Akustische Qualitätssicherung von Stahlblech-Verbundwerkstoffen ...

Stegmaier, Vohrer, Planck Stahlblech-Verbundwerkstoffe
Akustische Qualitätssicherung von Stahlblech-Verbundwerkstoffen -
Ein neues Leichtbaumaterial mit besonderen Herausforderungen für
die akustische Qualitätssicherung
Dr.-Ing. Thomas Stegmaier, Dipl.-Ing. Achim Vohrer (MSc), Prof. Dr.-Ing. Heinrich
Planck,
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf, Körschtalstr. 26, 73770
Denkendorf, Telefon: 0711 / 9340 – 0 ; Fax: 0711 / 9340 – 297
e-mail: thomas.stegmaier@itv-denkendorf.de / achim.vohrer@itv-denkendorf.de
1 Einleitung
Sowohl Verbundstoffe auf Basis textiler Komponenten als auch Blechverbunde mit Kunststoffeinlage
sind seit vielen Jahren in technischen Anwendungen im Einsatz. Sie zeichnen sich allgemein
durch ein geringes spezifisches Gewicht aus. Jedoch erfüllen sie nicht oder nur teilweise
Eigenschaftskombinationen wie hohe Steifigkeit bei gleichzeitig guter Schwingungsdämpfung
und Tiefziehbarkeit. Die Entwicklung eines neuen Stahlblech-Mehrschichtverbundes erzielt
hierin entscheidende Verbesserungen. Der Verbundstoff besteht aus zwei Hüllschichten aus
Metall und einer Kernschicht, die sich aus einer textilen Konstruktion und Klebstoff zusammensetzt.
Für die Anwendung im Karosseriebau lassen sich diese Komponenten so wählen, dass möglichst
hohe Körperschalldämpfung, sowohl mit hoher Steifigkeit und geringem Gewicht, als
auch guter Tiefziehfähigkeit des Verbundblechs kombiniert ist.
In den Verarbeitungsprozessen wird der Verbund i.d.R. verformt und es können bei hohen Beanspruchungen
Delaminationen auftreten. Fertige Bauteile aus Stahlblechverbundwerkstoffen
sollten deshalb zu 100 % auf Delamination geprüft werden. Als aussichtsreichste zerstörungsfreie
Prüftechnik wird die akustische Prüfung zur Sicherung der Qualität der Bauteile eingeschätzt.
Aufgrund der hohen Körperschalldämpfung sollten solche Bauteile nicht nur auf den Eigenfrequenzverlauf,
sondern zusätzlich auf das Abklingverhalten hin analysiert werden. Diese Bedingungen
sind zu koppeln mit denen des Tiefziehvorgangs, bei dem Ausdünnung oder Aufdickung
der Hüllbleche und der Verbundschicht stattfindet.
Der Vortrag beschäftigt sich mit der Vorgehensweise zur Lösung dieser Aufgabe sowohl in
virtueller als auch in realer Hinsicht. Das Ziel des Projekts, an dem sich unter anderem Institute
der Bereiche Mechanik und Umformtechnik beteiligen, ist die vollständige Erfassung der numerischen
Simulationsverfahren (Körperschall, Tiefziehbarkeit und Steifigkeit) einerseits und der
Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen eines optimierten Verbundblechs andererseits.
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Erste Ergebnisse des anlaufenden Projekts bestätigen, dass Veränderungen im akustischen Resonanzverhalten
zu Aussagen über die bestehende Qualität bzw. über die Gefahr relevanter
Schädigungen, insbesondere Delaminationen, beitragen können.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Weiterentwicklung der Simulationsverfahren
auf die Anwendung in der akustischen Qualitätssicherung für Verbundbleche mit hoher
Körperschalldämpfung. Im Labormaßstab sollen diese Verfahren zur Anwendung gebracht und
eine industrielle Anwendung konzipiert werden.
2 Allgemeine Beschreibung des neuen Mehrschichtverbundes
Verbundstoffe auf Basis textiler Komponenten (Rovings, Matten, Fäden, Fasern) haben sich seit
langem in technischen Anwendungen etabliert. Den Anforderungen aus dem Karosseriebau, wie
hohe Steifigkeit bei gleichzeitiger Schwingungsdämpfung und ausgeprägter Tiefziehbarkeit,
werden von diesen Werkstoffen nur teilweise oder gar nicht erfüllt.
Diese Lücke schließt ein neuer Stahlblech-Verbundwerkstoff, bestehend aus zwei Hüllschichten
aus Metall und einer Kernschicht, die aus einer textilen Konstruktion und Klebstoff besteht
(Bild 1). Diese Schicht ist in den Abmaßen und den Materialeigenschaften im Rahmen der Eigenschaften
der Einzelmaterialien frei wählbar. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die
Verbundwerkstoffe an die Anforderungen einzelner Anwendungen optimal angepasst werden
können. Im anlaufenden Projekt sind für den Karosseriebau die Prioritäten absteigend nach
Körperschalldämpfung, mechanische Steifigkeit und der Tiefziehfähigkeit gesetzt. Zunächst
werden ebene Platten als Halbzeuge gefertigt und durch Tiefziehen oder Biegen umgeformt.
Kleber
Metallblech
Metallblech
Kleber
Metallblech
Bild 1. Aufbauschema des neuen Stahlblech-Mehrschichtverbundes mit textiler Einlage
Verbundmaterial-Beispiel: Variante „F“, entwickelt für Karosserieanwendungen:
Stahlblech: DC04ZE, Nr. 1.0338, verzinkt, d=0,45 mm
Klebstoff: 2 Komponentenklebstoff auf Basis von Polyether und Epoxydharz
Klebstoffauftrag: zweimal 0,2mm Schichtdicke
Textileinlagen: PES Gewirk, d=0,7mm
Verbunddicke: 1,6 mm
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Diese und andere Verbundvarianten wurden in einem bereits abgeschlossenen Projekt der AiF
(Zutech AiF 223 ZN / 1) hergestellt und auf deren Eigenschaften geprüft [4]. Dabei wurde die
Variante „F“ des Stahlblech-Mehrschichtverbundes aufgrund dessen hohen Körperschalldämpfung
für den Karosseriebau besonders geeignet erklärt. Bild 2 zeigt die Körperschalldämpfung
eines Produkts, bei dem zwei Hüllbleche mit einer sehr dünnen Schicht viskoelastischen Klebstoffs
verbunden sind (ohne Textileinlage).
Bild 2. Dämpfungsverhalten eines verklebten Blechpaares (links) mit Vollblech (rechts), (Quelle:
Thyssen Krupp)
Ähnlich strukturierte, aber bessere Dämpfungswerte erhält man bei der Messung von Verbundvariante
„F“. Die Messung des Körperschalls wird nach Norm DIN EN ISO 6721-3 vorgenommen
und liefert den Kennwert der Dämpfung, den sogenannten Verlustfaktor tan δ. Je höher
dieser Verlustfaktor ist, desto kürzer ist die Abklingzeit und verringert somit die Schallabgabe
bei Anregung.
Material Verlustfaktor tan δ
Stahlblech 0,0015 – 0,003
Verbund Stahlblech – Kunststoff (marktüblich) 0,012
Mehrschichtverbund mit Textileinlage, Variante „F“ 0,02 – 0,048
Tabelle 1. Verlustfaktor für unterschiedliche Werkstoffe
3 Beschreibung der mechanischen Eigenschaften des Mehrschichtverbundes
Die mechanischen Eigenschaften der Stahlblech-Mehrschichtverbunde werden sowohl von den
Eigenschaften der Textil-Klebstoffeinlage als auch von deren geometrischen Abmaßen beeinflusst.
Eine Variation der Verbunddicke im Karosseriebau ist im Vergleich zu bisher eingesetzten
Materialien nur begrenzt möglich, da sonst die Tiefziehbarkeit leidet. Besitzt die Textil-
Klebstoffeinlage einen hohen E-Modul, was sich als Vorteil für die Steifigkeit des Verbunds
erweist, ist dies meist mit Einbussen dessen viskoelastischen Verhaltens verbunden. Die Folge
ist eine Abnahme des Verlustfaktors tan δ einerseits, jedoch auch eine Zunahme der Tiefziehfä-
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higkeit andererseits. Es besteht also die Aufgabe, ein Optimum der mechanischen und akustischen
Eigenschaften aus den Kombinationen der unterschiedlichen Materialien der Mehrschichtverbunde
zu ermitteln. Die Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der Biegeeigenschaften von
monolithen Stahlblech und dem neuen Verbundwerkstoff [1].
Material Dichte ρρρρ
[kg/m³]
Biegemodul
Eb
[N/mm²]
Stahlblech 7.800 200.000 2,6
Mehrschichtverbund
mit Textileinlage,
Variante „F“
Biegesteifigkeit
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Es
[10 6 ]
4.760 30.600 0,6
Tabelle2. Vergleich der mechanischen Werte Stahl und Beispiel-Verbundblech „Karosserie“
Das Biegemodul berechnet sich aus der Anfangssteigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve, welche
den elastischen Deformationsbereich des Werkstoffs kennzeichnet. Die Biegesteifigkeit
ergibt sich aus der Division des Biegemoduls durch die Erdbeschleunigung und der Dichte und
ist Index für das Potential zum Leichtbauwerkstoff zu sehen. Zunächst erkennt man, dass die
Variante „F“ diese Bedingung nicht erfüllt, sogar nur bei ¼ des Wertes von Stahlblech liegt.
Trotzdem bietet das Material, aufgrund der schalldämpfenden Eigenschaften, große Möglichkeiten
zur Gewichtsersparnis im Karosseriebau. Bislang erforderliche zusätzliche Materialien zur
Schallisolation des Innenraumes können beispielsweise entfallen.
4 Beschreibung der akustischen Eigenschaften des Mehrschichtverbundes
Bei der Berechnung der Eigen- oder Resonanzfrequenzen gehen beim homogenen Material die
Geometrie (Blechdicke), der E-Modul und die Dichte mit ein. Die Körperschalldämpfung steht
dabei in Korrelation mit der Anzahl der Eigenfrequenzen in einem festgelegten Frequenzband.
Die Anzahl der Eigenfrequenzen sinkt mit steigender Blechdicke, E-Modul oder Dichte. Dieser
Zusammenhang wird von den Mehrschichtverbunden durchbrochen. Verbunde mit einer hohen
Anzahl an Eigenfrequenzen besitzen in der Regel einen sehr guten Verlustfaktor. Tabelle 3 zeigt
die Werte vergleichend mit unterschiedlichen Klebstoffen in den Verbundvarianten.
Material E-Modul Klebstoff
[N/mm²]
Biegemodul
[N/mm²]
Anzahl Eigenfrequenzen
1..1000Hz
Stahlblech - 200.000 6 0,003
Variante „D“ 920 136.000 3 0,004
Variante „F“ 35 30.600 4 0,03
Tabelle3. Vergleich der akustischen Werte, Verbundvarianten und Stahlblech
Verlusfaktor
tan δ
Aus der Literatur wird ersichtlich, dass Fügestellen von Karosseriebauteilen in Ausführung mit
dem Fügeverfahren „Kleben“ sehr gute Dämpfungseigenschaften bezüglich Schwingung und
Schall besitzen [2,3]. Als Grund dafür wird die viskoelastische Eigenschaft eines Klebstoffes

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genannt. Die Dämpfungseigenschaften werden jedoch in Abhängigkeit der Frequenz und der
Amplitude der Anregung dargestellt. In jedem Fall ist eine Dissipation der Anregungsenergie in
der Klebstoffschicht zu beobachten. Qualitativ wird diese Dissipation im Kraft-Weg-Diagramm
als Fläche der Hysterese beobachtet und in der Simulation fast immer als (unabhängige) Dampfungskonstante
verwendet. Diese Eigenschaften sind auch bei textilen Materialien zu beobachten,
in sehr ausgeprägtem Maße bei Maschenware. Zusätzlich kann die Maschenware im Vergleich
zum Klebstoff einen relativ hohen E-Modul aufweisen. Dass beim Ziehen eines Maschenware
immer ein plastischer Anteil vorhanden ist, kann unbeachtet bleiben, da dies beim
Umformen des Metallblechs auch der Fall ist.
5 Delamination
Die Delamination wird prinzipiell im Schäl- und Scherzugversuch ermittelt:
- Im Schälzugversuch wird die Probe an jeweils einem Hüllblech eingespannt und in der Klebstoff-Textilschicht
auseinander gerissen. Der zu ermittelnde Kennwert ist die Schälfestigkeit in
Nm/m².
- Im Scherzugversuch überlappen zwei Hüllbleche und sind nur in diesem Bereich miteinander
verklebt. Die Kraft wirkt jetzt parallel zur Verbundschicht, der Kennwert ist die Scherspannung
in N/m².
Beide Werte lassen sich jedoch nicht direkt auf die Delaminationsereignisse bei Biegebeanspruchung
übertragen. Noch schwieriger ist eine Aussage über die Delamination aufgrund der Beanspruchung
beim Tiefziehen zu treffen. Auch mit den Mitteln der Simulationsverfahren kann die
Delamination heute noch nicht genügend genau erfasst werden. Die Ermittlung der Schädigung
durch Delamination bei fertigen Bauteilen im Karosseriebau wird deshalb nur bei einer zerstörungsfreien
Prüfung möglich.
Eine Möglichkeit besteht in der thermischen Anregung eines Prüfkörpers. Der sich einstellende
Wärmefluss wird mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet und bewertet. Über Interferometer
werden sogenannte Speckle-Muster aufgenommen, so dass die Stellen möglicher Delamination
bildgebend identifiziert werden können. Dieses Verfahren wird als Sharographie bezeichnet und
wird in der Ermittlung von Schädigungen in Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Es ist jedoch
sehr aufwändig und deshalb für eine schnelle Prüfung eher ungeeignet. Vorteil dieser Prüftechnik
ist eine genaue örtliche Bestimmung der delaminierten Stellen im Bauteil. Das Verfahren
versagt jedoch bei der Delaminationsart „Kissing Bond“. Bei dieser Schädigung liegen stellenweise
Hüllblech und Klebstoffschicht ohne weitere Verbindung aufeinander. Der Wärmeimpuls
wird dennoch in die Verbundschicht weitergeleitet, die Delamination wird nicht entdeckt. Bild 3
stellt die thermographische Aufnahme eines tiefgezogenen Napfs aus Stahlblechverbund dar.
Bild 3. Delaminationsfreier, tiefgezogener Verbund Variante „F“, (Carl Messtechnik, Dinslaken)
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In Anbetracht dieser Einschränkungen liegt es nahe, mit einer zweiten, zuverlässigen Prüfung
die Qualität umgeformter Mehrschichtverbunde zu sichern. Die zerstörungsfreie, akustische
Qualitätsprüfung kann die Lösung bieten und soll deshalb im Folgenden diskutiert werden.
6 Aufgaben der akustischen Qualitätsprüfung
Die Hauptaufgabe der akustischen Qualitätsprüfung liegt in der Erkennung der Eigen- oder Resonanzfrequenzen
für stark Körperschall dämpfende Materialien. Die starke Dämpfung ermöglicht
zusätzlich die Aufnahme des Abklingverhaltens. Von dieser wird erwartet, dass sie einen
weiteren Indikator für die Qualitätssicherung liefert. In Ergänzung zur physischen Prüfung bietet
die numerische Simulation sowohl der Eigenfrequenzen als auch des Abklingverhaltens ideale
Verhältnisse zur schnellen, quantitativen Erkennung der Delamination für beliebig geformte
Bauteile. Voraussetzung ist, dass Erkenntnisse der mechanischen Eigenschaften der Verbundmaterialien
in die Berechnung einfließen. Genügend genaue Berechnungen können nur dann
durchgeführt werden, wenn die dämpfende Wirkung der Textil-Klebstofflage erfasst ist und
geometrische Veränderungen durch den Umformprozess das Modell mitbestimmen. Deshalb
wird im anlaufenden Projekt ein Institut der Mechanik und der Umformtechnik die Grundlagen
zur Berechnung liefern. Durch die Anregung einer Referenzgeometrie und die Messung der
Resonanzfrequenzen und des Abklingverhaltens im Versuch ist die Verifizierung der Simulation
durch zu führen. Der Versuch wird anschließend mit delaminierten und nicht delaminierten
Biegeproben wiederholt. Da in einfach gebogenen Mustern die Delamination in der Regel nur
bereichsweise auftritt, kann dieser Versuch als Referenz für die Erkennung dieser Schädigung
gelten. Anschließend können Bauteile im Labormaßstab geprüft und die industrielle Anwendung
in der Serie analysiert werden.
7 Danksagung
Wir danken dem Forschungskuratorium Textil e.V. für die Förderung des Forschungsvorhaben
(AIF-ZuTech FV-Nr. 223/1) " Entwicklung eines Stahlblech-Mehrschichtverbundes mit textiler
Einlage für Anwendungen in den Bereichen Transportsysteme und Consumerartikel", die aus
den Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller
Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. erfolgt.
Des weiteren danken wir den kompetenten Partnern für die engagierte Mitarbeit in der Entwicklung:
- dem Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart,
- dem Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn,
- dem Simulationsspezialisten Prof. Rolf Steinbuch,
- den Textilherstellern Buck, E. Schoepf, Mattes&Ammann und Techtex Vliesstoffe,
- den Metallwarenherstellern Thyssen Krupp, Corus und Trakus-Bremiker Feindrahtwerk,
- den Klebstoffproduzenten Collano Xiro, Dow Europe und Wacker-Chemie,
- den Maschinen- und Werkzeughersteller Stoll Strickmaschinenfabrik, TPS TechnoPartner
Samtronic, Gesipa Blindniettechnik und T-ZfP Carl Messtechnik sowie
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- den Verarbeitern Bosch-Siemens-Hausgeräte, Daimler AG und HDW Howaldtswerke-
Deutsche Werft.
8 Literatur
[1] Klein, B.: Leichtbau-Konstruktion. Wiesbaden: Vieweg Verlag 2007
[2] Klamt, K.: Zur optimalen Schwingungsdämpfung durch trockene Reibung in lokalen und
ausgedehnten Fügestellen. Fortschr.-Ber. Reihe 11 Nr.134, Düsseldorf, Springer-VDI-Verlag
1990
[3] Kastreuz, B., Macher, H., Frankhauser, C., Karaca, K.: Ein hybrider messtechnischsimulatorischer
Ansatz zur gezielten Auslegung der Körperschalldämpfung in Fahrzeugen.
VDI-Berichte Nr. 1755, Düsseldorf, Springer-VDI-Verlag 2003
[4] Stegmaier, T.,Hager, T., Yilmaz, D., Vohrer, A., Sürth, M.-G., Planck, H., Wagner, S., Becker,
D., Hahn, O., Teutenberg, D.: Stahlblech-Mehrschichtverbund mit textiler Einlage. Wt
Werkstattstechnik online Jahrgang 98, H.10, Springer-VDI-Verlag 2008
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