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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