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SB_21002BGLP

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2022<br />

Abschlussbericht<br />

DVS-Forschung<br />

Untersuchung und<br />

Optimierung der<br />

Prozessparameter und<br />

Werkzeuge zum<br />

Unterwasserkleben von<br />

Halterungssystemen


Untersuchung und Optimierung<br />

der Prozessparameter und<br />

Werkzeuge zum<br />

Unterwasserkleben von<br />

Halterungssystemen<br />

Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />

IGF-Nr.: 21.002 BG<br />

DVS-Nr.: V4.3223<br />

Leibniz Universität Hannover Institut für<br />

Werkstoffkunde (IW)<br />

Fraunhofer-Gesellschaft e.V.<br />

Fraunhofer-Institut für Großstrukturen<br />

in der Produktionstechnik IGP<br />

Förderhinweis:<br />

Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.002 BG / DVS-Nr.: V4.3223 der Forschungsvereinigung<br />

Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,<br />

wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen<br />

Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz<br />

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />

Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />

unter: http://dnb.dnb.de<br />

© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />

DVS Forschung Band 555<br />

Bestell-Nr.: 170665<br />

I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-555-2<br />

Kontakt:<br />

Forschungsvereinigung Schweißen<br />

und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />

T +49 211 1591-0<br />

F +49 211 1591-200<br />

forschung@dvs-hg.de<br />

Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />

vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />

Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.


Schlussbericht vom 27.01.2023<br />

zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

Thema<br />

Untersuchung und Optimierung der Prozessparameter und Werkzeuge zum Unterwasserkleben<br />

von Halterungssystemen<br />

Berichtszeitraum<br />

01.02.2020 bis 31.07.2022<br />

Forschungsvereinigung<br />

Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS<br />

Aachener Straße 172<br />

40223 Düsseldorf<br />

Forschungseinrichtungen<br />

FE 1: Fraunhofer – Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP<br />

FE 2: Leibniz Universität Hannover – Institut für Werkstoffkunde IW


Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

1 Einleitung ........................................................................................................................ 16<br />

1.1 Problemstellung und Zielsetzung .................................................................................. 16<br />

1.2 Lösungsansatz ............................................................................................................. 17<br />

2 Derzeitiger Stand der Technik und Forschung ................................................................. 19<br />

2.1 Kleben unter Wasser .................................................................................................... 19<br />

2.2 Dauerhaftigkeit von Unterwasserklebungen .................................................................. 20<br />

2.3 Reinigung und Oberflächenvorbehandlung unter Wasser ............................................. 21<br />

2.4 Heizsysteme unter Wasser ........................................................................................... 22<br />

2.5 Anlagentechnik zum Unterwasserkleben ...................................................................... 23<br />

2.6 Abgrenzung zum IGF-Antrag „Offshorekleben“ (FOSTA VP 1393) ............................... 25<br />

3 AP 1 Experimentelle Untersuchung von Oberflächenvorbereitungsverfahren .................. 26<br />

3.1 Randbedingungen ........................................................................................................ 26<br />

3.2 Mechanisches Oberflächenvorbehandlungsverfahren .................................................. 27<br />

3.2.1 Notwendigkeit einer Anwendung eines mechanischen<br />

Oberflächenvorbehandlungsverfahren ............................................................ 27<br />

3.2.2 Auswahl von Oberflächenvorbehandlungsverfahren ....................................... 28<br />

3.2.3 Untersuchung von Oberflächenvorbehandlungsverfahren ............................... 29<br />

3.3 Auswahl von Klebstoffsystemen ................................................................................... 35<br />

4 AP 2 Entwicklung von Systemen zur Abdichtung und Aushärtung der Klebfuge .............. 36<br />

4.1 AP 2.1 Entwicklung eines korrosionsgeschützten, abgedichteten Halterdesigns .......... 36<br />

4.1.1 Notwendigkeit einer Abdichtung des Klebspalts .............................................. 36<br />

4.1.2 Auswahl einer optimalen Abdichtungsmöglichkeit der Injektionsstellen ........... 38<br />

4.1.3 Final weiterentwickeltes Halterdesign ............................................................. 47<br />

4.2 AP 2.2 Entwicklung und Erprobung eines Heizsystems für den Unterwassereinsatz .... 48<br />

4.2.1 Notwendigkeit einer Unterwasserheizvorrichtung ............................................ 48<br />

4.2.2 Anforderungen an eine Unterwasserheizvorrichtung ....................................... 49<br />

4.2.3 Herstellungsprozess der Neuentwicklung der Unterwasserheizvorrichtung ..... 54<br />

4.2.4 Parametersammlung für umgebungs- und klebstoffabhängige Einflüsse ........ 65<br />

4.2.5 Grenzen dieses Funktionsmusters einer Unterwasserheizvorrichtung ............ 70<br />

5 AP 3 Entwicklung eines Versuchsstandes für Mehrstufen-Injektionsverfahren ................ 72<br />

5.1 AP 3.1 Anforderungsliste .............................................................................................. 72<br />

5.2 AP 3.2 Konstruktion und Entwicklung ........................................................................... 73<br />

5.2.1 Erste Versuche unter Wasser ......................................................................... 75<br />

5.2.2 Versuche unter Wasserdruck .......................................................................... 75


Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

6 AP 4 Analyse von Prozessparameter-Einflüssen unter Zuhilfenahme von<br />

Sekundäranalytik ............................................................................................................. 79<br />

7 AP 5 Entwicklung eines Demonstratorwerkzeuges für UW-Klebprozess ......................... 96<br />

7.1 AP 5.1 Entwicklung ....................................................................................................... 96<br />

7.1.1 Morphologische Analyse ................................................................................. 96<br />

7.1.2 Versuchsaufbau und Anforderungen an das Prototypenwerkzeug für den<br />

Unterwassereinsatz ........................................................................................ 98<br />

7.1.3 CAD Entwicklung .......................................................................................... 103<br />

7.1.4 Herstellung und Montage der Einzelkomponenten ........................................ 109<br />

7.1.5 Steuerungssystem ........................................................................................ 113<br />

7.2 AP 5.2 Erprobung ....................................................................................................... 120<br />

7.2.1 Erprobung im Versuchsbecken des UWTH ................................................... 120<br />

7.2.2 Erprobung in der Druckkammer des UWTH .................................................. 122<br />

8 AP 6 Alterungsuntersuchungen an Halterproben mit optimierten Parametersätzen ....... 125<br />

8.1 Probenherstellung ...................................................................................................... 125<br />

8.2 Auslagerung ............................................................................................................... 128<br />

8.2.1 Auslagerung im Laborwasser ........................................................................ 128<br />

8.2.2 Auslagerung im Freiwasser ........................................................................... 129<br />

8.2.3 Probenentnahme und -konditionierung ......................................................... 131<br />

8.3 Bestimmung der Zugscherfestigkeit ............................................................................ 132<br />

9 AP 7 Klebungen mit Demonstratorwerkzeug in UW-Becken .......................................... 144<br />

10 AP 8 Merkblattentwurf und Abschlussbericht ................................................................. 150<br />

10.1 Zweck und Geltungsbereich des Merkblattes ............................................................. 150<br />

10.2 Bauteile ...................................................................................................................... 150<br />

10.3 Klebtechnische Ausrüstung ........................................................................................ 151<br />

10.4 Oberflächenvorbehandlung ........................................................................................ 152<br />

10.5 Klebprozess ................................................................................................................ 152<br />

10.6 Allgemeine Hinweise .................................................................................................. 157<br />

11 Ergebnisse und Ausblick ............................................................................................... 160<br />

11.1 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den<br />

Zielen ......................................................................................................................... 160<br />

11.2 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für kleine und<br />

mittlere Unternehmen (KMU) ...................................................................................... 166<br />

11.3 Verwendung der Zuwendung ...................................................................................... 167<br />

11.4 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten .................................... 167<br />

11.5 Ergebnistransfer ......................................................................................................... 167<br />

11.6 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzeptes .......................................... 170<br />

11.7 Danksagung und Förderhinweis ................................................................................. 171


Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

12 Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 172<br />

13 Anhang .......................................................................................................................... 178


Seite 16 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

1 Einleitung<br />

1.1 Problemstellung und Zielsetzung<br />

Im Zuge des technischen Einsatzes und nachträglicher Modernisierungsarbeiten von<br />

wasserwirtschaftlichen Anlagen und Wasserfahrzeugen werden heutzutage an die<br />

Primärstruktur, z. B. an Schiffrümpfen, Offshorestrukturen, Schleusenanlagen und Spundwände,<br />

diverse sekundäre Anbauteile montiert, die für den sicheren Betrieb und einer langen Nutzbarkeit<br />

zwingend notwendig sind. Für den effektiven Einsatz von Offshorestrukturen werden<br />

beispielsweise Kabel und Rohre, aber auch Messsysteme, wie Sensoren und Sonarsender,<br />

Korrosionsschutzequipment oder Leitern für das Personal benötigt, die alle an Halterungen sicher<br />

und zuverlässig montiert sein müssen (Beispiele siehe Abbildung 1, links). [1]<br />

Abbildung 1: Verbaute Ausrüstungsgegenstände an einer Offshore-Struktur (links),<br />

Unterwasserschweißen (rechts oben), unter Wasser geschweißter Gewindebolzen<br />

an Primärstruktur (rechts unten)<br />

Halterungen mit einem Befestigungselement, wie z. B. einem Stehbolzen, wurden bis dato häufig<br />

durch Unterwasserschweißen gefügt, wie in Abbildung 1 (rechts) dargestellt ist.<br />

Schweißtechnische oder mechanische Fügeverfahren sind im Unterwasserbereich jedoch nur mit<br />

großem technischen Aufwand realisierbar, wodurch viele negative Resultate auftreten können,<br />

wie beispielsweise Wärmeeinbringung in den Grundwerkstoff und Beschichtung, Korrosion oder<br />

Reduzierung der Kerbfallklasse und der damit einhergehenden Minderung der Dauerfestigkeit.<br />

Alternativ bringt das klebtechnische Fügeverfahren viele Vorteile mit (z. B. geringe<br />

Wärmeeinbringung, keine Schädigung und Schwächung der zu fügenden Bauteile, weniger<br />

Risiken für Taucher) und gewinnt im Unterwasserbereich zunehmend an Bedeutung. [2, 3]<br />

Um im Unterwasserbereich die Integration der Klebtechnik zu forcieren, muss vor allem der<br />

Klebprozess zum nachträglichen Anbringen von Haltern auf die Primärstruktur sicherer und<br />

reproduzierbarer gemacht werden. Eine Basis wurde bereits im vorangegangenen<br />

Forschungsprojekt Entwicklung eines Verfahrens zum prozesssicheren Kleben von Halterungen


Seite 17 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

unter Wasser (IGF-Vorhaben Nr. 19493 BR) geschaffen. Um diesen Entwicklungsstand zu<br />

optimieren und weiterzuentwickeln, wurde durch den Fachausschuss Unterwassertechnik (FA<br />

V4) des DVS die Bearbeitung des Forschungsprojektes Untersuchung und Optimierung der<br />

Prozessparameter und Werkzeuge zum Unterwasserkleben von Halterungssystemen (IFG-<br />

Vorhaben NR. 21.002 BG) in die Wege geleitet.<br />

1.2 Lösungsansatz<br />

Die Weiterentwicklung soll die Beherrschbarkeit und Reproduzierbarkeit eines klebtechnischen<br />

Fügeverfahrens zum Anbringen von Halter unter Wasser maximieren.<br />

Da die Oberflächenvorbehandlung ein signifikant wichtiger Prozessschritt ist, um<br />

Klebverbindungen mit großer Güte und Lebensdauer zu realisieren, werden im ersten<br />

Bearbeitungsschritt mechanische Oberflächenvorbehandlungsverfahren bei praxisnahen<br />

Umgebungsbedingungen hinsichtlich ihrer Reinigungsqualität untersucht. Denn Oberflächen, die<br />

über einen langen Zeitpunkt unter Wasser eingesetzt werden, sind teilweise mit starkem<br />

Bewuchsschichten (engl. „fouling“), d. h. biologischen Ablagerungen, überzogen, die eine<br />

leistungsfähige Klebverbindung verhindern. Die Steigerung der Immunität von Klebverbindungen<br />

gegenüber dem umliegenden Wasser ist ein zweiter wichtiger Baustein, um die<br />

Langzeitbeständigkeit zu erhöhen. Hierzu erfolgen Optimierungsarbeiten des bis dato<br />

entwickelten Halterdesigns, die sich vor allem auf eine dauerhafte Abdichtung der Klebfuge<br />

fokussieren. Da sich unbekannte Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Temperatur, negativ auf<br />

die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Klebprozesses auswirken können, ist die Entwicklung<br />

einer Unterwasserheizvorrichtung als Funktionsmuster notwendig. Durch die Gewährleistung<br />

höherer Temperaturen während des Klebprozesses kann beispielsweise die Viskosität des<br />

Klebstoffes herabgesetzt werden, wodurch dieser die Oberfläche ideal benetzen und<br />

Adhäsionskräfte ausbilden kann. Während des Aushärtevorganges ist durch höhere<br />

Temperaturen eine Nachvernetzung („Tempereffekt“) möglich, womit ein beschleunigter<br />

Kohäsionsaufbau im Klebstoff sowie kürzere Prozesszeiten einhergehen.<br />

In einem weiteren Bearbeitungsschritt erfolgt die Entwicklung eines Versuchsstandes zur<br />

Durchführung eines Mehrstufen-Injektionsverfahrens (Reinigen, Klebstoffinjektion), mit dem<br />

unterschiedliche Prozessparameter zuverlässig eingestellt werden können. Mit diesem<br />

Versuchsstand sowie dem zuvor weiterentwickelten Halterdesign geschehen anschließend<br />

Prozessparameteruntersuchungen, woran unter Zuhilfenahme von Sekundäranalytik, die<br />

Reinigungswirkung, hinsichtlich z. B. Salzkontaminationsgrad und Benetzungsgrad,<br />

verschiedener Medien beurteilt werden kann. Das Ziel ist die Ermittlung der optimalen<br />

Prozessparameter zur Steigerung der Reproduzierbarkeit sowie zur Optimierung der<br />

Prozesszeiten. Die Erkenntnisse daraus bilden die Grundlage für die Entwicklung eines<br />

Demonstratorwerkzeuges zur Durchführung eines manuellen sowie teilautomatisierten<br />

Unterwasserklebprozesses. Das Demonstratorwerkzeug ermöglicht die sichere Fixierung des<br />

Halters an der Fügeteiloberfläche, die prozesssichere Ausführung des Mehrstufen-<br />

Injektionsverfahren inklusive der ermittelten optimalen Prozessparameter, die Aushärtung mittels<br />

der integrierten Heizvorrichtung sowie die Abschottung störender Umwelteinflüsse. In praktischen<br />

Anwendungsversuchen werden hiermit prozesstechnische Einflüsse, wie die Wassertiefe, die<br />

Oberflächenbeschaffenheit, die lokale Trocknung sowie die Verarbeitungseigenschaften der im<br />

Projekt betrachteten Klebstoffe, auf das Unterwasserkleben untersucht. Darüber hinaus erfolgen<br />

mit dem entwickelten Demonstratorwerkzeug und den optimierten Parametersätzen<br />

teilautomatisierte Halterklebungen im Injektionsverfahren sowie anschließende


Seite 18 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

Alterungsuntersuchungen. Dabei werden Proben einer Alterung durch Freiwasserauslagerung<br />

sowie durch beschleunigter Laborauslagerung ausgesetzt und anschließend zerstörend geprüft.<br />

Dies liefert Kenntnisse über die Leistungsfähigkeit unter Wasser hergestellter Probekörper. Zur<br />

Verifizierung der gesammelten Ergebnisse für den industriellen und praxisnahen Einsatz sowie<br />

der Erprobung der Werkzeugnutzung, erfolgen in einem Versuchsbecken des<br />

Unterwassertechnikums Hannover finale Halterklebungen von Tauchern.<br />

Alle gesammelten Ergebnisse werden abschließend im Abschlussbericht zusammengefasst und<br />

detailliert dokumentiert. Das im Vorgängerprojekt „Unterwasserkleben“ erstellte DVS-Merkblatt<br />

wird umfassend ergänzt.<br />

Die Bearbeitung erfolgt sowohl am Fraunhofer – Institut für Großstrukturen in der<br />

Produktionstechnik IGP als auch an der Leibniz Universität Hannover – Institut für<br />

Werkstoffkunde IW. Der Lösungsweg zum Erreichen der Forschungsziele ist übersichtlich im<br />

Arbeitsplan in Abbildung 2 zusammengefasst.<br />

Abbildung 2: Arbeitsplan und Lösungsweg


Seite 19 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 21.002 BG<br />

2 Derzeitiger Stand der Technik und Forschung<br />

2.1 Kleben unter Wasser<br />

Beim Unterwasserkleben ist die zu verklebende Oberfläche durch das adsorbierte Wasser nur<br />

eingeschränkt benetzungsfähig. Zudem folgt aus der beim Kleben obligatorischen mechanischen<br />

Vorbehandlung durch z. B. Strahlen oder ähnliche Verfahren eine hohe Reaktivität der<br />

Oberfläche, sodass das umgebende Wasser besonders stark adsorptiv gebunden wird [4], was<br />

zur Benetzungsbehinderung beim Klebstoffauftrag führt. Daraus ergeben sich grundlegende<br />

Unterschiede zum Kleben an trockener Atmosphäre. Es besteht die Herausforderung, das<br />

Wasser von der Oberfläche zu entfernen und die Diffusion von Wassermolekülen in die<br />

Klebschicht zu verhindern.<br />

IGF-Projekt „Unterwasserkleben“ (IGF Nr. 19493 BR, Laufzeit 03/17 - 05/19)<br />

Im Projekt „Unterwasserkleben“ wurde am Fraunhofer IGP ein Verfahren für Klebungen unter<br />

Wasser entwickelt. Bei dem Verfahren wird die Fügeteiloberfläche mittels des<br />

Drahtspannstrahlens unter Wasser gereinigt und anschließend mittels einer ringförmigen<br />

Flächendichtung und der Grundplatte<br />

des Halters eine abgeschlossene Kavität<br />

erzeugt. Die Kavität wird dann in einem<br />

mehrstufigen Prozess mit<br />

unterschiedlichen Medien (Druckluft,<br />

demineralisiertem Wasser, Primer)<br />

gespült (vgl. Abb. 1), um die Oberfläche<br />

klebgerecht<br />

vorzubehandeln.<br />

Abschließend erfolgen die Injektion des<br />

Klebstoffes und eine beschleunigte<br />

Aushärtung durch ein Heizsystem. Bisher<br />

kaum untersucht ist der Einfluss der<br />

Prozessparameter auf die Eigenschaften<br />

(z. B. Festigkeit, Langzeitbeständigkeit) Abb. 1: Versuchsaufbau für mehrstufigen<br />

der Klebverbindung. Die bisherigen Ergebnisse<br />

Injektionsprozess<br />

wurden mit einem nicht weiter untersuchten<br />

Parametersatz aus Spülzeit/-menge, Trocknungsdauer, Primerinjektionszeit/-schichtdicke,<br />

Klebstoffinjektionsdruck sowie Aushärtetemperatur und -zeit ermittelt. Systematische<br />

Untersuchungen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Klebung wurden nicht durchgeführt.<br />

Zudem fehlt der Nachweis der tatsächlichen Anwendbarkeit durch Taucher oder ROVs, da<br />

bisherige Arbeiten im Labor mithilfe angepasster Hilfswerkzeuge (manuelle Kartuschenpressen,<br />

Vakuumsaugdüsen, Magnethalterungen während der Klebstoffaushärtung etc.) durchgeführt<br />

wurden. Es fehlt ein Demonstratorwerkzeug, dass die notwendigen Einzelfunktionen in einer<br />

robusten Bauweise vereint und autark von Umweltbedingungen funktioniert. [5, 6, 2]<br />

Weitere Entwicklungen und Anwendungen zum Unterwasserkleben<br />

Auf dem Markt vorhandenen Klebstoffsysteme für den Unterwasserbereich finden vorrangig in<br />

nicht industriellen Bereichen wie z. B. der Schwimmbecken- und Bootsreparatur Verwendung [7,<br />

8]. Auch zur Sanierung von Rissen, Hohlräumen und Fehlstellen in Beton, Holz und Faser-<br />

Kunststoff-Verbunden existiert beispielsweise ein zweikomponentiges Injektionsharz, das<br />

prinzipiell unter Wasser eingesetzt werden kann [9]. Es gibt Lösungsansätze für Klebprozesse<br />

unter Wasser, bei denen das Wasser vor der Klebstoffapplikation beispielsweise mittels Druckluft

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