:
ΔH= 315.2 ± 17.6 J/g
Ln z= 13.31 ± 3.97 1/s
Ea= 57.57 ± 11.73 KJ/mol
n= 2.338 ± 0.403
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5.
Qualitätskontrolle
strukturelle Tragfähigkeit
Schubversuch
Schälversuch
 SLS (single lap shear)
 DCB (Double Cantilever Beam)
  einfache Überlappung
 ISO 15024
 EN 2243-1
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strukturelle Tragfähigkeit
5.
Qualitätskontrolle
Schälversuch
Schälversuch
 EN 2243-2 oder ISO 4578
 3- oder 4-Punkt
Biegeversuch
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Porosität im Klebstoff
5.
Qualitätskontrolle
 Beispiel: Einfluss der Aushärtetemperatur eines Pastenklebers
(Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) auf den Porengehalt
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Porosität im Klebstoff
5.
Qualitätskontrolle
 Beispiel: Einfluss der Aushärtetemperatur eines Pastenklebers
(Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) auf den Porendurchmesser
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Schubfestigkeit - SLS
5.
Qualitätskontrolle
 Beispiel: Einfluss der Aushärtetemperatur eines Pastenklebers
(Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) auf die mit einem Zugversuch
(SLS - Single Lap Shear) gemessene Schubfestigkeit
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1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
6.
Zusammenfassung
 Klebeverbindungen eignen sich gut zum strukturellen Fügen
von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen:
 sie haben eine gleichmässige Spannungsverteilung (über Breite)
 benötigen keine zusätzlichen Bauteile oder Aufdickungen
 leicht & kostengünstig
 können auch abdichten und isolieren  Funktionsintegration
 die Tragfähigkeit einer Klebeverbindung hängt von ihrer
Gestaltung, dem Klebstoff, der Qualität der Klebepartner und
der Oberflächenbehandlung ab
 es ist nicht möglich die strukturelle Tragfähigkeit von
Klebeverbindungen zerstörungsfrei zu prüfen
 für sichere & zuverlässige strukturelle Verklebungen braucht
es eine gute Prozessvorschrift und zuverlässige Mitarbeiter
in der Fabrik (oder im Labor)
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Inspire AG / ICS
Technoparkstrasse 1
8005 Zürich
Switzerland
[email protected]
+41 44 632 33 79
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