SB_19795NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung des
Einsatzpotentials der
Klebtechnik zum Fügen
von endlos naturfaserverstärkten
Kunststoffen im
Automobil-Bereich

Untersuchung des
Einsatzpotentials der
Klebtechnik zum Fügen von
endlos naturfaserverstärkten
Kunststoffen im Automobil-
Bereich
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.795 N
DVS-Nr.: 08.098
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und
Fügende Fertigungsverfahren
RWTH Aachen
Institut für Textiltechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.795 / DVS-Nr.: 08.098 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 470
Bestell-Nr.: 170580
ISBN: 978-3-96870-470-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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zu IGF-Vorhaben Nr. 19795 N
Thema
Untersuchung des Einsatzpotenzials der Klebtechnik zum Fügen von endlos naturfaserverstärkten
Kunststoffen im Automobil-Bereich
Berichtszeitraum
01.01.2018 bis 30.06.2020
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Nr. 1: Universität Kassel, Institut für Produktionstechnik und Logistik, Fachgebiet Trennende und
Fügende Fertigungsverfahren (tff)
Nr. 2: Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA)
Kassel, 17.12.20
Ort, Datum
Moira Burnett, tff
Ort, Datum
Max Schmidt, ITA

Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des Forschungsantrags
Innerhalb dieses Projektes wird untersucht, inwieweit duromere Naturfaserkunststoffverbunde
für den semi-strukturellen Einsatz im Automobilbereich geeignet sind und welches Potenzial
die Klebtechnik für die Verbindung der NFK-Bauteile mit der Karosserie aufweist. Es ist anzumerken,
dass die Bearbeitung in Abstimmung mit dem PA an einigen Punkten von dem im
Forschungsantrag ursprünglich dargelegten Arbeitsprogramm abweicht.
AP1 Ermittlung der Anforderungen an die Fügeverbindung
Ziel: Anforderungsprofil von geklebten NFK-Bauteilen und Erstellung eines Lastenheftes, Festlegung
des Demonstrators und der Klebstoffe.
Inhalt: Gemeinsam mit dem PA wurde ein Demonstrator ausgewählt und dazu ein Anforderungsprofil
bzw. Lastenheft erstellt. Anschließend wurden passende Materialien für den faserverstärkten
Kunststoff sowie Klebstoffe mit Hilfe des PAs festgelegt. Für die NFK-Herstellung
wird ein Biaxialgelege und ein konventionelles am Markt erhältliches Epoxidharz verwendet,
da hierzu schon positive Erfahrungen vorliegen. Des Weiteren wurde der Vakuuminfusionsprozess
für die Fertigung der Verbundplatten herangezogen, der Prozess wurde während der
Projektlaufzeit gezielt variiert, um einen möglichst hohen Faservolumengehalt zu erzielen. Aus
dem mit dem PA abgestimmten Prozessverlauf wurden wichtige Eigenschaften für die Fügeverbindungen
und Klebstoffe abgeleitet. Für den Fügeprozess wurden durch den PA passende
Klebstoffsysteme festgelegt, wobei der Fokus auf 2 komponentige Klebstoffe gelegt wurde.
Hierbei wurde insbesondere die Temperaturbeständigkeit, Modul und Festigkeit berücksichtigt.
AP2 Charakterisierung der Grundmaterialien sowie Herstellung und Charakterisierung
unverscherter NFK
Ziel: Charakterisierung der Grundmaterialien und Modifizierung des Vakuuminfusionsverfahren
zur Fertigung von NFK mit duromerer Harzmatrix. Die relevanten Eigenschaften der Fasern,
Textilien sowie der Verbunde und der Klebstoffe wurden ermittelt und analysiert.
Inhalt: Die Verklebung des NFK-Substrats im Automobilbereich setzt genaue Kenntnisse der
mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien voraus. Hierzu wurden die Fasern
sowie die Reinklebstoffproben des Epoxidharzes hinsichtlich Festigkeitseigenschaften beurteilt.
Für die Beurteilung des Textils wurde das Gelege bzw. das Garn in Form eines Garnzugversuches
(DIN EN ISO 2061) bzw. eines Streifenzugversuches (DIN EN ISO 13934) untersucht
und die Ergebnisse zeigten eine starke Inhomogenität des Fasermaterials und gleichzeitig
den enormen Einfluss von Feuchtigkeit auf die Naturfasern. Für die Charakterisierung
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der Naturfaserkunststoffe wurde das Faservolumen bestimmt. Der entwickelte NFK weist ein
Faservolumengehalt von 37 % auf und dieser ist über den Querschnitt sehr inhomogen verteilt.
Dies ist ein sehr geringer Wert, da bei gleichem Herstellungsverfahren mit Glasfasern ein Faservolumen
von ca. 55 % möglich ist.
Es wurden Klebstoffe ausgewählt, die für die Verklebung von NFK im Automobilbereich geeignet
sein sollten. Als Basis für die Auswahl wurde das Lastenheft herangezogen. Die Klebstoffe
wurden hinsichtlich statischer und dynamischer Festigkeitseigenschaften sowie Temperaturbeständigkeit
bzw. -festigkeit charakterisiert. Die Untersuchungen ergaben, dass die Klebstoffe
für die Verklebung der NFK-Substrate geeignet sind.
AP3 Einfluss der Klebstoffsysteme und Oberflächenvorbehandlungen auf mechanische
Kennwerte der Klebung
Ziel: Ermittlung des Einflusses der ausgewählten Klebstoffsysteme und unterschiedlichen
Oberflächenvorbehandlungen auf die mechanischen Kennwerte von NFK-Klebverbunden, mit
besonderer Berücksichtigung der beschleunigten Alterung. Beurteilung einer möglichen direkten
Krafteinleitung in den NFK-Verbund durch Freilegung der Naturfasern.
Inhalt: Für die Beurteilung der ausgewählten Klebstoffe stand zuerst die Fertigung von Zugscherproben
(DIN 1465) im Vordergrund, umso die Adhäsionseigenschaften abschätzen zu
können. Zur Bestimmung der Zugscherfestigkeit wurden Prüfkörper aus NFK-Substraten und
Aluminium entsprechend der Klebstoff-Datenblätter gefertigt und anschließend geprüft. Nach
Prüfung zeigt das resultierende Bruchbild ein Faser-Matrix-Versagen bzw. einen Substratbruch
und es kann geschlussfolgert werden, dass keine Adhäsionsprobleme vorliegen.
Zusätzlich wurde geprüft, wie sich eine beschleunigte Klebstoffaushärtung bzw. niedrige oder
erhöhte Temperaturen während einer Belastung auf die Verbundfestigkeit auswirken. Es
zeigte sich, dass eine Klebstoffaushärtung bei erhöhter Temperatur zu einer Verbesserung
der Zugscherfestigkeit führt, wobei die NFK-Prüfkörper alle in der obersten Matrix-Faserschicht
versagten und sehr große Schwankungen in der Verteilung zu erkennen waren. Dagegen
zeigte die Auswertung der Zugscherversuche bei erhöhter Temperatur (+80°C) eine Abnahme
der Zugscherfestigkeit bei allen Proben. Die jeweiligen Bruchbilder zeigten hauptsächlich
kohäsives Klebstoffversagen. Die erzielten Ergebnisse entsprachen den Erwartungen,
denn bei Duromeren liegen Abhängigkeiten des Elastizitätsmoduls, der Festigkeit und der
Bruchdehnung von der Temperatur vor.
Die Prüfungen haben gezeigt, dass die klebtechnische Fügung gut möglich ist und ausreichende
Festigkeiten erzielt werden können, daher wurde in Absprache mit dem PA an dieser
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Stelle auf umfangreiche Versuch mittels Plasma und Laserbehandlung als mögliche Oberflächenvorbehandlungsverfahren
verzichtet. Innerhalb dieses Abschnittes wurde geprüft, ob eine
direkte Krafteinleitung in die Naturfaser bzw. in die einzelnen Faserbündel möglich ist und, ob
so eine bessere Krafteinleitung realisiert werden kann. Hierzu wurden Prüfkörper durch mechanische
Oberflächenvorbehandlungen wie z.B. Schleifen, Fräsen oder mittels Strahlgut von
der Matrixoberfläche befreit, so dass nach der Behandlung die erste Lage des Naturfaser-
Geleges frei vorliegt. Nach der Oberflächenbehandlung erfolgt die Reinigung von Staub und
anschließend die Herstellung der Zugscherprobekörper. Die Untersuchung zeigte, dass eine
Freilegung der Matrix zu keiner verbesserten Klebverbundfestigkeit führte, im Gegenteil der
NFK-Verbund wurde geschädigt und die Zugscherfestigkeiten reduziert.
AP4 Charakterisierung des NFK unter Berücksichtigung der Drapierung
Ziel: Die Drapier- bzw. Schereigenschaften des verwendeten Naturfasergeleges sollte ermittelt
werden und anschließend sollten die hergestellten NFK-Verbunde hinsichtlich mechanischer
Eigenschaften beurteilt werden.
Inhalt: Zur Durchführung einer Drapiersimulation wurden die Eigenschaften des Textils charakterisiert,
hierzu wurden die Biegesteifigkeit sowie der maximale Scherwinkel des Textils
bestimmt. Aus den gegebenen geometrischen Abmessungen des Scherrahmens ergibt sich
ein maximaler Scherwinkel von 5°. Dies ist im Vergleich zu üblichen Geweben ein sehr geringer
Wert und erschwert die Anpassung des Demonstratorbauteils an die Originalform, da dies
fehlerfrei herstellbar sein soll.
Die verscherten NFK-Proben wurden analog zu den unverscherten Proben geprüft. Es wurden
keine nennenswerten Unterschiede zu den unverscherten Proben festgestellt. Denn in der
Herstellung wurden die einzelnen, verscherten Lagen des Textils händisch platziert. Dadurch
waren Abweichung von wenigen Grad vom Sollwert zu erwarten, die das Messergebnis verfälschten.
Des Weiteren wurde zur Fertigung der Prüfkörper eine CNC-Fräse verwendet. Die
Ausrichtung der Substratplatten erfolgte ebenso manuell. Auch hier ist von einer Abweichung
um wenige Grad auszugehen.
Daher wurde abweichend vom Arbeitsplan, in Absprache mit dem PA, darauf verzichtet, die
um 5° verscherten NFK-Proben einer vertieften Werkstoffprüfung zu unterziehen oder zu verkleben.
Denn bereits der normale unverscherte NFK-Verbund weist starke Abweichungen vom
Faserverlauf und der Faserverteilung auf, sodass eine Verscherung um 5° nicht ins Gewicht
fallen würde.
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