SB_20655NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Nachweisführung für die
Beanspruchbarkeit von
hyperelastischen Klebverbindungen
unter
betriebsrelevanten
Bedingungen II

Nachweisführung für die
Beanspruchbarkeit von
hyperelastischen
Klebverbindungen unter
betriebsrelevanten
Bedingungen II
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.655 N
DVS-Nr.: 08.3117
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung IFAM
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.655 N / DVS-Nr.: 08.3117 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 Klimaschutz
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
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 549
Bestell-Nr.: 170659
ISBN: 978-3-96870-549-1
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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Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung ............................................................................................................................... 4
Abstract ...................................................................................................................................... 5
Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................................... 6
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................. 10
Tabellenverzeichnis .................................................................................................................. 18
Abkürzungsverzeichnis............................................................................................................. 22
1 Einleitung .......................................................................................................................... 26
1.1 Motivation und Problemstellung ................................................................................. 26
1.2 Zielsetzung ................................................................................................................. 28
1.3 Arbeitshypothesen ..................................................................................................... 28
1.4 Lösungsweg ............................................................................................................... 29
2 Stand der Technik ............................................................................................................. 32
2.1 Klebtechnik ................................................................................................................ 32
2.2 Nachweisführung ....................................................................................................... 33
2.3 Lastfälle ...................................................................................................................... 36
2.4 Diffusion und Alterung ................................................................................................ 37
2.5 Materialmodelle für hyperelastische Klebstoffe ........................................................... 39
2.6 Versagenskriterien ..................................................................................................... 43
2.7 Kriechverhalten .......................................................................................................... 45
2.8 Ermüdungsverhalten .................................................................................................. 45
3 Werkstoffauswahl und Probenfertigung ............................................................................. 48
3.1 Klebstoffe ................................................................................................................... 48
3.2 Fügeteile .................................................................................................................... 50
3.3 Probenfertigung .......................................................................................................... 50
4 Versuche zur Bestimmung eines hyperelastischen Materialmodells und eines
Bemessungskriteriums für die Klebstoffe .................................................................................. 52
4.1 Quasi-statischer Zugversuch an Substanzproben ...................................................... 52
4.1.1 Prüfung bei RT .................................................................................................... 54
4.1.2 Prüfung konditionierter Proben bei 40°C ............................................................. 55
4.2 Quasi-statischer Rundkopfzugversuch ....................................................................... 57
4.2.1 Prüfung bei RT .................................................................................................... 59
4.3 Quasi-statischer Kopfzugversuch ............................................................................... 63
4.3.1 Prüfung bei RT .................................................................................................... 64

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Inhaltsverzeichnis
4.3.2 Prüfung konditionierter Proben bei 40°C ............................................................. 66
4.4 Quasi-statischer Zugscherversuch ............................................................................. 68
4.4.1 Prüfung bei RT .................................................................................................... 69
4.4.2 Prüfung konditionierter Proben bei 40°C ............................................................. 72
4.5 Quasi-statischer Zugversuch an der rechteckigen Kopfzugprobe ............................... 74
4.5.1 Prüfung bei RT .................................................................................................... 75
4.6 Kombinierte Abminderungsfaktoren für statische Belastung ....................................... 77
5 Implementierung eines hyperelastischen Materialmodells und eines Bemessungskriteriums
für das Nachweisverfahren ....................................................................................................... 79
5.1 Implementierung eines hyperelastischen Marlow-Modells .......................................... 79
5.1.1 Verfahren ............................................................................................................ 79
5.1.2 Experimentell gestützte Generierung volumetrischer Daten anhand der
Rundkopfzugproben .......................................................................................................... 81
5.1.3 Ermittlung der Querkontraktionszahl ................................................................... 85
5.1.4 Validierung des Modells anhand von Zugscher- und Kopfzugproben .................. 87
5.1.5 Einfluss der Vernetzung und der Elementdimensionalität auf die Steifigkeit ........ 89
5.1.6 Validierung bei 40/60........................................................................................... 92
5.2 Über das Versagen von hyperelastischen Klebstoffen ................................................ 93
5.3 Implementierung des Bemessungskriteriums ............................................................. 98
5.3.1 Definition ............................................................................................................. 98
5.3.2 Test des Bemessungskriteriums ....................................................................... 100
5.3.3 Festigkeitsprognose mit Steifigkeitsabbau durch Schädigung ........................... 103
5.3.4 Vernetzungsabhängigkeit .................................................................................. 106
5.4 Validierungsprobe .................................................................................................... 108
6 Klimabedingung und Diffusion ......................................................................................... 111
6.1 Vorgehensweise ....................................................................................................... 111
6.2 Messungen zur Konditionierung im Klimaschrank .................................................... 113
6.3 Messungen zur Konditionierung bei Freibewitterung ................................................ 113
6.4 FE-Simulation der Diffusion ...................................................................................... 115
6.4.1 Implementierung ............................................................................................... 115
6.4.2 Simulation der Konditionierung bei 40/60 .......................................................... 118
6.4.3 Simulation der Konditionierung bei Freibewitterung ........................................... 120
7 Schädigungsrelevanz der Feuchte .................................................................................. 126
7.1 Konditionierung der Proben ...................................................................................... 126
7.2 Mechanische Prüfung ............................................................................................... 128
7.2.1 Quasi-statische Prüfung .................................................................................... 129

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Inhaltsverzeichnis
7.2.2 Zyklische Prüfung .............................................................................................. 133
7.3 Abminderungsfaktoren für Feuchtigkeit und Temperatur .......................................... 133
8 Ermüdungs-, Schädigungs- und Rissinitiierungsverhalten bei zyklischer Beanspruchung 136
8.1 Definition .................................................................................................................. 136
8.2 Methodik der Ermüdungsversuche ........................................................................... 139
8.3 Ermüdungsversuche an der Kopfzugprobe .............................................................. 141
8.3.1 Versuche bei RT ............................................................................................... 141
8.3.2 Einfluss der Frequenz ....................................................................................... 143
8.3.3 Versuche bei 40/60 ........................................................................................... 144
8.4 Ermüdungsversuche an der Zugscherprobe ............................................................. 146
8.4.1 Versuche bei RT ............................................................................................... 146
8.4.2 Versuche bei 40/60 ........................................................................................... 148
8.5 Auslegungswöhlerlinien und Mittelspannungskorrektur ............................................ 150
8.6 Ermüdungsversuche bei variabler Amplitude ........................................................... 156
8.7 Messung der Schädigung und Bewertung der Rissinitiierung ................................... 158
8.8 Abminderungsfaktoren bei zyklischer Beanspruchung ............................................. 167
9 Verfahren zur rechnerischen Lebensdauerprognose und Betriebsfestigkeitsbewertung .. 169
9.1 Anforderungen ......................................................................................................... 169
9.2 Verfahren zur Erstellung von Vergleichsspannungswöhlerlinien ............................... 170
9.2.1 FE-Rechnung .................................................................................................... 172
9.2.2 Ermüdungsversagenskriterien ........................................................................... 172
9.3 Diskussion der Ergebnisse bei konstanter Amplitude ............................................... 173
9.3.1 Vergleichsspannungswöhlerlinien ..................................................................... 173
9.3.2 Einfluss der Vernetzung auf Berechnungszeit und Prognosegüte ..................... 179
9.4 Betriebsfestigkeitsbewertung bei variabler Amplitude ............................................... 179
9.4.1 Rainflow-Counting-Verfahren & Mittelspannungskorrektur ................................ 180
9.4.2 Schädigungsakkumulation ................................................................................ 182
9.5 Validierung des Verfahrens bei variabler Amplitude ................................................. 183
10 Kriechverhalten und -modellierung .............................................................................. 185
10.1 Kriechversuche unter Schubspannung bei 40/60 ..................................................... 185
10.2 Kriechversuche unter Zugspannung bei RT ............................................................. 188
10.3 Kriechmodellierung und -gesetz des PU-Klebstoffes ................................................ 192
10.4 Kriechmodellierung und -gesetz des SMP-Klebstoffes ............................................. 200
11 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................. 206
11.1 Zusammenfassung ................................................................................................... 206
11.2 Ausblick & Nachfolgeforschungsthemen .................................................................. 208

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Inhaltsverzeichnis
12 Literaturverzeichnis ...................................................................................................... 210
13 Danksagung an den Projektbegleitenden Ausschuss .................................................. 215
14 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse .... 216
15 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen. 218
16 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................................ 222
17 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ...................................... 225
18 Verwendung der Zuwendung ....................................................................................... 225
19 Angaben über gesetzliche Schutzrechte ...................................................................... 226
20 Förderhinweis .............................................................................................................. 227
21 Anhänge ...................................................................................................................... 228
21.1 Anhang A: Liste der quasi-statischen Versuche ....................................................... 228
21.2 Anhang B: Liste der zyklischen Versuche ................................................................. 229

Seite 26 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Kap. 1: Einleitung
1 Einleitung
Die Einleitung gliedert sich in 5 Unterkapitel. Zunächst werden die Motivation bzw.
Problemstellung in Abschnitt 1.1 dargestellt, auf der aufbauend das Ziel des Projekts zum
Forschungsbericht in Abschnitt 1.2 dargelegt wird. Die Arbeitshypothesen, die die Grundlage
für das Forschungsprojekt liefern, sind in Abschnitt 1.3 aufgeführt. Der Lösungsweg zur
Bearbeitung der offenen Forschungsfrage wird in Abschnitt 1.4 beschrieben.
1.1 Motivation und Problemstellung
Hyperelastische Klebstoffe sind gut für den Leichtbau mit unterschiedlichen Werkstoffen geeignet
(Multimaterialleichtbau, hybrider Leichtbau). Die hohe Verformbarkeit der Klebstoffe ermöglicht
die Kompensation von Wärmedehnungsunterschieden der Fügeteile (z.B. Metall und FVK oder
Glas und Stahl, sog. Δα-Problematik) und den Toleranzausgleich. Der Leichtbau führt zu einer
Senkung des Energieverbrauchs und zu einer Erhöhung der Nutzlast. Damit ergeben sich
günstigere Betriebskosten. Das hohe Vermögen des Toleranzausgleichs senkt die
Fertigungskosten. Aus diesen Gründen werden die Klebstoffe seit etwa 20 Jahren im
Schienenfahrzeugbau neben dem Kleben von Scheiben dafür eingesetzt, GFK-Köpfe,
Dachsegmente und Beplankungen, Schürzen und ähnliche Bauteile an die Primärstruktur aus
Stahl oder Aluminium zu kleben [1].
Mit dem Einsatz hyperelastischer Klebstoffe im Schiffbau [2] und im Schienenfahrzeugbau ergab
sich die Notwendigkeit einer in Regelwerken festgelegten Nachweisführung. Die wichtigsten
Regelwerke im Schienenfahrzeugbau sind das DVS Merkblatt 1618 [3] und die Norm DIN 6701
[4]. Bei der praktischen Umsetzung gibt es noch offene Fragestellungen: Anlass für die
Beantragung eines AiF Projektes (IGF-Nr. 18173 N) im Jahre 2014 war die Unsicherheit, wie mit
der Kombination von Feuchte, Temperatur und mechanischer Belastung umgegangen werden
soll. Das Projekt ist mit seiner Laufzeit bis zum 31.10.2017 abgeschlossen, der Abschlussbericht
[5] liegt vor.
Die Entwicklung der Regelwerke findet Fortsetzung in der DIN 2304 [6]. Die Projektergebnisse
des abgeschlossenen Projekts IGF-Nr. 18173 N wurden dem Arbeitskreis DVS Q1.3 vorgestellt
und fließen unmittelbar in die aktuell zu erarbeitende DVS-Richtlinie [5] ein. Der Arbeitskreis DIN
6701 wurde über die Projektergebnisse informiert. Noch offene Fragestellungen und die
Notwendigkeit weiterer Validierungsschritte führten zu der Anregung des projektbegleitenden
Ausschusses, ein Nachfolgeprojekt zu beantragen, mit dem die begonnenen Arbeiten
abgeschlossen werden können.
Bezüglich der Auswirkungen der Konditionierung (Temperatur/Feuchtigkeit) gibt es
Spezifikationen in der DIN 6701-3 [4] oder der DVS 1618 [3]. Die klimatischen Bedingungen sind
jedoch nicht repräsentativ für die Betriebsbeanspruchung der Klebverbindungen: Experimente
und Betriebserfahrungen zeigen, dass der beschriebene Ansatz in den meisten Fällen zu einer
Überdimensionierung führt. Experimentell führen die Prüfbedingungen häufig zu einem zu frühen
Versagen, das den Betriebserfahrungen widerspricht.
In einem stehenden Wagenkasten wurden im Verlauf des Vorgängerprojektes Feuchte und
Temperatur gemessen und darauf aufbauend ein Klima von 40°C und 60% relativer Feuchte für
eine mäßig beschleunigte Alterungsprüfung abgeleitet. Es wurde rechnerisch mit der Methode

Seite 27 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Kap. 1: Einleitung
der Finiten Elemente an einer typischen Klebfuge für eine Scheibenklebung gezeigt, dass eine
Auslagerung von ca. 1000 h bei 40°C und 60% relativer Feuchte einen stationären
Feuchtezustand erzeugt, der sich im Betrieb in mitteleuropäischem Klima im Inneren der Klebfuge
nach 1-2 Betriebsjahren einstellt. Damit wurde nachgewiesen, dass eine Alterung nach DVS 1618
(i) nicht betriebsrelevant ist, und es wurde ein alternatives Prüfklima mit einem rechnerischen
Verfahren abgeleitet, das den realen Betriebsbeanspruchungen näherkommt. Dazu fehlt
allerdings noch die experimentelle Überprüfung, die in dem aktuellen Forschungsprojekt erfolgen
soll. Zu diesem Zweck muss eine Vorgehensweise zur FE-Simulation der Diffusion von
Feuchtigkeit unter Berücksichtigung realer klimatischer Bedingungen bei Freibewitterung
entwickelt werden.
Die Bedeutung der hydrostatischen Spannung für das Versagen sowohl bei statischer als auch
bei zyklischer Belastung ist vielfach nachgewiesen worden [7–10]. Aufgrund dieses Verhaltens
ist die Anwendung typischer Versagenskriterien für Metalle (z. B. das Mises-Kriterium) für
hyperelastische Klebstoffe nicht geeignet. Bei der Entwicklung geeigneter Bemessungskriterien
sollte daher die polymere Natur des hyperelastischen Klebstoffs berücksichtigt werden. In diesem
Zusammenhang sollten auch das Phänomen der Kavitation, sein Zusammenhang mit der
hydrostatischen Spannung und seine Rolle beim Versagen von hyperelastischen Klebstoffen
untersucht werden. Der Einfluss der hydrostatischen Spannung auf die Schwingfestigkeit wurde
im Vorgängerprojekt durch die Betrachtung eines erweiterten Haigh-Diagramms behandelt. Das
erweiterte Haigh-Diagramm fügt der üblichen Mittelspannung und der Spannungsamplitude eine
dritte Dimension, die hydrostatische Spannung, hinzu.
Was die zyklische Beanspruchung angeht, so werden Klebverbindungen häufig mit variablen
Amplituden belastet, was Berechnungsmethoden erfordert, die in der Lage sind, Betriebslasten
mit unterschiedlichen Spannungsamplituden und Mittelspannungen zu berücksichtigen. Dies
schließt Schadensakkumulation und Ermüdungsversagenskriterien mit ein.
Das Kriechverhalten hyperelastischer Klebstoffe, die auch bei Raumtemperatur unter konstanter
statischer Belastung kriechen können, ist ein weiterer wichtiger Faktor, der im Nachweisverfahren
berücksichtigt werden muss. Insbesondere das Kriechverhalten der SMP-Klebstoffe, das mit dem
üblichen Kriechgesetz [3] nicht hinreichend beschrieben werden kann, steht im Fokus. Die SMP-
Klebstoffe zeigen eine sehr hohe bleibende Verformung nach Entlastung.
Unter Berücksichtigung der vorgenannten Normen und Richtlinien berücksichtigen die bestehenden
Kriechmodelle hauptsächlich Lastfälle mit Schubspannung. Wie bereits erwähnt, spielt
jedoch die hydrostatische Spannung eine wichtige Rolle für das Versagen. Daher sind Kriechgesetze
erforderlich, die Lastfälle mit vorherrschenden hydrostatischen Spannungen beschreiben
können. Darüber hinaus sollte das Kriechverhalten konditionierter Proben mit Feuchtigkeitssättigung
gemäß 40°C/60% r.F. untersucht werden.
Ein effizientes Nachweisverfahren sollte ein aufwändiges Versuchsprogramm vermeiden, das die
Entwicklungszeit und die Kosten für die Auslegung von geklebten Strukturen in die Höhe treibt.
Die Verwendung von Abminderungsfaktoren kann den Bedarf an Versuchen erheblich
reduzieren. Ein weiteres Thema, mit dem sich das aktuelle Projekt befasst, ist daher die Ableitung
von Abminderungsfaktoren für Temperatur und Feuchtigkeit.
Das aktuelle Forschungsprojekt lässt sich in die aktuelle Roadmap Klebtechnik [11] des
Gemeinschaftsausschusses Klebtechnik (GAK) zu den Themenfeldern im Schwerpunkt „Verständnis
Alterung“ und „Computer Aided Bonding“ eingliedern. Es trägt maßgeblich zum

Seite 28 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20655 N
Kap. 1: Einleitung
Gesamtziel „Kleben verstehen, Vertrauen schaffen“ durch die Steigerung der Zuverlässigkeit der
Auslegung geklebter Verbindungen und durch eine effizientere Berechnungsmethode mit hoher
Prognosegüte bei.
1.2 Zielsetzung
Hauptziel des Projektes ist, eine weitgehend validierte, möglichst einfach anzuwendende
Methode für die Nachweisführung bereitzustellen. Gleichzeitig sollen die Sicherheit, Zuverlässigkeit
und Effizienz des Nachweisverfahrens gegenüber dem Stand der Technik durch Verbesserung
des methodischen Ansatzes und Erweiterung der Datenbasis erhöht werden.
Darüber hinaus wurden die folgenden spezifischen Ziele definiert:
• Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik soll die Methode Überdimensionierungen von
Klebverbindungen verringern, um Gewicht und Kosten einzusparen.
o Ansatz: Genauere Materialmodelle und Versagenskriterien für statische und zyklische
Belastungen.
• Gleichzeitig wird als weiteres Ziel eine größtmögliche Sicherheit des Nachweisverfahrens
angestrebt, um weitere Anwendungen für hyperelastische Klebverbindungen im semistrukturellen
Bereich erschließen zu können.
o Ansatz: Genauere Ermittlung von Versagensmechanismen
• Ein drittes Teilziel ist die Beschränkung der Experimente im Nachweisprozess auf das
notwenige Minimum, um Entwicklungszeiten und Kosten zu reduzieren.
o Ansatz: Entwicklung von Methoden, die weniger aus Experimenten abgeleitete
Parameter erfordern.
1.3 Arbeitshypothesen
Basierend auf den Erkenntnissen und Untersuchungen aus dem Vorgängerprojekt und dem
Stand der Technik zu den Themen rund um das Nachweisverfahren für hyperelastische Klebstoffe
(Kapitel 2) wurden die folgenden Arbeitshypothesen aufgestellt:
• Die Berechnung des Klebstoffverhaltens mit einem hyperelastischen Materialmodell und
die anschließende Bemessung der Klebfuge mit dem kombinierten Streckungs-
Spannungs-Kriterium sind möglich. Mit Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors S=2 ist
die Betrachtung konservativ. Hierdurch wird eine relativ einfache, strukturierte
Dimensionierungsmethode mit hinreichender Genauigkeit hinterlegt, bei der auch der
hydrostatische Spannungszustand betrachtet wird. Dies reduziert das Risiko für KMU,
eine nicht akzeptierte Dimensionierungsmethode auszuwählen.
• Die im Prüfklima 40°C/60% r.F. konditionierte Klebfuge repräsentiert den Feuchtehaushalt
in einer nach außen offenen elastischen Klebfuge unter Langzeitbeanspruchung im
Betrieb. Die Methode zur Bestimmung des Prüfklimas kann auf andere Klimabedingungen
übertragen werden. Damit wird erstmals eine Methode zur Berücksichtigung eines
betriebsrelevanten Prüfklimas definiert. Hierdurch sinkt das Risiko der Überdimensionierung
aufgrund zu harter Prüfbedingungen.