SB_21314NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Zerstörungsfreie
Zustandsüberwachung von
elastischen und strukturellen
Klebungen unter Zug- und
Scherbeanspruchung durch
Integration einer optischen
Polymerfaser (POF)n an
hochfesten Stählen

Zerstörungsfreie
Zustandsüberwachung von
elastischen und strukturellen
Klebungen unter Zug- und
Scherbeanspruchung durch
Integration einer optischen
Polymerfaser (POF)n an
hochfesten Stählen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.314 N
DVS-Nr.: 08.3311
RWTH Aachen Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
Technische Hochschule Nürnberg Georg
Simon Ohm Polymer Optical Fiber
Application Center (POF-AC)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.314 N / DVS-Nr.: 08.3311 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
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 571
Bestell-Nr.: 170681
ISBN: 978-3-96870-571-2
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 vii des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21314N
Inhalt
1 Einleitung ...................................................................................................................... 1
1.1 Problemstellung und Motivation............................................................................... 2
1.2 Zielsetzung .............................................................................................................. 3
1.3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen
3
2 Stand der Technik ........................................................................................................ 8
2.1 Zustandsüberwachung von Klebverbindungen ........................................................ 8
2.2 Optische Polymerfasern (POF) ..............................................................................10
2.3 Abgrenzung der POF zur Glasfasersensorik als Stand der Technik .......................14
3 Projektstruktur und Inhalte .........................................................................................18
3.1 AP0: Projektmanagement .......................................................................................18
3.2 AP1: Festlegung auf Materialien und Randbedingungen ........................................18
3.3 AP2: Mechanische Charakterisierung und Optimierung des Fügeverbundes Klebstoff
und POF ...........................................................................................................................22
3.4 AP3: Mechanisches Ersatzmodell für Zug- und Scherbeanspruchung des
Fügeverbundes Klebstoff und POF ...................................................................................34
3.5 AP4: Mechanisch-optische Charakterisierung der POF ..........................................37
3.6 AP5: Strahlenoptisches Ersatzmodell für Zug- und Scherdeformation der POF .....41
3.7 AP6: Entwicklung und Redesign des KlebPOF-Sensorkonzepts ............................46
3.8 AP7: Experimentelle (optische und mechanische) Untersuchung des Verbundes
unter verschiedenen Beanspruchungsarten ......................................................................61
3.9 AP8: Experimentelle Gegenüberstellung des KlebPOF-Sensorkonzeptes mit
glasfaserbasierten Systemen ............................................................................................63
3.10 AP9: Sensorkonzeption vom Labor ins Feld – Demonstrator ..................................66
4 Zusammenfassung ......................................................................................................69
5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse insbesondere für KMU und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ...............................................................................................71
6 Ergebnistransfer in die Wirtschaft .............................................................................73
7 Verwendung der Zuwendung .....................................................................................77
8 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ....................................78
9 Literaturverzeichnis ....................................................................................................79

Seite viii des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21314N
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Prinzipdarstellung KlebPOF-Sensorkonzept ..................................................... 1
Abbildung 2: Motivation Zustandsüberwachung Klebverbindungen [DIN16, GL15, HAB09] .. 2
Abbildung 3: Arbeitsplan KlebPOF ........................................................................................ 7
Abbildung 4: Aufbau einer polymeren optischen Faser sowie relevante geometrische
Strahlenoptik. .......................................................................................................................10
Abbildung 5: Meridionale und schiefe Strahlen (Moden) in einer Mehrmodenfaser in
senkrechter Aufsicht auf die Transversalebene [ZKZ+07].....................................................12
Abbildung 6: Typische Dämpfung einer Stufenindex-POF aus PMMA bei verschiedenen
Kerndurchmessern [ZKZ+07] ...............................................................................................14
Abbildung 7: Aufbau und Funktion eines Faser-Bragg-Gitters (FBG). ...................................15
Abbildung 8: Geometrie der faseroptischen Sensorik in Klebverbindungen. .........................16
Abbildung 9: Phasen des Projektes KlebPOF .......................................................................18
Abbildung 10: Ergebnisse Zugversuche nach DIN EN 527 ...................................................19
Abbildung 11: Querschliffbild der PMMA-basierten POF mit 500 µm Durchmesser vom Typ
DB 500, Fa. Asahi Kasei Corporation. ..................................................................................21
Abbildung 12: Verwendete Niederdruckplasmaanlagen ........................................................23
Abbildung 13: Aufbau Kontaktwinkelmesssung ....................................................................23
Abbildung 14: Ergebnisse - Oberflächenenergie über Behandlungszeit ...............................25
Abbildung 15: Prüfkörper Dünnschichtauszugversuch ..........................................................26
Abbildung 16: Prüfaufbau Dünnschichtauszugversuch .........................................................27
Abbildung 17: Ergebnisse Dünnschichtauszugversuch.........................................................28
Abbildung 18: Bruchbilder Dünnschichtauszugversuch ........................................................29
Abbildung 19: Messung der spektralen Dämpfung von Fasern nach VDE/VDI 5570 ............29
Abbildung 20: Ergebnisse der spektralen Dämpfungsmessung mit Plasma-
Oberflächenbehandlung. ......................................................................................................30
Abbildung 21: Fügevorrichtung Zug- und Scherprüfkörper ...................................................31
Abbildung 22: Mechanische Ergebnisse ...............................................................................33
Abbildung 23: Aufbau Simulationsmodel ..............................................................................34
Abbildung 24: Ergebnisse mechanische Simulation Klebstoff-POF Verbund ........................36
Abbildung 25: POF-spezifischer Zugmessplatz ....................................................................37
Abbildung 26: Gemessene mechanische Eigenschaften verschiedener POF unter axialer
Belastung sowie gemessene Zusatzdämpfung unter Last. ...................................................38
Abbildung 27 links: Spannungsoptischer Messplatz zur Verifikation der FEM-Simulationen.
Rechts: POF in Norm-Reinstoffprobe aus Klebstoff SW DP410. ..........................................39
Abbildung 28: Polarisationsoptischer Aufbau zur Beobachtung spannungsinduzierter
Doppelbrechung. ..................................................................................................................40
Abbildung 29: Beobachtete spannungsoptische Bilder im Querschnitt der POF bei
zunehmender Belastung. ......................................................................................................40
Abbildung 30: Prinzipdarstellung der strahlenoptischen Simulation eines POF-Sensors ......42
Abbildung 31: Fasermodel bestehen aus einer 25mm langen Vorlauffaser und 25mm langen
Faser als Sensorzone (rechte Seite). ...................................................................................44
Abbildung 32: Verschiedene Anregungsgeometrien für die in die Sensor-POF
eingekoppelten Lichtstahlen. ................................................................................................44
Abbildung 33: Schematischer Laboraufbau zur Charakterisierung der optischen
Übertragungseigenschaften einer POF als Sensor in einer Probe einer Klebverbindung in
Abhängigkeit einer mechanischen Belastung. ......................................................................47

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21314N
1 Einleitung
In den letzten Jahrzehnten hat das Kleben als strukturelle Füge- und Reparaturtechnik
in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, wie z. B. in der Luft- und
Raumfahrtindustrie, im Bauwesen und in der Automobilindustrie, immer mehr an
Bedeutung gewonnen. Vielfältige technische Vorteile wie die gleichmäßige
Spannungsverteilung, das geringe Gewicht und der Fügeprozess ohne thermische
oder mechanische Belastung der Fügeteile können als Gründe für die steigende
Popularität der Klebtechnik angeführt werden. Als Nachteil der Fügetechnik wird
jedoch die Tatsache angesehen, dass nach dem heutigen Stand der Technik eine
vollständige zerstörungsfreie Prüfung von Klebverbindungen nicht möglich ist. Aus
diesem Grund besteht ein steigender Bedarf an Systemen, die den strukturellen
Zustand der Klebverbindung über die gesamte Lebensdauer erfassen und damit die
Qualität der Klebverbindung sicherstellen.
Das Projekt KlebPOF hatte das übergeordnete Forschungsziel, mechanische
Beanspruchungen der Klebschicht zerstörungsfrei durch Integration eines Kunststoff-
Lichtwellenleiters (polymere optische Faser – POF) zu messen und daraus das
KlebPOF-Sensorkonzept zu entwickeln. Ursächlich für das Konzept sind die ähnlichen
mechanischen Eigenschaften (insbesondere der E-Modul) der POF und des
Klebstoffs. Daraus folgt eine durch die Verformung der Klebschicht induzierte
simultane Beanspruchung der POF. Dies hat eine Änderung der optischen
Materialeigenschaften und eine Veränderung der Lichtausbreitung in der POF zur
Folge. Dies kann mittels kostengünstiger optoelektronischer Komponenten detektiert
werden. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf einer integralen
Zustandsüberwachung der gesamten Klebung ohne Ortsauflösung zugunsten eines
preiswerten Sensors für den Feldeinsatz.
Abbildung 1: Prinzipdarstellung KlebPOF-Sensorkonzept

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21314N
1.1 Problemstellung und Motivation
Nach DIN EN ISO 9001 und DIN 2304 ist das Kleben ein spezieller Prozess, der eine
gesonderte Normung verlangt. Diese Einstufung basiert unter anderem darauf, dass
sich Klebverbindungen nicht vollständig zerstörungsfrei prüfen lassen. [DIN16, GL15]
Auf dieser Tatsache beruht der Ansatz, Klebungen zu überwachen. Der strukturelle
Zustand kann erfasst und damit einhergehend eine sichere Kraftübertragung
gewährleistet werden. Erschwerend kommt hinzu, dass eine Lebensdauervorhersage
der Klebung unmöglich ist. Primär beruht dies auf mangelndem Wissen über das
Ermüdungsverhalten von Klebstoffen, insbesondere unter variierenden
Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, UV-Strahlung, etc. vergl.
Abbildung 2). Außerdem haben allgemeine Alterungsprozesse im Klebstoff oder
weitere thermodynamische Effekte, die die Klebstoffeigenschaften beeinflussen, eine
große Auswirkung auf die Lebensdauervorhersage. Diese Unsicherheiten werden bei
der Auslegung von Klebverbindungen mit hohen Abminderungsfaktoren oder stark
konservativen Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. [HAB09]
Abbildung 2: Motivation Zustandsüberwachung Klebverbindungen [DIN16, GL15, HAB09]
Diese gesamte Problematik hemmt das Vertrauen in die Betriebssicherheit der
Klebung und damit einhergehend das Vertrauen in die Klebtechnik allgemein
(Roadmap GAK 2015). Durch den Einsatz des KlebPOF-Sensorkonzeptes soll
dauerhaft der Beanspruchungszustand der Klebung detektiert werden. Diese in-Situ-
Informationen können Langzeitbeanspruchungsdaten von Klebungen im Feld
erheben, welche der Wissenslücke – Ermüdungsverhalten von Klebstoffen -
entgegengenwirken. Diese Daten ermöglichen insbesondere eine frühzeitige
Detektion von strukturellen Änderungen/Schädigungen der Klebung (vergl. Abbildung

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21314N
2). Ein solches System der Zustandsstrukturüberwachung (Structural Health
Monitoring – SHM) unterliegt jedoch großen Anforderungen. Je nach angewendeter
Messtechnik beeinflussen Temperatur, Luftfeuchtigkeit und schwankende
Fertigungsqualität (z.B. Klebschichtdicken, Lufteinschlüsse) das Messergebnis. SHM
ist zwar im Allgemeinen ein wachsendes nationales und internationales
Forschungsfeld [ISF18, HK15, SSG14, WP16 etc.], trotzdem ist noch kein geeignetes
System für industrielle Klebungen entwickelt, welches einen Einsatz im Feld unter
kostenökonomischen Randbedingungen zulässt. Gängige Systeme scheitern meist an
fehlender Robustheit im Applikationsprozess und in der Anwendung oder zu großer
Komplexität und daraus folgender hoher Kostenintensität.
1.2 Zielsetzung
Das Projekt KlebPOF hatte die übergeordnete Zielsetzung, mechanische
Beanspruchungen der Klebschicht zerstörungsfrei durch Integration eines Kunststoff-
Lichtwellenleiters (polymere optische Faser – POF) zu messen und daraus das
KlebPOF-Sensorkonzept zu entwickeln. Hierfür wird ein kostengünstiges
Sensorkonzept aus POF und optoelektronischen Messgeräten entwickelt. Die
mechanische Beanspruchung der Klebung soll damit über die gesamte Nutzungsdauer
erfasst werden. Schädliche Dehnungs- oder Lastspitzen, die die strukturelle Integrität
der Klebung beeinflussen, sollen echtzeitfähig gemessen werden.
1.3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit
den Zielen
An der Bearbeitung des Projekts war das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
(ISF) der RWTH Aachen University und das Polymer Optical Fiber Application Center
(POF-AC) der Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm beteiligt. Das
Projekt war in mehreren aufeinander aufbauenden Arbeitspakten gegliedert, welche in
Abbildung 3 ersichtlich sind.
Ziel des AP0 war die Koordination des Projektes, der kontinuierliche Wissenstransfer
während der gesamten Projektlaufzeit sowie die Erstellung des Zwischen- und
Abschlussberichtes. Dies wurde durch den regelmäßigen und intensiven Austausch
der beiden Forschungsstellen mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) sowie
durch die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse erreicht.