300354_Leseprobe

DVSMediaGmbH

8. Doktorandenseminar

Klebtechnik

Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung

in Bremen

am 12. und 13. September 2017

Institut für Schweiß- und Fügetechnik,

Abteilung Klebtechnik, RWTH Aachen

Institut für Füge- und Schweißtechnik,

Technische Universität Braunschweig

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und

Angewandte Materialforschung,

Bereich Klebtechnik und Oberflächen, Bremen

IGP Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der

Produktionstechnik

Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren,

Universität Kassel

Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik,

Universität Paderborn


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

Das Doktorandenseminar Klebtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt.

Das 8. Doktorandenseminar wurde vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte

Materialforschung IFAM in Bremen veranstaltet.

Besonderer Dank für Veröffentlichung dieses Bandes gilt: Fabian Julius Fassbender, M. Sc.

DVS-Berichte Band 354

ISBN 978-3-96144-061-0

Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.

Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses Bandes oder

von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.

© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2019

Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH, Hamm


Vorwort

Am 12. und 13.09.2017 fand das 8. Doktorandenseminar Klebtechnik am Fraunhofer-Institut für

Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen statt. In diesem Jahr folgten 13

Doktoranden von vier Universitäten und zwei Fraunhofer-Instituten gemeinsam mit ihren Professoren

und Gruppenleitern der Einladung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte

Materialforschung IFAM.

Während der zweitägigen Veranstaltung präsentierten die angehenden Doktoren ihre

Forschungsthemen aus dem Bereich der Kleb- und Oberflächentechnik. Dabei wurden neue Methoden

zum Themengebiet der Schnellhärtung, insbesondere die Qualifizierung von Prozessmethoden sowie die

elektrochemische Schnellprüfung korrosionsbelasteter Klebverbindungen vorgestellt. Im Bereich der

Kolloidphysik wurde die Untersuchung des Polymerisationsverhaltens von bifunktionalen Monomeren in

hochporösen Nanopartikelschichten ausgiebig beschrieben. Im Hinblick auf den Karosseriebau wurden

im weiteren Verlauf die temperaturabhängigen bruchmechanischen Kennwerte bei der Abkühlung

geklebter Karosseriebauteile in der kathodischen Tauchlackierung erörtert sowie neue Methoden zur

Simulation des thermodynamischen Verhaltens von Klebschichten während des Aushärteprozesses

dargelegt.

Im Bereich der holzbasierten Klebungen und Konstruktionen wurden am zweiten Tag eine neue Klasse

nachhaltiger Leichtbauwerkstoffe sowie der Nutzen in Laubholz eingeklebter Stäbe vorgestellt. Des

Weiteren wurden neue Reparatur- und Untersuchungsmethoden von CFK- Karosseriebauteilen zur

Kostenminimierung vorgestellt. Ein weiterer Schwerpunkt beschäftigte sich mit der Problematik des

Fadenzugs hochviskoser Klebstoffe in der Dosiertechnik, der durch rheologische Kennwerte und

numerische Strömungssimulation beschrieben wurde.

Durch die regen Diskussionen mit den renommierten Fachleuten entstanden wertvolle Impulse für die

weiteren Arbeiten der Doktoranden. Auch das persönliche Kennenlernen kam durch ein gemeinsames

Abendessen sowie ein Teambuilding-Event in der Bremer Speicherstadt nicht zu kurz. Finanziell wurde

die Veranstaltung durch die DECHEMA e. V. unterstützt.


Vortragsabfolge

AUTOR TITEL SEITE

D. Kohl Holzbasierte Multimaterialsysteme als neue Klasse nachhaltiger Leichtbau-

Werkstoffe

1

F. Fassbender Numerische Strömungssimulation des Fadenzugverhaltens viskoser Harze 7

R. Hoffmann Herstellung und Charakterisierung von inversen Nanopartikel-Polymer-

Komposit-Filmen unter Verwendung von Flammensprühpyrolyse und Sol-

Gel-Verfahren zur Untersuchung der Kräfte bei der Flüssigkeitsaufnahme

in mesoporöse Nanopartikelschichten

J. Ditter Methodenentwicklung zur Ermittlung von Schnellhärtungsparametern für

elementar geklebte Strukturen

14

21

J. Schoft Reparatur von CFK-Karosserien: Untersuchungen zur Strukturbearbeitung 26

M. Griese Temperaturabhängige Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte zur

Modellierung geklebter Karosseriestrukturen bei der Abkühlung im KTL

T. Aubel Methodenentwicklung zur Simulation des thermomechanischen

Verhaltens von Klebschichten in hybriden Fügeverbindungen während des

Aushärteprozesses

33

39

V. Fischer Untersuchung der Klebeignung von additiv gefertigten Bauteilen 44

C. Grunwald Bewertung und Modellierung der Leistungsfähigkeit von in Laubholz

eingeklebten Stäben

50

Autorenverzeichnis 57


Holzbasierte Multimaterialsysteme als neue Klasse nachhaltiger Leichtbau-Werkstoffe

D. Kohl und S. Böhm, Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren, Universität Kassel

In Zeiten knapper werdender fossiler und nicht nachwachsender Rohstoffe in Kombination mit der zunehmenden

Beeinträchtigung der Umwelt durch beispielsweise den CO2-Ausstoß von Kraftfahrzeugen, existiert ein drängender

Forschungsbedarf im Bereich Leichtbau und Werkstoffforschung. Ein Ansatz, diesem Problem zu begegnen, ist

der Einsatz von ertüchtigter Holzwerkstoffe. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden klebtechnisch gefügte

holzbasierte Multimaterialsysteme erarbeitet und auf ihre mechanisch-technologischen Eigenschaften hin untersucht.

Globales Ziel der Bemühungen ist die Erforschung einer neuen Kategorie technisch nutzbarer nachhaltiger

Materialsysteme auf Basis von Holz. Diese Materialsysteme sollen das Potenzial besitzen, bekannte Holzwerkstoffe

in ihren mechanisch-technologischen Eigenschaften zu übertreffen, um sich somit als alternativen Werkstoffe für

technische Anwendungen zu qualifizieren.

1 Einleitung

Die Anforderungen an Werkstoffe wachsen stetig, nicht zuletzt durch steigende Energiekosten, zunehmendes

Nachhaltigkeitsdenken und Umweltbewusstsein sowie ein erhöhtes Sicherheitsbedürfnis bei Produkten, insbesondere

in der Automobilindustrie. Hier ist ein stetiger Trend hin zu reduziertem Treibstoffverbrauch, einer Reduzierung

der Bauteilgewichte und genereller Produktionskostensenkung zu verzeichnen. Erreicht werden können diese

Ziele zum einen durch sparsamere Motoren, andererseits durch neue oder modifizierte Werkstoffe. Diese Werkstoffe

sollen bei gleichbleibenden oder verbesserten mechanischen Eigenschaften leichter werden und im Idealfall

weniger kosten.

Eine Verringerung des Gewichts eines Mittelklassefahrzeuges mit Ottomotor um 100 kg spart bereits 3,5 g CO2 pro

Kilometer und 0,3 Liter Benzin auf 100 km ein [1]. Eine Gewichtsreduktion von Fahrzeugen hätte somit neben einer

positiven Auswirkung auf die Umwelt durch geringeren Kraftstoffverbrauch auch eine Kostensenkung für den Fahrzeugbesitzer

zur Folge.

Neben Werkstoffen wie Aluminium, Magnesium oder Faserverbundwerkstoffen, die auch weiterhin stark zunehmend

eingesetzt werden, rücken aktuell weitere Materialien in den Fokus [1]:

Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und der vielfältigen und ausgereiften Bearbeitungstechnologien sind

Metalle für technische Anwendungen oftmals die erste Wahl. In der heutigen Zeit fließt jedoch immer mehr der

Aspekt der Nachhaltigkeit und der Rezyklierbarkeit, sowie die Bedeutung nachwachsender Rohstoffe in den Entscheidungsprozess

für oder gegen einen Werkstoff ein. Vor diesem Hintergrund lässt der hohe Energieaufwand

bei der Herstellung von z.B. Metall-Werkstoffen, der einhergeht mit steigenden Emissionswerten, mehr und mehr

alternative Werkstoffe in den Fokus rücken, deren Bereitstellung sich nicht nur in einer positiveren Ökobilanz ausweist,

sondern die zusätzlich durch ein günstiges Preis-/Leistungsverhältnis vorteilhaft sein können. Hier zeichnet

sich Holz als Basis oder Komponente für innovative Werkstoffe als nachwachsendes und vollständig wiederverwertbares

Material aus.

Holz kann, bezogen auf sein spezifisches Gewicht, sehr hohe Lasten ertragen und ist als nachwachsender Rohstoff

nahezu beliebig verfügbar. Aus diesen Gründen wird Holz oft im Bauwesen und früher in der Luftfahrt eingesetzt

[2].

Zudem ist Deutschland in hohem Maße von Rohstoffimporten abhängig – ganz besonders im Bereich der Metall-

Rohstoffe. Zum Beispiel werden 55 % der Seltenen Erden aus China eingeführt. Diese Rohstoffabhängigkeit macht

Deutschland in hohem Maße anfällig gegenüber Preisschwankungen oder Lieferengpässen. [3]

Auch hier zeigt sich der Vorteil eines regional verfügbaren, nachwachsenden Rohstoffes wie Holz, der langfristig in

der Lage ist, den steigenden Zuwachsraten im Rohstoffsektor entgegenzutreten.

Dementgegen stehen allerdings strukturelle Nachteile des Ausgangsmaterials Holz, das als Naturprodukt mit

schwankenden Eigenschaften ausgestattet ist und dessen Qualität in starkem Maße von Umweltbedingungen abhängt.

2 Stand der Technik

Holz ist ein natürlicher Faserverbundwerkstoff aus festigkeitsbildenden Tracheiden (Nadelholz) bzw. Libroformfasern

(Laubholz) und einem Bindestoff (Lignin) mit sehr guten Leichtbaueigenschaften. Durch die geringe Rohdichte

bei gleichzeitig hoher Festigkeit sind Qualitätsholzwerkstoffe auch Leichtmetallen und künstlich synthetisierten

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Faserverbundwerkstoffen bei situationsspezifischem Einsatz oft überlegen: Holz erträgt im Gegensatz zu Aluminium

hohe Lastwechselzahlen ohne Ermüdungsbrüche. Holz ist zusätzlich stoßabsorbierend und schwingungsdämpfend.

Für Formsperrholz werden unterschiedliche Holzarten (Ahorn, Birke, Buche, Kiefer, Pappel) eingesetzt.

Durch die Kombination der Hölzer sowie insbesondere durch die gezielte Ausrichtung der einzelnen Furnierlagen

können sehr leichte und stabile Bauteile realisiert werden.

Aktuelle Ansätze, Holz in Bereichen des Maschinenbaus einzusetzen, werden von EICHHORN ET AL und ECKHARDT

ET AL beschrieben. Insbesondere werden als Vorteile beispielsweise die Dämpfungseigenschaften, das Leichtbaupotential

sowie die leichte Bearbeitbarkeit genannt. In verschiedenen Arbeiten über die Entwicklung, Weiterentwicklung

und Berechnung von modularen Maschinengestell-Bauweisen aus Holzfurnierlagenverbundwerkstoff

(WVC) werden Möglichkeiten gezeigt, Holzwerkstoffe in technischen Bereichen einzusetzen. Schwerpunkte waren

Struktur- und Leichtbauelemente auf Basis von Konstruktionswerkstoffen aus Holz, welche insbesondere im Bereich

der Fördertechnik als Schnittstelle des Maschinen- und Analgenbaus eingesetzt, charakterisiert und berechnet

wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Strukturen sowohl quasi-statisch als auch dynamisch

für die Anwendungsfälle geeignet waren. Entsprechend wurde geschlussfolgert, dass hochwertige Holzwerkstoffe

bei fachmännischer Werkstoffauswahl und entsprechender Verwendung dem Leistungsvermögen häufig

verwendeter Metallwerkstoffe nicht nachstehen [4, 5, 6, 7]. Werkstofftechnischer Gegenstand aller Ansätze

waren industriell bekannte Werkstoffe auf Furnierbasis. Eine Kombination von Holz und technischen Nicht-Holz-

Werkstoffen im Sinne der Verbundwerkstofftheorie erfolgte nicht.

Der Ansatz, Textilien zur Bewehrung von Holzbauteilen zu nutzen, findet sich im Wesentlichen in zwei Bereichen

[8]: Zum einen werden bereits vorgefertigte Laminate im Konstruktionsholzbau in Faserrichtung des Holzes auf

beschädigte Bereiche appliziert, um eine einfache Sanierung zu gewährleisten. Somit kann die Festigkeit von Balken

oder Trägern sowie deren Biegesteifigkeit erhöht werden, ohne tragende Strukturen vollständig austauschen

zu müssen. Dabei kommen meist hochfeste Fasern, wie beispielsweise auf Carbon oder Aramid basierende textile

Flächengebinde, zum Einsatz [9]. Der weitere bedeutende Bereich, in dem diese Kombination von Werkstoffen

häufig Anwendung findet, ist der Ingenieurholzbau mit seinen Teilbereichen des Boot- und Propellerbaus.

Weiterhin werden am Institut für Ingenieurholzbau und baukonstruktives Entwerfen der Universität Dresden, Untersuchungen

zur Steigerung von Lochleibungsfestigkeiten an Stahlbolzen und Knickfestigkeiten von Formholzrohren

durchgeführt. Dabei werden textile Strukturen klebtechnisch auf die Holzbauteile gefügt [9, 10].

Vor diesem Hintergrund wird die Notwendigkeit und das Fehlen eines Holzwerkstoffs, welcher moderne technische

Anforderungen an Struktur- und Leichtbauwerkstoffe erfüllt und gleichzeitig in definierten und nicht massiven

Strukturen eingesetzt werden kann, deutlich.

Bild 1. a) Aufbau der eingesetzten Probenkörper, b) Biegeprobengeometrie, c) Zugprobengeometrie

2 DVS 354


3 Versuchswesen holzbasierte Multimaterialsysteme

Den Untersuchungen liegt ein Prüfkonzept zugrunde, welches auf die Ermittlung und folglich die Vergleichbarkeit

mechanischer Kennwerte abzielt. Es besteht aus Zug- und Biegeprüfungen, durch die die Elastizitätsmoduln und

Festigkeiten verschiedener Varianten von Materialkombinationen ermittelt werden können.

Ziel der Untersuchungen ist die Darstellung des Einflusses von unterschiedlichen in die Klebfuge eingebrachten

technischen Materialien.

Aufgrund des gewählten Aufbaus folgt durch die Ähnlichkeit des Verbundes zu Sperrholz die Anlehnung der Prüfungen

an die entsprechende Normung: So wird für die Biegeversuche die DIN EN 310 und für die Zugprüfungen

die DIN 52377 herangezogen. Basis des Verbunds ist ein einfach aufgebautes Sperrholz bestehend aus drei Lagen

1,5 mm dickem Buchenschälfurnier kombiniert mit zwei Lagen Verstärkungsmaterial (siehe Bild 1).

Dies führt in Folge dazu, dass bei der Durchführung der Versuche der holzbezogene Aufbau der Probekörper in

zwei Richtungen unterschieden werden muss, welcher mit 1p und 2p bezeichnet wird. Sind nur die Holzfasern

einer Furnierschicht (Mittellage) parallel zur Probekörperlängsachse, so wird dieser Aufbau mit 1p bezeichnet. Mit

2p wird ein Sperrholzaufbau bezeichnet, dessen äußere beiden Lagen faserparallel zur Probenlängsachse sind

(siehe Bild 2). Dieser Aufbau hat wesentlichen Einfluss auf die Prüfergebnisse und muss deshalb stets differenziert

betrachtet werden. [11]

Probenlängsachse

1p

3-lagiger Sperrholzprüfkörper

Bild 2. Schematische Erläuterung zur Sperrholzschichtung bezogen auf die Faserlage.

2p

Hergestellt werden die Proben über ein im Labor durchgeführtes Laminationsverfahren: Zunächst wird der Klebstoff

abgewogen, auf dem Furnier verrakelt und der Verstärkungswerkstoff platziert. Diese Schritte werden wiederholt

bis ein Paket aus drei Holzfurnieren, zwei Verstärkungslagen und insgesamt vier Klebstoffschichten aufgebaut

ist. Bei den entsprechenden Referenzproben entfielen die Verstärkungswerkstoffe.

Mit dem anschließenden Verpressen des aufgebauten Schichtpakets zwischen zwei hydraulischen Heizplatten, bei

konstantem Pressdruck, erfolgte die Klebstoffaushärtung und Formgebung. Die Bemessung der Auftragsmenge

sowie der Aushärtetemperatur und des Pressdrucks erfolgt je Klebstoff nach Datenblatt. Anschließend werden die

Probenkörper ausgefräst und bis zur Prüfung im Klimaszenario 20 °C/ 65 % rel. Luftfeuchte gelagert.

Als Verstärkungswerkstoffe wurde unterschieden in Textilien, Metallfolien und Polymerfolien. Im Speziellen wurden

folgende Werkstoffe gewählt:

Textilien:

o Glasfasergewebe (2/2 Köperbindung, 121 tex, 170 g/m 2 )

o Aramidfasergewebe (2/2 Köperbindung, 68 tex, 194 g/m 2 )

o Polyesterfasergewebe (1/1 Leinwandbindung, 110 tex, 190 g/m 2 )



Metallfolien:

o Edelstahl (Dicke 0,1 mm, Werkstoff 1.4404)

o Aluminium (Dicke 0,3 mm, 98% Aluminiumanteil)

Polymerfolien:

o PVC-Folie (Dicke 0,3 mm, Dichte 1,29 g/cm 2 , Reisdehnung 270%, Reißfestigkeit 32N/mm 2 )

o PP-Folie (Dicke 0,3 mm, Dichte 1,2 g/cm 2 , Reisdehnung 100%, Reißfestigkeit 66N/mm 2 )

4 Ergebnisse und Diskussion

Unter den Prämissen der Verarbeitbarkeit sowie der Heizpressprozesseignung wurden in weiterführenden Arbeiten

[11, 12, 13, 14] folgende drei Klebstoffsysteme als grundsätzlich geeignet und relevant identifiziert: Harnstoff-

Formaldehyd, 2K-Epoxidharz sowie 1K-Polyurethan. Andere Systeme z.B. zeigten rein klebtechnisch gesehen

eine sehr gute Eignung, waren aber für den Einsatz mit den angestrebten Pressprozessparametern nicht optimal

geeignet, was der Vergleich der Systeme bei Formpressprozesstemperaturhärtung und Härtung zeigten.

Bild 3 und Bild 4 zeigen die Gesamtübersichten zur Festigkeitsuntersuchung der wichtigsten holzbasierten Multimaterialsystem-Varianten

für jeweils den 1p- und 2p-Aufbau unter Zugbelastung. Dargestellt sind die durchschnittlichen

Festigkeitswerte je Serie sowie die Streuung in Form der Spannweite. Die Referenzwerte beziehen sich auf

unverstärkte Probenkörper. Die durch einen in der Industrie standardmäßig verwendeten, 2K-Harnstoff-

Formaldehyd-Leim gefügte Referenz dient als grundlegende Referenz für ein ‚klassisches‘ Furniersperrholz.

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Bild 3. Ergebnisse Festigkeitsuntersuchung Zug 1p-Aufbau

Bild 4. Ergebnisse Festigkeitsuntersuchung Zug 2p-Aufbau

Bild 5. Ergebnisse Festigkeitsuntersuchung 3-Punkt-Biegung 1p-Aufbau

4 DVS 354


Bild 5 und Bild 6 zeigen analog die Gesamtübersichten zur Festigkeitsuntersuchung der wichtigsten holzbasierten

Multimaterialsystem-Varianten für jeweils den 1p- und 2p-Aufbau unter 3-Punkt-Biegebelastung.

Bild 6. Ergebnisse Festigkeitsuntersuchung 3-Punkt-Biegung 2p-Aufbau

Die Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeit der unterschiedlichen Systeme im Vergleich zu den Referenzproben

ohne Verstärkungswerkstoff zeigen, dass der Untersuchungsansatz der verstärkten Formhölzer grundsätzlich sehr

gut geeignet ist, um klassische Furnierholzwerkstoffe zu verstärken. Je nach Material- und Klebstofftyp, kann mittels

des gleichen Herstellprozesses ein signifikant verändertes Material erstellt werden. In Verbindung mit den

exemplarisch dargestellten Erkenntnissen aus Bild 7, welche weitere Effekte einer Multimaterialverstärkung über

eine 3-Punkt-Biegebelastung verdeutlicht, zeigt sich, dass die Nutzung zusätzlicher technischer Materialien im

Verbund, nicht nur Änderungen der Festigkeit zur Folge hat.

100

Übersicht Biegeproben 1p

Biegespannung [N/mm²]

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Edelstahl

Aramidfaser

Glasfaser

Referenz

0

0 10 20 30 40 50

Durchbiegung [mm]

Bild 7. Effekte bei holzbasierten MMS: Links: Aramidverstärkte Probe in einer 3-Punkt-Biegeprüfung. Rechts: Vergleich von

verschiedenen 1p-Proben.

Neben der Änderung/Ertüchtigung der mechanischen Kennwerte (Festigkeit, E-Modul, Bruchverhalten), kann

durch den Einsatz von zusätzlichen Werkstoffen eine anwendungsgerechte Beeinflussung der Bruchdynamik erfolgen.

Dies wird beispielhaft durch den Biegespannungsverlauf der edelstahl- und aramidverstärkten Probe deutlich

(siehe Bild 7). Im Fall der edelstahlverstärkten Variante ist neben einer hohen Festigkeitssteigerung auch eine

signifikante Erhöhung des E-Moduls möglich. Gleichzeitig verringert sich die Durchbiegefähigkeit; der Bruch erfolgt

schlagartig. Hingegen zeigt die aramidverstärkte Probe neben der Erhöhung von Festigkeit und E-Modul (in geringerem

Maße) eine hohe Durchbiegefähigkeit ohne finales Versagen und damit eine hohe Durchbruchsicherheit,

welche insbesondere im Crashfall besonders wichtig ist.

Zusätzlich konnte die Möglichkeit einer Kompensation bzw. bewussten Förderung des natürlichen anisotropen

Verhaltens von Holzwerkstoffen gezeigt werden.

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Die quantitativ und qualitativ besten Ergebnisse konnten mit Aramid, Glasfaser und Edelstahl erreicht werden. Die

Vorteilhaftigkeit der Verbundmodifikation richtet sich sehr stark nach Verstärkungsart und Belastungsart/-richtung

sowie entsprechend der eingesetzten Klebstoffsysteme.

5 Zusammenfassung

Holz, als einer der ältesten Bauwerkstoffe, ist ein Material mit vielen attraktiven Potenzialen und Chancen für heutige

technische Anwendungen. Zudem verlangen technische Einsatzgebiete neben der rein mechanischen Eignung

zusätzlich in hohem Maße Zuverlässigkeit, Prozesskompatibilität und Reproduzierbarkeit.

Die dargestellten Ergebnisse sind ein Teil eines systematischen Ansatzes, Holz in struktureller Bauweise einzusetzen

zu können.

Es konnte gezeigt werden, dass mittels geeigneter Materialkombination auf unterschiedliche Werkstoffanforderungen

reagiert werden kann. So ist beispielsweise die Ertüchtigung des Verbundes für die rein statische Kraftaufnahme

bis hin zum Crashfall möglich. In Kombination mit dem ökologisch positiven Charakter des Systems zeigt

dies das enorme Potenzial für zukünftige Anwendungen.

Zusammenfassend können die dargestellten Ergebnisse allgemein zeigen, dass durch Einlaminierung technischer

Verstärkungswerkstoffe in Formholz mit geeigneten Klebstoffen die Performance des Naturwerkstoffes Holz zielgerichtet

gesteigert werden kann. Die vorgestellte Materialsystem-Klasse besitzt somit das Potenzial zum nachhaltigen

und umweltgerechten Hochleistungs-Leichtbauwerkstoff, welcher Anwendung in unterschiedlichsten Bereichen

finden kann. Besonders im technischen Bereich ist der Einsatz derartiger Verbundwerkstoffe auf Grund

knapper werdender Ressourcen und der zunehmenden Bedeutung des CO2-Footprints zukünftig von großer Bedeutung.

Schrifttum

[1] Volkswagen Aktiengesellschaft: Viavision – Nachrichten aus der mobilen Zukunft. Ausgabe 4/2011, Remagen,

2011.

[2] Kröplin, B.; Rudolph, S.; Alber, R.; Brückner, S.: Ansätze zur Modellbildung im Leichtbau (Modeling approaches

for lightweight constructions), VDI Tagung Berechnung und Simulation im Fahrzeugbau 2002, Würzburg,

2002.

[3] Milder, Stormy-Annika; Lauster, Gitta: Machtressource Metalle: Achillesferse der alten Wirtschaftsnationen?.

In: Internationale Politik Ausgabe 3/2011, Berlin, 2011.

[4] Eckardt, R.; Eichhorn, S.: Konstruktion und Erprobung modularer Maschinengestelle aus Holzfurnierlagenverbundwerkstoff

(WVC). 8. Internationalen Symposium „Werkstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen“, 2010.

[5] Eichhorn, S.; Eckardt, R.; Müller, C.: Schwingungs- und geräuschdämpfende Leichtbauelemente im Maschinenbau

auf Basis von Konstruktionswerkstoffen aus Holz. Abschlussbericht FKZ 22021705 (05NR217), 2010.

[6] Eichhorn, S.: Berechnungsansatz für Strukturbauteile aus Holzfurnierlagenverbundwerkstoff - WVC. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Chemnitz, 2013.

[7] Eichhorn, S.; Weber, A.; Feig, K.; Müller, C.; Krug, D.: Entwicklung von Qualitätshalbzeugen aus Spezialholzwerkstoffen

für Anwendungen im Maschinenbau und in der Fördertechnik. Schlussbericht FKZ 22011410

(10NR114) und 22010111 (10NR114), 2015.

[8] Schwaner, K.: Zukunft Holz. Statusbericht zum aktuellen Stand der Verwendung von Holz und Holzprodukten

im Bauwesen und Evaluierung künftiger Entwicklungspotentiale. Selbstverlag, Biberach, 2009.

[9] Birk, T.; Haller, P.; Putzger, R.: Physikalische und mechanische Untersuchungen an textilbewehrtem Holz und

Holzbauteilen. Forschungsbericht des Teilprojektes C3 des Sonderforschungsbereiches 528, Dresden, 2009.

[10] Haller, P.; Wehsener J.: Einsatz technischer Textilien und verdichteten Holzes für Holzverbindungen. ZiTex-

Forum, Düsseldorf, 1999.

[11] Kohl, D.; Million, M.; Böhm, S.: Adhesive bonded wood-textile-compounds as potentially new eco-friendly and

sustainable high-tech materials. In: Annual Meeting of the Adhesion Society 2013, Red Hook, 2013.

[12] Kohl, D., et al., 2014. Holz in der modernen automobilen Karosserie. Holztechnologie, 55 (6), 44-49.

[13] Kohl, D., Flohr, T., and Böhm, S., 2014. Adhesivly bonded wood-based Multi-Material Systems as a sustainable

Material for Technical Applications. In: 37th Annual Meeting of the Adhesion Society, February 23-26 2014,

Red Hook USA.

[14] Kohl, D., Link, P., and Böhm, S., 2016. Wood as a technical material for structural vehicle components. Procedia

CIRP, 40, 557-561.

6 DVS 354


Numerische Strömungssimulation des Fadenzugverhaltens viskoser Harze

Fabian J. Fassbender, Holger Fricke, Bernd Mayer, Fraunhoferinstitut für Angewandte Materialforschung,

Universität Bremen

In vielen Industriesparten wird die automatisierte Klebstoffapplikation zur Prozesssteigerung genutzt. Neben den

bekannten Dosierproblematiken wie Überdosierung, verzögerter Dosierung und schwingende Raupen kommt es

auch zum „Schleppfehler“. Dieser Schleppfehler wird durch die Fadenzugneigung des Klebstoffes hervorgerufen

und kann den Prozess der automatisierten Applikation schwächen. Es ist daher zu klären, mit welchen

rheologischen Größen sowie Prozessgrößen der Fadenzug/Fadenzugneigung konnotiert ist und inwieweit sich

dieser durch die numerische Strömungssimulation abbilden lässt, um eine Vorhersagen zu treffen.

1 Einleitung

Gebräuchliche, industriell eingesetzte, hochviskose Klebstoffe besitzen aufgrund der viskosen sowie

viskoelastischen Fließeigenschaften intrinsisch eine Neigung zum Fadenzug. Der Fadenzug führt oftmals zu

Verschmutzungen von Bauteilen, Anlagenkomponenten und Klebarbeitsflächen, die besonders bei der

automatisierten Applikation den Ertrag des Wertschöpfungsprozesses mindern. Eine Verschmutzung der

Applikationsanlage wächst sukzessive mit jedem Applikationsvorgang, bis der Fertigungsprozess zur Reinigung

der Applikationsanlage unterbrochen werden muss. Eine besondere Gefahr ist die Verschleppung derartiger

Verschmutzungen in angrenzende Bereiche, in nachgeschaltete Fertigungsstationen oder gar in die Sicht- oder

Funktionsflächen des Produkts. Verschmutzungen vermindern somit die Qualität der Produkte oder führen zu

steigenden Kosten in der Produktion durch zusätzliches Reinigen oder Nacharbeiten. Klebstoffhersteller versuchen

die Neigung ihrer Produkte zum Fadenzug, zu reduzieren oder zumindest deren Fadenzugneigung im technischen

Datenblatt anzugeben. Derzeit liegt jedoch kein vollständiges wissenschaftliches Verständnis der Ursache für den

Fadenzug hochviskoser Klebstoffe und keine universelle, standardisierte Methoden zur Quantifizierung dieses

Verhaltens vor. Daher soll mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation überprüft werden, inwieweit sich

Prozessgrößen sowie rheologische Größen auf den Fadenzug auswirken und inwieweit sich daraus bestimmte

Tendenzen kennzeichnen.

2 Grundlagen

Industrielle Klebstoffe werden für sehr unterschiedliche Fügeaufgaben eingesetzt. Die für eine spezifische

Anwendung angepasste Formulierung eines industriellen Klebstoffs ist durch die Selektion von passenden

Grundstoffen und Füllstoffen (Kreide, Ruß, Kaolin u.v.m) aus einer enorm großen Gesamtheit möglich. Ebenso wie

die Endeigenschaften variiert aber auch das rheologische Verhalten von Klebstoffen stark. Die Grundlage der

mathematischen Beschreibung für die Verformung materieller Stoffe sind die Konstitutivgleichungen, die die

wirkende Kraft mit der dadurch verursachten Verformung an Volumenelementen verknüpft. Zunächst sollen zwei

Grenzfälle für ein Scherexperiment mit den dazugehörigen Konstitutivgleichungen genannt werden. Es gilt das

Hookesche Gesetz für den isotrop-linear-elastischen Körper τ = G·γ und das Newtonsche Gesetz für die isotroplinear-rein-viskose

Flüssigkeit τ = η·γ [1].

τ = Schubspannung, γ = Deformation, G = Schubmodul, η = Viskosität, γ = Scherrate

Für ein nicht-newtonsches Fließverhalten sind die Schubspannung sowie die Viskosität keine lineare Funktion der

Scherrate. Für die Charakterisierung nicht-Newtonscher Flüssigkeiten spielt die Abhängigkeit der Schubspannung

von der Scherrate eine wichtige Rolle. Zur theoretischen Beschreibung dieser Abhängigkeit sind eine Reihe von

empirischen Formeln aufgestellt worden. Das von Wilhelm Ostwald und Armand de Waele [2] entwickelte

Potenzgesetz (Ostwald-de Waele-Formel) ist ein einfaches Modell zu Beschreibung nicht-newtonscher

Flüssigkeiten τ = k |γ| n .

k = Konsistenzkoeffizient, n = Fließindex

Reale Stoffe weisen sowohl elastische als auch viskose Eigenschaften auf und werden als viskoelastische Stoffe

bezeichnet. Ob sich ein „flüssiger“ Klebstoff bei gegebener Belastung eher elastisch oder eher viskos verhält, lässt

sich unter anderem durch einen Oszillationsversuch bestimmen [3]. Dabei wird eine sinusförmige

Deformationsamplitude als Funktion der Zeit vorgegeben γt= γ 0

sin (ωt), deren Antwortfunktion

phasenverschoben ist τt= τ 0 sin (ωt+δ). Mit Hilfe des Additionstheorems lässt sich die Antwortfunktion in ein

viskoses G‘‘ und ein elastisches Modul G‘ aufteilen. Das Speichermodul G‘ repräsentiert den elastischen Anteil

und das Verlustmodul G‘‘ den viskosen Anteil. Durch den Tangens des Verlustwinkels stehen die beiden Moduln in

Verbindung.

DVS 354 7


tan


Für ein rein viskoses Fluid (newtonsches Fließverhalten) ist die Antwortfunktion genau um 90° Phasenverschoben

das Speichermodul G‘ beträgt null. Die Antwortfunktion eines elastischen Körpers (Hooke-Körper) ist genau in

Phase, der Verlustwinkel beträgt 0° und somit beträgt das Verlustmodul G‘‘ null.

Stand der Technik ist die Bewertung der Fadenzugneigung eines Strukturklebstoffs durch die

Oszillationsrheometrie nach DIN 54458. Nach dieser Norm ist der tan(δ) eine „…geeignete rheologische Größe zur

Beschreibung der Fadenzugneigung…“. Eine eindeutige Vorschrift zur Quantifizierung der Fadenzugneigung ist

jedoch nicht gegeben.

Die Quantifizierung der Fadenzugneigung wird genauer in mehreren wissenschaftlichen Arbeiten untersucht

[4,5,6]. Jedoch sind in diesen Arbeiten keine exakte Erklärung und kein allgemeingültiges rheologisches Modell zur

Vorhersage der Fadenzugneigung postuliert. Nach [4] ist auf Basis von Messungen am oszillierenden

Rotationsrheometer ein Strukturquotient definiert, der die Neigung der Fadenzugbildung vorhersagt:

SG´= G´(Deformation=0,001)

G´´(Deformation=0,1)

Dabei beschreibt ein Strukturquotient "S > 30" einen geringen Fadenzug, "S ≅ 20" eine mittleren und "S ≤

12"einen starken Fadenzug.

Nach [5] ist die Fadenzuneigung über die oberen und unteren Plateaubereiche, sowie der Steigung des

Verlustwinkels tan (δ) als Funktion der Scherdeformation, charakterisiert. Je stärker die Steigung der

Phasenverschiebung desto größer ist auch die Neigung der Fadenbildung. Für die Charakterisierung der

Plateaubereiche werden Klebstoffen deren unteres Plateau einen Verlustwinkel "δ >16°" als stark fadenziehend

und "δ


3 Materialien und Methoden

3.1 Flüssigharze Epilox ®

Für die experimentellen Grundversuche der in dieser Arbeit verwendeten Flüssigepoxide entstammen der Firma

Leuna Harze. Dabei wurden die unmodifizierten Epilox® -Epoxidharze A17-01, A18-00, A19-00 und A19-02

verwendet.

Epoxidharze wurden erstmals 1934 von Paul Schlack synthetisiert [7]. Die durch Polykondensation von

Epichlorhydrin und Bisphenol A entstehende Epoxidharze besitzen folgende Struktur.

Bild 2. Chemische Struktur eines Epoxidharzes

3.2 Rheologische Charakterisierung

Für die rheologischen Untersuchungen wurde das Rotationsrheometer DHR-2 der Firma TA-Instruments mit einem

Kegel-Platte-Messsytem CP40-2 (40 mm Durchmesser und 2° Kegelwinkel) verwendet.

Bevor mit der rheologischen Messung begonnen wurde, wurde die Grundplatte mit Hilfe einer Wasserwaage genau

waagerecht justiert und auf die gewünschte Temperatur von 23 °C temperiert. Anschließend wurde das flüssige

Harz auf die Grundplatte aufgetragen, und unmittelbar danach das Messsystem auf die Trimmposition, die sich

10-μm über der eigentlichen Messposition befindet, gefahren. Das am Messspalt herausgedrückte (überschüssige)

Harz wird abgestrichen, sodass der Messspalt bündig befüllt ist. Um zu gewährleisten, dass die Probengeschichte

und damit die Startbedingungen vor jeder Messung äquivalent sind, wurde jedes Harz einer 5-minütigen

Ruhephase/Temperierphase unterzogen. Anschließend wurde folgendes Experiment durchgeführt:

Scherexperiment

Flowsweep: Scherrate γ = 0.1 bis 100 s -1 mit 10 Punkte pro Dekade

3.3 Bestimmung der maximalen Hencky-Dehnung

Für die Fadenzugversuche der Flüssigharze wurde ein Texturanalyser TA.XT plus der Firma Stable Micro Systems

verwendet (Messtemperatur Raumtemperatur). Dabei wurde ein zylinderförmiger Stemple mit einem Durchmesser

von 12,7 mm verwendet. Nach vorheriger Kalibrierung wurde auf die untere Platte Harz aufgetragen und

anschließen der obere Stempel auf einen Abstand von 0,5 mm zur unteren Platte gefahren. Das überschüssige

Material wurde ebenfalls abgestrichen, um einen bündig gefüllten Messspalt zu gewährleisten. Nach einer

5-minütige Temperierphase wurde der 0,5 mm Spalt mit einer Geschwindigkeit von (5/15/30 und 40 mm/s) bis zum

Fadenabriss auseinander gezogen um die maximale Hencky-Dehnung ε He,max mittels optischer Auswertung zu

bestimmen (Bild 3).

Bild 3. Beispiel Versuchsablauf: Bestimmung der Fadenlänge eines mit Kaolin gefüllten Flüssigharzes

DVS 354 9


4 Experimentelle Ergebnisse

4.1 Rheologie

Aus den rheologischen Ergebnissen (Bild 4/Fließkurve) ist ersichtlich, dass die Schubspannungsfunktion eine

konstante Steigung aufweist (Fließindex n=1). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die untersuchten

Flüssigharzen Epilox ® der Firma Leuna Harze ein rein viskoses (newtonsches) Fließverhalten aufweisen.

10000

A17‐01 A18‐00

1000

A19‐00 A19‐02

[τ] in Pa

100

10

1

0

0 1 5 50 500

Scherrate in s-1

Bild 4. Fließkurve der Flüssigharze Epilox A17-01 / A18-00 / A19-00 / A19-02

4.2 Fadenzugversuch

Unter der Berücksichtigung der rheologischen Ergebnisse (Abschnitt 4.1) resultiert, dass die Fadenlänge (ε He,max )

der Flüssigharze mit zunehmender Viskosität steigt (Bild 5). Des Weiteren wird deutlich, dass durch Erhöhung der

Abzugsgeschwindigkeit (von 5 mm/s auf 40 mm/s) die maximale Fadenlänge (ε He,max ) zunimmt.

Hencky-Dehnug max ε He,miax

6,0

5,5

Mittelwert 5mm/s

Mittelwert 30 mm/s

Mittelwert 15 mm/s

Mittelwert 40 mm/s

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

[η] in Pa s

Bild 5. Fadenzugverusch nach (Bild 3). Maximale Hencky-Dehnung als Funktion der Viskosität; Leunaharze von rechts nach

links Epilox A17-01 / A18-00 / A19-00 / A19-02

10 DVS 354


5 Numerische Strömungssimulation

Die Simulationssoftware Ansys Polyflow® basiert auf der Finite-Elemente-Methode (FEM). Für die Simulation des

Fadenzuges viskoser und viskoelastischer Fluide bietet das Programm viele Vorteile gegenüber anderen

Programmen wie Fluent®, da freie Oberflächen sehr gut ohne Simulation eines anderen Fluides realisiert werden

können. Darüber hinaus stehen dem Anwender die wichtigsten empirischen Gleichungen zur Beschreibung des

Fließverhaltens von nicht-newtonschen Flüssigkeiten und viskoelastischen Materialmodellen zur Verfügung.

Zu Beginn der Simulation wurde ein zylindrisches Volumen (Höhe: 0,5 mm, Radius: 6,35 mm) definiert, das exakt

dem Texturanalyser TA.XT Experiment entspricht (Abschnitt 3.2). Der Boden des Zylinders wurde fixiert und eine

Null-Wandgeschwindigkeit definiert, der obere Stempel wurde als Bewegung mit einer linearen

Abzugsgeschwindigkeit definiert. Die Flanke des Zylinders wurde als eine freie Oberfläche definiert, und einer für

das Material entsprechenden Oberflächenspannung zugewiesen. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wurde

ein 2-D achsensymetrisches Modell genutzt.

Die Vernetzung wurde mit dem Elemententyp "Triangle best split" als Netzmethode durchgeführt, um

sicherzustellen, dass es bei der Simulation nicht zu Netzinstabilitäten kommen kann. Da der größte Teil der

Verformung zum freien Rand hin erfolgt, wurde eine Gitterverfeinerung zum freien Rand hin durchgeführt. Das

resultierende Netz vor der Verformung ist in Bild 5 dargestellt. Für die Wiedervernetzung (remeshing) wurde der

Lagrange-Formalismus verwendet.

Bild 6. Vernetzung der in Abschnitt 3.3 beschriebenen Geometrie (TA-XT)

Die Grundproblematik des Fadenzuges in der numerischen Strömungssimulation besteht darin, dass der

„Fadenabriss“ nicht implementiert ist. Das hat zur Folge, dass dieser unendlich dünn wird, bis die minimale

Elementdicke erreicht ist und das Netzt kollabiert. Dies lässt sich jedoch umgehen, indem ein Abrisskriterium

definiert wird. Dieses kann über eine definierte (maximale) Spannung oder durch eine bestimmte (minimale)

Fadendicke (beim Fadenriss) definiert werde. Dazu wurde der in Abschnitt 3.3 beschriebene Versuch mit dem

Flüssigharz A 19-00 simuliert (Bild 7).

Bild 7. Beispiel Versuchsablauf „Abzugsversuch“: Ein Spalt (0.5mm) einer viskosen Flüssigkeit (hier als Beispiel A19-00) wird

mit einer definierten Geschwindigkeit auseinander gezogen. Dabei wird die Fadendicke als Funktion des Durchmessers

bestimmt.

DVS 354 11


In Bild 8 wird ebenfalls, wie bereits in Abschnitt 4.2 dargestellt, deutlich, dass die Abzugsgeschwindigkeit die

Fadenlänge vergrößern kann. Des Weiteren ist ersichtlich, dass ab einer bestimmten Fadendicke, sich an der

Fadenlänge (Hencky-Dehnung) keine signifikante Steigerung erkennen lässt. Diese Fadendicke, ab der sich an der

Fadenlänge keine wesentliche Änderung auftritt, beträgt 10 μm (Bild 8). Aus allgemein theoretischen Überlegungen

ist dies nachvollziehbar, da sich der Fadendurchmesser exponentiell verjüngt.

Dt = D 0 e -1 2 εt

Hencky-Dehnug

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

Simulation 5mm/s

2,0

Simulation 15mm/s

1,5

Simulation 30mm/s

1,0

Simulation 40mm/s

0,5

0,0

0,1 1 10 100 1000 10000

Fadendurchmesser [d] in μm

Bild 8. Numerische Strömungssimulation Experiment 3.3 mit A19-00. Hencky-Dehnung als Funktion des Fadendruchmessers.

Anhand dieser Erkenntnis lässt sich ein Fadenabrisskriterium mit 10 μm definieren. Zur Validierung wurden die in

3.3 durchgeführten Experimente für alle vier Leunaharze simuliert und die maximale Hencky-Dehnung (ε He,max )

mit den experimentell gewonnen Daten verglichen (siehe Bild 9).

5,5

Hencky-Dehnug max ε He,miax

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

Experiment 40mm/s

Simulation 40 mm/s

2,0

1,00 3,00 5,00 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 19,00 21,00

[η] in Pa s

Bild 9. Vergleich experimentelle Ergebnisse mit numerischer Strömungssimuation der maximalen Hencky-Dehnung.

Exemplarisch für 40 mm/s

In Bild 9 wird deutlich, dass die Ergebnisse aus der numerischen Strömungssimulation mit den aus 4.2

stammenden experimentellen Ergebnissen mit einer geringen Abweichung von maximal 0.1 % sehr gut

übereinstimmen. Für die anderen Abzugsgeschwindigkeiten (5/15/30 mm/s) zeichnet sich das gleiche Bild mit der

gleichen Standardabweichung ab.

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