SB_21059BRLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Lebensdaueranalyse für
Klebverbindungen in
großen FKV-Strukturen
mit variierenden
Klebschichtdicken

Lebensdaueranalyse für
Klebverbindungen in großen
FKV-Strukturen mit variierenden
Klebschichtdicken
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.059 BR
DVS-Nr.: 08.3260
Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-
Institut für Großstrukturen in der
Produktionstechnik IGP
Technische Universität Dresden Institut für
Leichtbau und Kunststofftechnik Professur
für Leichtbaudesign und Strukturbewertung
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.059 BR / DVS-Nr.: 08.3260 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
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 574
Bestell-Nr.: 170684
ISBN: 978-3-96870-574-3
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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Schlussbericht vom 15.08.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21059 BR
Thema
Lebensdaueranalyse für Klebverbindungen in großen FKV-Strukturen mit variierenden Klebschichtdicken
Berichtszeitraum
01.04.2020 – 31.03.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
FE1:
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
FE2:
Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Professur
für Leichtbaudesign und Strukturbewertung

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
Inhaltsverzeichnis
Inhalt
1. Ausgangssituation und Problemstellung ........................................................................24
2. Zielstellung und Lösungsweg ........................................................................................26
3. Arbeitspaket 1: Analyse und Klassierung ......................................................................29
3.1. Klebschichtdickenschwankungen ...........................................................................29
3.2. Undefinierte Randgeometrien .................................................................................32
3.3. Zusammenfassung AP1: Analyse und Klassierung ................................................36
4. Arbeitspaket 2: Mathematische Beschreibung ...............................................................37
4.1. Erweiterte Analyse der Klebschichtdicken Schwankungen .....................................37
4.2. Abstrahierte Klebschichtdickenschwankung für die numerische Bewertung der
Lebensdauer unter Normalspannungsbeanspruchung ......................................................41
4.3. Abstrahierte Squeeze-Out-Geometrie zur Beschreibung der Rissinitiierung und
Rissfortschrittes unter Schälspannungsbeanspruchung ....................................................43
5. Arbeitspaket 3: Ermittlung von Werkstoffkennwerten .....................................................45
5.1. Charakterisierung des Klebstoffs SikaPower 1280/1050 ........................................45
5.1.1. Zugfestigkeit nach DIN EN ISO 527:2016-06 bei Raumtemperatur (RT) und
Niedertemperatur (NT; -40 °C) ......................................................................................46
5.1.2. Ermüdungsversuche nach DIN 50100:2016-12 mit Prüfkörpern nach DIN EN
ISO 527-2:2012-06 ........................................................................................................51
5.1.3. Druckeigenschaften nach DIN EN ISO 604:2003-12 .......................................55
5.1.4. Scherverhalten nach DIN EN 14869-1:2011-07 ...............................................59
5.1.5. Scherverhalten nach DIN EN 14869-2:2011-07 ...............................................61
5.1.6. Ermüdungsversuche nach DIN 50100:2016-12 mit Prüfkörpern nach DIN EN
14869-2:2011-07 ...........................................................................................................65
5.1.7. Zugfestigkeit von Stoßgelenken nach DIN EN 15870:2009-08 ........................67
5.1.8. Ermüdungsversuche nach DIN 50100:2016-12 mit Prüfkörpern nach DIN EN
15870:2009-08 ..............................................................................................................70
5.1.9. Zugscherfestigkeiten nach DIN EN 1465:2009-07 bei RT und NT (-40 °C) ......72
5.1.10. Bestimmung der Bruchzähigkeit nach ISO 13586:2018-08 ..........................79
5.1.11. Dichte nach DIN EN ISO 1183-1:2013-04 ....................................................82
5.1.12. Zusammenfassung Klebstoffcharakterisierung ............................................85
5.2. Werkstoffcharakterisierung des glasfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbundes 87
5.2.1. Werkstoffphysikalische Charakterisierung .......................................................88
5.2.1.1. Dichtebestimmung nach DIN EN ISO 1183-1 ..............................................88
5.2.1.2. Bestimmung Faservolumenanteile nach DIN EN ISO 1172 .........................89
5.2.1.3. Bestimmung der Glasübergangstemperatur Tg nach DIN EN ISO 11357-2 .89

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
5.2.2. Quasistatische werkstoffmechanische Charakterisierung ................................90
5.2.2.1. Ermittlung der in-plane Zugeigenschaften nach DIN EN ISO 527-5 .............92
5.2.2.2. Bestimmung der in-plane Druckeigenschaften nach DIN EN ISO 14126 (IMA-
Vorrichtung) ...................................................................................................................95
5.2.2.3. Ermittlung der in-plane Schubeigenschaften nach ASTM D7078 (V-Notched
Railshear; VNRS) ..........................................................................................................98
5.2.2.4. Scheinbare interlaminare Scherfestigkeit nach DIN EN ISO 14130 ........... 100
5.2.2.5. Zusammenfassung der Ergebnisse der quasistatischen Materialprüfung
(Materialkarte UD600-Gelege) ..................................................................................... 102
5.2.3. Zyklische werkstoffmechanische Charakterisierung ...................................... 103
5.2.3.1. Bestimmung der Ermüdungsbruchzähigkeit mittels Compact-Tension-
Versuchen nach ISO 13586 (ASTM E1820 & ASTM E647) ......................................... 103
5.2.3.2. Zyklische zugschwellende Versuche (Referenzlaminat [±45°/0°] s ) ............ 109
5.2.3.2.1. Vorversuche zur Bestimmung einer geeigneten Prüffrequenz ................ 109
5.2.3.2.2. Zyklische Versuche ................................................................................ 110
6. Arbeitspaket 4: Numerische Simulation und FE-Submodelle ....................................... 112
6.1. Erarbeitung einer geskripteten Mikroskalensimulation zur Ableitung effektiver
elastischer Eigenschaften in Abhängigkeit des Faservolumengehaltes ........................... 113
6.2. Kalibrierung der VCCT-Methode an Compact-Tension-Versuchen ....................... 114
6.3. J-Integral-Methode zur Bestimmung der Brucheigenschaften von SIKAPower 1280
118
6.4. Bestimmung des Einflusses der Klebschichtdickenschwankung auf das
Ermüdungsverhalten unter Schälbeanspruchung ............................................................ 120
6.4.1. Parametrisierter Modellaufbau mittels Python Skript ..................................... 122
6.4.2. Automatisiertes Post-Processing ................................................................... 125
6.5. Bestimmung des Einflusses der Klebschichtdickenschwankung auf das
Ermüdungsverhalten unter Normalbeanspruchung am Beispiel der trailing edge ............ 127
6.5.1. Parametrisierter Modellaufbau mittels Python Skript ..................................... 128
6.5.2. Automatisiertes Post-Processing ................................................................... 133
7. Arbeitspaket 5: Experimentelle Untersuchungen auf Coupon-Ebene........................... 135
7.1. Klebschichtdickenschwankungen – Variable Dicke (wellenförmig) ....................... 136
7.1.1. Herstellung von Prüfkörpern mit Wellenlaminaten ......................................... 137
7.1.2. Prüfen der Proben mit einer Klebschichtdickenschwankung .......................... 142
7.1.3. Herstellung von Proben mit einer skalierten Klebschichtdicke ....................... 147
7.1.4. Prüfen der Proben mit einer skalierten Klebschichtdicke ............................... 150
7.2. Klebschichtdickenschwankungen – Konstante Dicke ........................................... 153
7.2.1. Herstellung von Prüfkörpern mit konstanter Klebschichtdicke ....................... 153
7.2.2. Prüfmethodik normalspannungsinduziertes Versagen ................................... 156

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
7.2.3. Ergebnisse und Diskussion ........................................................................... 159
7.3. Klebschichtdickenschwankungen – variable Dicke (keilförmig) ............................ 164
7.3.1. Herstellung von keilförmiger Coupon-Probe .................................................. 165
7.3.2. Prüfen der keilförmigen Coupon-Probe ......................................................... 168
7.4. Undefinierte Randgeometrien ............................................................................... 170
7.4.1. Herstellung und Prüfung einer Referenzserie ................................................ 170
7.4.2. Parameteruntersuchungen zur Beeinflussung des Rissverlaufs .................... 178
7.4.3. Methodik zur Einbringung von undefinierten Randgeometrien ....................... 191
7.5. Zusammenfassung AP5: Experimentelle Untersuchungen auf Coupon-Ebene .... 198
8. Arbeitspaket 6: Substruktur-Tests ............................................................................... 199
8.1. Herstellung von keilförmigen Substruktur-Proben ................................................. 199
8.2. Prüfen der keilförmigen Substruktur-Proben ......................................................... 201
8.2.1. Auswertung der keilförmigen Substruktur-Probe 2304-1_1............................ 203
8.2.2. Auswertung der keilförmigen Substruktur-Probe 2304-1_2............................ 205
8.3. Zusammenfassung AP6: Substruktur-Tests ......................................................... 206
9. Arbeitspaket 7: Gestaltungsrichtlinien und Schlussbericht ........................................... 207
9.1. Erkenntnisse und Gestaltungsrichtlinien aus dem AP1 & AP2 .............................. 207
9.2. Erkenntnisse und Gestaltungsrichtlinien aus dem AP3 ......................................... 207
9.3. Erkenntnisse und Gestaltungsrichtlinien aus dem AP4 ......................................... 209
9.3.1. Einfluss des Klebschichtdickenschwankung bei Schälbeanspruchung .......... 210
9.3.2. Einfluss des Klebschichtdickenschwankung bei Normalbeanspruchung........ 211
9.4. Erkenntnisse und Gestaltungsrichtlinien aus AP5 und AP6 .................................. 215
10. Ergebnisse und Ausblick .......................................................................................... 219
10.1. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen 219
10.2. Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für kleine und
mittlere Unternehmen (KMU) .......................................................................................... 221
10.3. Wissenschaftlich-technischer Nutzen ................................................................ 222
10.4. Projektbegleitender Ausschuss ......................................................................... 223
10.5. Verwendung der Zuwendung ............................................................................ 223
10.6. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................... 224
10.7. Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................................... 225
10.8. Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzeptes ................................ 228
10.9. Danksagung und Förderhinweis ....................................................................... 229
11. Quellen .................................................................................................................... 230
12. Anhang .................................................................................................................... 232
12.1. Anhang Arbeitspaket 1: Analyse und Klassierung ............................................. 232

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
12.2. Anhang Arbeitspaket 3: Ermittlung von Werkstoffkennwerten ........................... 236

Seite 24 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
1. Ausgangssituation und Problemstellung
In vielen Zukunftsbranchen der Wirtschaft, wie beispielsweise dem Windenergieanlagen-,
Schiff- sowie Schienen- und Nutzfahrzeugbau, sind geklebte Verbindungen von Faser-
Kunststoff-Verbund(FKV)-Strukturen mittlerweile gängige Praxis, vgl. Abbildung 1. Insbesondere
in diesen Branchen ergeben sich beim Kleben der Großstrukturen jedoch spezielle
Herausforderungen. Dazu gehören z. B. hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit bei Betriebsbelastung
der Bauteile und Fügeverbindungen (Lebensdauer > 20 Jahre) trotz der prozessbedingt
großen Fertigungstoleranzen. Exemplarisch kann hier die Herstellung von Rotorblättern
für Windenergieanlagen genannt werden, die meist vollständig klebtechnisch gefügt
sind (derzeitig typische Länge zwischen 60 und 90 m). Die Herstellung der Rotorblätter
erfolgt für gewöhnlich in einer Halbschalen-Sandwich-Bauweise, die der Bauweise von FKV-
Schiffsdecks ähnelt. Dazu werden zunächst die Halbschalen sowie mehrere Stege und Rippen
aus glas- und kohlenstofffaserverstärktem Material separat hergestellt. Zudem wird z. B.
Balsaholz in die Sandwichbauteile eingebracht. Diese werden mit strukturellen Klebstoffen
zu einem Bauteil gefügt. Die Klebnahtlänge beläuft sich dabei auf das ca. 6- bis 8-fache der
Rotorblattlänge mit einer Klebnahtbreite zwischen 50 und 150 mm. Aus den größenbedingten
Fertigungstoleranzen resultieren Klebschichtdicken im Bereich von 2 und 15 mm.In vielen
Zukunftsbranchen der Wirtschaft, wie beispielsweise dem Windenergieanlagen-, Schiffsowie
Schienen- und Nutzfahrzeugbau, sind geklebte Verbindungen von Faser-Kunststoff-
Verbund(FKV)-Strukturen mittlerweile gängige Praxis, vgl. Abbildung 1. Insbesondere in diesen
Branchen ergeben sich beim Kleben der Großstrukturen jedoch spezielle Herausforderungen.
Dazu gehören z. B. hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit bei Betriebsbelastung
der Bauteile und Fügeverbindungen (Lebensdauer > 20 Jahre) trotz der prozessbedingt
großen Fertigungstoleranzen. Exemplarisch kann hier die Herstellung von Rotorblättern für
Windenergieanlagen genannt werden, die meist vollständig klebtechnisch gefügt sind (derzeitig
typische Länge zwischen 60 und 90 m). Die Herstellung der Rotorblätter erfolgt für gewöhnlich
in einer Halbschalen-Sandwich-Bauweise, die der Bauweise von FKV-Schiffsdecks
ähnelt. Dazu werden zunächst die Halbschalen sowie mehrere Stege und Rippen aus glasund
kohlenstofffaserverstärktem Material separat hergestellt. Zudem wird z. B. Balsaholz in
die Sandwichbauteile eingebracht. Diese werden mit strukturellen Klebstoffen zu einem Bauteil
gefügt. Die Klebnahtlänge beläuft sich dabei auf das ca. 6- bis 8-fache der Rotorblattlänge
mit einer Klebnahtbreite zwischen 50 und 150 mm. Aus den größenbedingten Fertigungstoleranzen
resultieren Klebschichtdicken im Bereich von 2 und 15 mm.
Abbildung 1:
Typische Einsatzbereiche und Applikationsgrößen von Klebverbindungen bei FKV-
Großstrukturen

Seite 25 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
Bei dem Klebprozess von Großstrukturen können verschiedene Fertigungsfehler auftreten,
aus denen Imperfektionen resultieren [1]. Diese sind nach [2] der Schadensklasse 3 (Level 3
- Severe Damage) zuzuordnen und als kritisch einzuschätzen. Zu diesen Imperfektionen
zählen Klebschichtdickenschwankungen in Längs- und Querrichtung, undefinierte Randgeometrien,
wie beispielsweise Squeeze-Outs, sowie unvollständige Klebfugenfüllung. Aus den
fertigungsbedingten Imperfektionen resultieren durch mechanische Beanspruchungen während
der Nutzungsphase der geklebten FKV-Großstrukturen betriebsbedingte Fehler. Kritisch
sind hierbei insbesondere die Entstehung und das Wachstum von Rissen in der Klebfuge.
Dies betrifft bei Rotorblättern zum einen die Hinterkantenklebung, die durch die Biegebelastungen
in Profilrichtung einer zyklischer Zug-Druck- und Biegebelastung ausgesetzt ist. In
der Klebnaht kommt es zur Initiierung von Vielfachrissen und darüber hinaus zum Risswachstum
entlang der Klebschichtbreite, siehe Abbildung 2.
Abbildung 2:
Dickenschwankung und Querrisse an Rotorblattklebungen
Derartige Schädigungen führen zu Steifigkeits- und Festigkeitsabfall und limitieren die Lebensdauer
der Struktur. Zudem kommt es durch Druck- und Schubbeanspruchungen in der
Torsionsschale zum zyklischen Beulen. Die Verklebungen sind dabei einer Schälbeanspruchung
ausgesetzt, die im Bereich der Klebfuge zu Ermüdungsrissen und Delaminationen
parallel zur Klebnaht führt (Abbildung 3). Vergleichbare Rissphänomene treten auch bei anderen
geklebten FKV-Großstrukturen auf und sind in ihrem Initiierungs- und Wachstumsverhalten
insbesondere vom Klebschichtdickenverlauf quer und längs der Klebnaht abhängig.
Abbildung 3:
Squeeze-Out und schälspannungsinduzierter Längsriss
Bei der Auslegung der klebtechnisch gefügten Großstrukturen wird die Klebschicht derzeit
noch als idealisierte, d.h. mit konstanter Klebschichtdicke und Randgeometrie ohne Imperfektionen,
angenommen. Damit kann der Einfluss der real vorhandenen Imperfektionen auf
die Lebensdauer nicht detailliert berücksichtigt werden. Diese werden bei der vereinfachten
Berechnung mit Hilfe größerer modellbezogener Sicherheitsfaktoren pauschal berücksichtigt.
Durch Kenntnisse über die Auswirkung von Imperfektionen wäre es möglich, diese Sicherheitsfaktoren
anzupassen. Damit könnte eine gezielte Optimierung der Bauteile durchgeführt
werden. Somit könnte zum einen die Lebensdauerauslegung verbessert werden und zum

Seite 26 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21059 BR
anderen Materialeinsparungen, die mit Kosten- und Gewichtseinsparungen einhergehen,
erzielt werden.
Gemäß [3] gelangen innerhalb der nächsten Jahre viele Windenergieanlagen in Deutschland
an die Grenze ihrer Entwurfslebensdauer, die zwischen 20 und 25 Jahren liegt. Nach Erreichen
dieser Zeit besteht laut Herstellern keine Sicherheit, dass alle sicherheits- und konstruktionsrelevanten
Komponenten weiterhin uneingeschränkt belastbar sind. Eine Alternative,
neben dem Rückbau nach Ablauf der vorgesehenen Lebensdauer, stellt der Weiterbetrieb
der Anlagen nach einer umfassenden Neubewertung und Prüfung dar. Diese beinhaltet
unter anderem die Analyse des Zustandes der Windenergieanlage. Mit weiteren Erkenntnissen
über die Auswirkungen von Rissen sowie dem Risswachstum in Rotorblättern können
Lebensdauerreserven besser eingeschätzt und die Wirtschaftlichkeit der Anlagen weiter gesteigert
werden.
2. Zielstellung und Lösungsweg
Ausgehend von der in Kapitel 1 beschriebenen Ausgangssituation ist es daher notwendig,
die Auswirkungen fertigungsbedingter Imperfektionen auf die Lebensdauer von großen geklebten
FKV-Strukturen zu untersuchen. Kernziel des Vorhabens ist die Analyse und mathematische
Beschreibung des Einflusses von Dickenschwankungen in Klebungen und unterschiedlichen
Randgeometrien auf die Lebensdauer geklebter FKV-Großstrukturen. Dabei
wird das Rissinitiierungs- und Rissfortschrittsverhalten bei verschiedenen zyklischen Beanspruchungen
untersucht und deren Auswirkung auf das Reststeifigkeits- und Restfestigkeitsverhalten
praxisgerecht beschrieben. Aus den experimentell und rechnerisch ermittelten Ergebnissen
werden Grenzwerte für die Dickenschwankungen abgeleitet und in Gestaltungsrichtlinien
praxisorientiert aufbereitet.
Dem zugrunde liegt die Arbeitshypothese, dass Klebschichtdickenschwankungen und abweichende
Randgeometrien, wie Squeeze-Outs, Einfluss auf die Lebensdauer haben und
die Lebensdauervorhersage durch deren gezielte Einbringung und Untersuchung verbessert
werden kann. Im Vorhaben sind daher reale und virtuelle Versuche auf verschiedenen Skalen
mittels statistischer Versuchsplanung gezielt kombiniert worden. Der in Abbildung 4 gezeigte
Ansatz verknüpft die Untersuchungen auf den drei Skalenebenen – Substruktur, Coupon
und Submodell – und ist für eine effiziente Lebensdaueranalyse geeignet. Er lässt zum
einen die Abdeckung des gesamten Parameterraums zu und ermöglicht zum anderen die
Validierung der Ergebnisse an den Skalengrenzen.Dem zugrunde liegt die Arbeitshypothese,
dass Klebschichtdickenschwankungen und abweichende Randgeometrien, wie Squeeze-
Outs, Einfluss auf die Lebensdauer haben und die Lebensdauervorhersage durch deren gezielte
Einbringung und Untersuchung verbessert werden kann. Im Vorhaben sind daher reale
und virtuelle Versuche auf verschiedenen Skalen mittels statistischer Versuchsplanung gezielt
kombiniert worden. Der in Abbildung 4 gezeigte Ansatz verknüpft die Untersuchungen
auf den drei Skalenebenen – Substruktur, Coupon und Submodell – und ist für eine effiziente
Lebensdaueranalyse geeignet. Er lässt zum einen die Abdeckung des gesamten Parameterraums
zu und ermöglicht zum anderen die Validierung der Ergebnisse an den Skalengrenzen.