DVS_Bericht_369LP
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2023<br />
<strong>DVS</strong>-BERICHTE<br />
11. – 13.<br />
Doktorandenseminar<br />
Klebtechnik
11. – 13. Doktorandenseminar<br />
Klebtechnik<br />
Vorträge 2020, 2021 und 2022<br />
Institut für Schweiß- und Fügetechnik,<br />
Abteilung Klebtechnik, RWTH Aachen<br />
Institut für Füge- und Schweißtechnik,<br />
Technische Universität Braunschweig<br />
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in<br />
der Produktionstechnik<br />
Fachgebiet Trennende und Fügende<br />
Fertigungsverfahren, Universität Kassel<br />
Laboratorium für Werkstoff- und<br />
Fügetechnik, Universität Paderborn<br />
Institut für Mechanik, Fachgebiet<br />
Numerische Mechanik, Universität Kassel
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de<br />
abrufbar.<br />
Das Doktorandenseminar Klebtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt.<br />
<strong>DVS</strong>-<strong>Bericht</strong>e Band 369<br />
ISBN 978-3-96144-139-6 (Print)<br />
ISBN 978-3-96144-140-2 (E-Book)<br />
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses Bandes<br />
oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der <strong>DVS</strong> Media GmbH, Düsseldorf.<br />
© <strong>DVS</strong> Media GmbH, Düsseldorf 2023<br />
Herstellung: WIRmachenDRUCK GmbH, Backnang
Vorwort<br />
Das Doktorandenseminar Klebtechnik stellt ein jährlich wiederkehrendes Seminar mit wechselndem<br />
Veranstalter dar. Bei der Veranstaltung treffen sich wissenschaftliche Mitarbeiter, Gruppenleiter<br />
sowie Professoren aus dem Fachgebiet Klebtechnik von verschiedenen Forschungsinstituten. Im<br />
Rahmen des Seminars wird Promovierenden die Möglichkeit gegeben, ihre Forschungsarbeit vor<br />
dem anwesenden Fachgremium zu präsentieren und so neue Impulse für die Dissertation zu<br />
erhalten. Neben dem inhaltlichen Austausch stellen das Networking und Knüpfen von neuen<br />
Beziehungen einen weiteren wesentlichen Aspekt des Seminars dar.<br />
Die Beiträge der Seminare aus den Jahren 2020, 2021 und 2022 werden in einem gemeinsamen<br />
Sammelband in Form eines eBooks veröffentlicht. Das 11. Doktorandenseminar (2020) wurde vom<br />
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen veranstaltet. Der Veranstalter<br />
des 12. Doktorandenseminars (2021) ist das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) in<br />
Paderborn gewesen. Das 13. Doktorandenseminar (2022) wurde vom Institut für Füge- und<br />
Schweißtechnik (ifs) der TU Braunschweig veranstaltet.
Doktorandenseminare Klebtechnik<br />
ORT SEMINAR SEITE<br />
Aachen 11. Doktorandenseminar (2020) 1<br />
Paderborn 12. Doktorandenseminar (2021) 89<br />
Braunschweig 13. Doktorandenseminar (2022) 191
11. Doktorandenseminar<br />
Klebtechnik<br />
Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung<br />
in Aachen<br />
am 09. und 10. September 2020<br />
Institut für Schweiß- und<br />
Fügetechnik,<br />
Abteilung Klebtechnik, RWTH<br />
Aachen<br />
Institut für Füge- und<br />
Schweißtechnik,<br />
Technische Universität<br />
Braunschweig<br />
Fraunhofer-Institut für<br />
Großstrukturen in der<br />
Produktionstechnik<br />
Fachgebiet Trennende und Fügende<br />
Fertigungsverfahren, Universität<br />
Kassel<br />
Laboratorium für Werkstoff- und<br />
Fügetechnik, Universität Paderborn<br />
Institut für Mechanik, Fachgebiet<br />
Numerische Mechanik, Universität<br />
Kassel
Vorwort<br />
Das 11. Doktorandenseminar Klebtechnik stand im Jahr 2020 im Zeichen der Corona-Pandemie.<br />
Lange Zeit war es fraglich, ob eine Durchführung in Präsenz überhaupt möglich sein wird, schließlich<br />
sind doch das Knüpfen von Beziehungen zwischen den Wissenschaftlern der verschiedenen<br />
Forschungsinstitute und der inhaltliche Austausch untereinander zwei wesentliche Ziele dieses<br />
Seminares. Und erfahrungsgemäß funktioniert dies am besten im persönlichen Kontakt und<br />
angenehmer Atmosphäre. Glücklicherweise war es aufgrund der zu diesem Zeitpunkt niedrigen Zahl<br />
an Neuinfektionen und wenigen Maßnahmen der Einschränkung möglich, das Doktorandenseminar<br />
am 09. und 10. September 2020 stattfinden zu lassen. Der Einladung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe<br />
Reisgen, dem Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen, folgten<br />
insgesamt 17 Vertreter von 4 Universitäten sowie einem Fraunhofer-Institut, darunter<br />
wissenschaftlicher Mitarbeiter, Gruppenleiter sowie Professoren.<br />
In insgesamt interessanten 8 Beiträgen präsentierten die teilnehmenden Doktoranden abermals,<br />
wie vielfältig das Thema Kleben und die Anwendung des Klebens ist. So wurden Arbeiten zur<br />
Zustandsüberwachung geklebter Verbindungen, Beständigkeit sowie Dichtheit von Klebungen, der<br />
Simulation und zum Kleben im Holzbau oder unter Wasser vorgestellt.<br />
Eine der guten Traditionen des Doktorandenseminares Klebtechnik ist die Möglichkeit zum<br />
persönlichen Kennenlernen während des gemeinsamen Abend am ersten Tag der Veranstaltung. In<br />
diesem Jahr, abermals ermöglicht durch die finanzielle Unterstützung des Gemeinschaftsausschuss<br />
Klebtechnik (GAK), bekamen die Teilnehmer im Zuge einer Führung durch die Aachener Innenstadt<br />
einen Einblick in einige der „Morde und Missetaten“ in der langen Geschichte der Stadt. Ausklingen<br />
ließ man den Abend bei einem gemeinsamen Abendessen im Restaurant „Magellan“.<br />
Ein herzlicher Dank gilt dem GAK für die finanzielle Unterstützung und dem Gastgeber Professor<br />
Reisgen. Diese Veranstaltung trägt seit vielen Jahren zur Vernetzung und Weiterbildung junger<br />
Forscher aus dem Bereich der Klebtechnik und deren Institute bei. Umso mehr ist zu hoffen, dass<br />
auch im Jahr 2021 das Doktorandenseminar Klebtechnik stattfinden wird, wozu Prof. Gerson<br />
Meschut, Leiter des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) nach Paderborn einlädt.<br />
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Vortragsabfolge<br />
AUTOR TITEL SEITE<br />
T. Schmolke Untersuchung der Dichtheitseigenschaften hybridgefügter<br />
Mischbauverbindungen für den Einsatz in Batteriegehäusen<br />
für Elektrofahrzeuge<br />
N. Ratsch Schnellausgehärtete, außentemperaturunabhängige Klebungen<br />
von Gewindestangen im konstruktiven Holzbau<br />
T. Hagen Entwicklung einer verbesserten Bewertungsmethode zur Bestimmung<br />
der umgebungsbedingten Spannungsrissbeständigkeit von<br />
thermoplastischen Polymerwerkstoffen gegenüber Klebstoffkomponenten<br />
J. Weiland Zustandsüberwachung von Klebungen: Einblicke in die industrielle<br />
Umsetzung, Chancen und Herausforderungen einer neuen Methode<br />
basierend auf dem Einsatz optischer Polymerfasern<br />
C. Köster Modellbasierte Lebensdauersimulation geklebter Stahlverbindungen<br />
unter Betriebsbelastung<br />
J. Gatzke Beitrag zu Untersuchungen von mehrstufigen Injektionsprozessen<br />
zur Herstellung von Klebverbindungen unter Wasser<br />
J. Göddecke Experimentelle Untersuchung der Dämpfungseigenschaften geklebter<br />
Strukturen unter dynamischer Beanspruchung<br />
F. Kötz Modellierung und Simulation des Dämpfungsverhaltens von<br />
schwingenden Stahlklebverbindungen<br />
Autorenverzeichnis<br />
7<br />
15<br />
27<br />
39<br />
48<br />
56<br />
66<br />
77<br />
87<br />
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Untersuchung der Dichtheitseigenschaften hybridgefügter<br />
Mischbauverbindungen für den Einsatz in Batteriegehäusen<br />
für Elektrofahrzeuge<br />
T. Schmolke, G. Meschut, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn<br />
Die Elektromobilität gilt als integraler Bestandteil der Energiewende im Verkehr, da Elektrofahrzeuge in<br />
Verbindung mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie das Potential zur Reduzierung der CO2-Emissionen<br />
haben. Herzstück der Elektrofahrzeuge sind die im Unterbodenbereich angeordneten Traktionsbatterien. An<br />
die bevorzugt in Rahmen-Mischbauweise aus Aluminium-Strangpressprofilen und Stahlfeinblechen<br />
gefertigten Batteriegehäuse werden vielfältige Anforderungen gestellt. Vor allem für die Fügetechnik gilt es,<br />
die Dampfdichtheit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten. Verlässliche Prüf- und<br />
Bewertungsmethoden, um die Dichtheit und Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung unter medialer- und<br />
mechanischer Belastung abzuschätzen, fehlen derzeit und werden grundlegend erarbeitet.<br />
1 Einleitung<br />
Eine bezahlbare, nachhaltige und klimafreundliche Mobilität rückt gemäß den Experten der Nationalen<br />
Plattform „Zukunft der Mobilität“ in den Vordergrund, so dass mit einem signifikanten Durchbruch der<br />
Elektromobilität zwischen 2020 und 2030 zu rechnen ist. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges gilt daher<br />
als Innovationsträger der sich global vollziehenden Mobilitätswende. [1, 2]<br />
Es existieren vielfältige Anforderungen an Antriebsbatterien von vollelektrischen Fahrzeugen, welche mit<br />
Zielkonflikten hinsichtlich Crashsicherheit, Package, Kühlung, Dichtigkeit, Korrosionsschutz und<br />
elektromagnetischer Abschirmung einhergehen. Zur Herstellung des eigentlichen Batteriegehäuses aus<br />
verschiedenen Halbzeugen inklusive des Gehäusedeckels, der Anbindung des Gehäuses an den Schweller<br />
sowie an crashrelevante Strukturen, zur Anbindung des Gehäuses an die Sitze und zur Zellanbindung im<br />
Inneren des Gehäuses ist die Fügetechnik ein entscheidender Faktor. Dabei müssen die Fügestellen neben<br />
der eigentlichen Gewährleistung der sicheren Kraftübertragung zwischen den verbundenen Bauteilen unter<br />
Erfüllung der geforderten mechanischen Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit zusätzliche<br />
Anforderungen erfüllen. Durch die Unterbringung des Batteriegehäuses im Nassbereich des Fahrzeugs<br />
müssen die Fügestellen eine Dichtheit gegenüber eindringender Feuchtigkeit aufweisen. [3, 4] Der Eintritt<br />
schon kleiner Mengen von Wasser oder Wasserdampf kann zu Kurzschlüssen der Batterie führen und ist<br />
daher unbedingt zu vermeiden. [5] Die Dichtheit muss in dem erwarteten Einsatztemperaturbereich sowie über<br />
der Lebensdauer des Fahrzeuges gewährleistet sein. Weiter unterliegen die Fügestellen aufgrund ihrer Nähe<br />
zu Straße einer höheren Korrosionsbelastung, welche bei der Auslegung mitberücksichtigt werden muss.<br />
Zur Veranschaulichung ist in Bild 1 ein exemplarisches Batteriegehäuse in Mischbauweise samt den<br />
Anforderungen an die eingesetzte Fügetechnik dargestellt. So muss der Batteriegehäusedeckel nach dem<br />
Einsetzen der Zellen prozesssicher schließbar und für das Austauschen von Batteriemodulen über die<br />
Lebensdauer des Fahrzeuges wieder lösbar sein. Das Bodenblech schützt die Batteriemodule gegen<br />
mechanische Belastungen von unten, so dass die Fügetechnik neben der Dichtheit die Übertragung hoher<br />
mechanischer Belastung gewährleisten muss.<br />
Die Anforderungen an die Fügetechnik werden von mechanischen Fügeelementen in Kombination mit<br />
verschiedenen Klebstoffen in hohem Maße erfüllt. Die Entwicklung eines Dichtheitsprüfkörpers im<br />
Labormaßstab ist dabei notwendig, um die Eignung der Fügeverfahren für die Anwendung im<br />
Batteriegehäusen zu überprüfen.<br />
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Bild 1. Exemplarischer Aufbau eines Batteriegehäuses in Mischbauweise<br />
2 Versuchswerkstoffe und Prüfaufbau<br />
2.1 Verwendete Werkstoffe, Klebstoffe und mechanische Fügeelemente<br />
Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden an hybrid gefügten Proben mit kaltaushärtenden,<br />
zweikomponentigen Klebstoffen in Kombination mit fließlochformenden Schrauben durchgeführt. Als Substrat<br />
werden neben einem stranggepressten Aluminiumwerkstoff zwei Stahlgüten untersucht.<br />
Tabelle 1. Verwendete Versuchsmaterialien<br />
Metallische Werkstoffe<br />
Werkstoff Zugfestigkeit Bruchdehnung Streckgrenze Blechdicke<br />
Deckblech 1: DP-K330Y590T-DP-GI 590 MPa 20% 330-430 MPa 1,5 mm<br />
Deckblech 2: DP-900Y1180T-DP-GI 1180 MPa 8% 900-1070 MPa 1,5 mm<br />
Grundblech: EN AW 6106 T6 250 MPa 8% 200 MPa 2,0 mm<br />
Klebstoffe<br />
Chemische Basis Zugfestigkeit Bruchdehnung<br />
2K Epoxidharz (2K-EP) 30 MPa 4%<br />
2K silanterminiertes Polymer (2K-STP) 2 MPa 500%<br />
Mechanisches Fügeelemente<br />
Fließlochschraube M4x20<br />
Metrische Schraube M4x20<br />
Für die Klebung des Bodenbleches wird ein 2K-EP ausgewählt. Dieser hat das Potential den hohen<br />
mechanischen Anforderungen gerecht zu werden und härtet bei Raumtemperatur innerhalb von 7 Tagen aus.<br />
Zum Fügen des Deckels auf dem Rahmen des Batteriegehäuses wird ein 2K-STP verwendet. Dieser zeichnet<br />
sich durch eine sehr hohe Bruchdehnung bei vergleichbar geringer Festigkeit aus. Dies ermöglicht ein Trennen<br />
der Klebverbindung ohne die Fügeteile zu beschädigen. Hierzu kann, wie bei der Glasverklebung bewährt,<br />
einen Draht oder ein vibrierendes Messer zum Entfügen genutzt werden. Nach der Wartung der<br />
Batteriemodule ist das erneute Fügen mit dem kalthärtenden Klebstoff auf der durchtrennten Klebfläche<br />
möglich.<br />
2.2 Grundlegende Informationen zur Dichtheitsprüfung<br />
Den Fokus der experimentellen Untersuchungen bildet die Dichtheitsprüfung an hybridgefügten Prüfkörpern<br />
in Mischbauweise. Dichtheit wird im Allgemeinen als die Strömungsrate eines Fluids in ein oder aus einem<br />
Prüfobjekt beschrieben. Da jedes technische Objekt Defekte oder Schwachpunkte in der Wand aufweist, gibt<br />
es kein vollkommen dichtes Objekt. Dichtheitsprüfungen dienen daher zum Testen, ob das Prüfobjekt eine<br />
definierte Grenzleckagerate nicht überschreitet. [3, 4] Generell kann dabei zwischen integraler und lokaler<br />
Dichtheitsprüfung unterschieden werden. Bei der integralen Dichtheitsprüfung wird die Gesamtdichtheit des<br />
Bauteils untersucht, wohingegen die lokale Prüfung zum Auffinden der Leckstelle dient. Für die<br />
experimentellen Untersuchungen der Dichtheitseigenschaften ist die Druckdifferenzmethode als integrales<br />
Prüfverfahren und die Schaumprüfung zur Lecklokalisierung ausgewählt worden. Diese Verfahren zeichnen<br />
sich durch eine vergleichbar einfache Handhabung und hohe Prozesssicherheit aus. Es können ohne großen<br />
experimentellen Aufwand eine Vielzahl an Einflussfaktoren des Fügeprozesses auf die<br />
Dichtheitseigenschaften des Verbundes untersucht werden.<br />
Bei der Druckdifferenzprüfung wird die Druckveränderung in einem bestimmten Zeitintervall gemessen. Zur<br />
Berechnung der Leckagerate wird anschließend das Innenvolumen des Prüfobjektes mit der<br />
Druckveränderung multipliziert und durch die Messdauer dividiert. Die Leckagerate besitzt die Einheit mmmmmmmmmmmmmmmm∗llll<br />
.<br />
ssss<br />
8<br />
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Bei konstant bleibenden Normbedingungen mit konstantem Umgebungsdruck während der Messdauer kann<br />
dies vereinfacht in die in der Praxis häufig verwendete Einheit mmmmllll<br />
umgerechnet werden. (s. Formel 1). [6]<br />
Formel 1: Berechnung der Leckagerate [6]<br />
mmmmmmmmmmmm<br />
Q = ΔΔΔΔΔΔΔΔ∗VVVVmmmm<br />
ΔΔΔΔΔΔΔΔ<br />
mit<br />
1 mmmmmmmmmmmmmmmm∗llll<br />
≈ 60 mmmmllll<br />
<br />
ssss<br />
mmmmmmmmmmmm<br />
VVVVVVVV: PPPPPPPPüffffffffffffffffffffffffffffffff ddddffffdddd PPPPPPPPüffffffffffffffffffffffffffffffffdddd<br />
ΔΔΔΔΔΔΔΔ: DDDDPPPPPPPPDDDDffffffffffffffffäffffffffffffffffffffffffnnnn wwwwähPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP ddddffffffff PPPPPPPPüffffddddffffffffffffPPPP<br />
ΔΔΔΔffff: PPPPPPPPüffffddddffffffffffffPPPP<br />
In Bild 2 ist der Ablauf der in vier Phasen unterteilbaren Prüfung schematisch abgebildet. Dabei wird das<br />
Prüfobjekt zunächst mit einem definierten Überdruck von 100 mbar beaufschlagt, bevor das Ventil des<br />
Dichtheitsprüfgerätes verschlossen wird [Bild 2, 1]. In der zweiten Phase erfolgt die Stabilisierung des<br />
Systems, um Messschwankungen zu vermeiden [Bild 2, 2] Die Dichtheitsprüfung bildet die dritte Phase des<br />
Messablaufs. Hierbei wird die Druckveränderung über der Prüfzeit aufgezeichnet [Bild 2, 3]. Aus diesen<br />
Werten kann die Leckagerate ermittelt werden. Abschließend erfolgt die Entlüftung des Prüfobjektes in der<br />
vierten und letzten Phase [Bild 2, 4] [3]<br />
Bild 2. Dichtheitsprüfung gemäß der Differenzdruckmethode<br />
2.3 Fertigung der Prüfkörper<br />
Die Bewertung der Dichtheitseigenschaften der hybriden Fügetechnik erfolgt an speziell entwickelten<br />
Prüfkörpern. Dabei wird zunächst ein quadratisches Grundblech zugeschnitten und anschließend in der Mitte<br />
mit einer Öffnung versehen. Auf diese Öffnung wird ein Deckblech mit variablen äußeren Abmessungen<br />
gefügt, um verschiedene Überlappungslängen einstellen zu können. In Bild 3 ist die Fertigung der Prüfkörper<br />
exemplarisch dargestellt. Dabei erfolgt nach dem Klebstoffauftrag und dem Zusammenbringen der<br />
Fügepartner das mechanische Fügen mittels Fließlochformschrauben, bevor der zweikomponentige<br />
kaltvernetzende Klebstoff (rot in Bild 3) gemäß Herstellervorgaben aushärtet.<br />
Diese Prüfkörper können anschließend in eine Vorrichtung eingespannt werden, bei der ein definiertes<br />
Prüfvolumen auf das Grundblech gepresst wird. Es können somit zum einen Leckagen in der Fügeebene<br />
zwischen beiden Fügeteilen detektiert werden. Darüber hinaus werden Leckagen senkrecht zur Fügeebene,<br />
wie z.B. entlang des Gewindes der Fließformschraube, gemessen.<br />
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Bild 3. Fertigung der Prüfkörper<br />
3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen<br />
3.1 Bewertung der Fügeverbindung anhand von Schliffbildern<br />
Vor Beginn der Fertigung der Prüfkörper für die Dichtheitsprüfung wird die Qualität der Fügeverbindung<br />
anhand von Schliffbildern bewertet (s. Bild 4). Hierbei werden die mechanischen Fügeparameter zunächst<br />
ohne den Einsatz von Klebstoff optimiert, bevor an hybrid gefügten Verbindungen der Einfluss des Klebstoffes<br />
auf das Fügeergebnis bewertet wird. Darüber hinaus wird zwischen nicht vorgelochtem und vorgelochtem<br />
Deckblech unterschieden.<br />
Es wird deutlich, dass der zusätzliche Klebstoffauftrag keinen negativen Einfluss auf den mechanischen<br />
Fügeprozess hat. Auffällig ist allerdings, dass es beim Fügen ohne Vorloch im Deckblech zu einer Spaltbildung<br />
zwischen den Fügepartnern kommt. Dies führt zu Defekten in der Klebschicht. Diese Spaltbildung tritt bei<br />
vorgelochtem Deckblech nicht auf, so dass eine sehr homogene Klebschicht entsteht und hier weniger<br />
Leckagen zu erwarten sind. In der Abbildung sind verschiedene Überlappungslängen von 12 mm bis 20 mm<br />
in Form drei verschiedener Kästen markiert. Dabei fällt auf, dass die Defekte vor allem bei geringen<br />
Überlappungslängen das Potential auftretender Leckagen bieten.<br />
Bild 4. Schliffbilder der hybridgefügten Prüfkörper<br />
3.2 Dichtheit hybrid gefügter Verbindungen mit strukturellem Klebstoff<br />
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung ohne vorgelochtes Deckblech mit strukturellem<br />
Klebstoff analysiert. Dieser Anwendungsfall eignet sich für die Verbindung des Bodenbleches mit dem<br />
Crashframe, da hohe mechanische Kräfte übertragen werden können und ein Entfügen während der<br />
Lebensdauer nicht erforderlich ist.<br />
Da die Schliffbilder bei den Prüfkörpern ohne vorgelochtem Deckblech Fehlstellen der Klebschicht im Bereich<br />
der Schraube zeigen, wird der Einfluss der Überlappungslänge auf die Dichtheitseigenschaften untersucht.<br />
Die Grenzleckagerate wird dabei für den entwickelten Prüfkörper auf 1 ml/min festgelegt. Die Festlegung<br />
10<br />
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erfolgt in Zusammenarbeit mit Industriepartnern auf Basis interner Informationen zu Batteriegehäusen von<br />
Serienfahrzeugen mit bekannter Fügenahtlänge und Grenzleckagerate.<br />
Bild 5. Leckagerate hybrid gefügter Verbindungen ohne Vorloch und mit strukturellem Klebstoff für unterschiedliche<br />
Überlappungslängen<br />
In Bild 5 sind die Ergebnisse der Dichtheitsprüfungen hybrid gefügter Verbindungen ohne Vorloch mit<br />
strukturellem Klebstoff für Überlappungslängen von 12 mm bis 20 mm dargestellt. Die Zahlen 1-10<br />
entsprechen dabei den verschiedenen Prüfkörpern im Prüflos mit gleichen Randbedingungen. Bei der Analyse<br />
dieser Ergebnisse fällt auf, dass bei einer Überlappungslänge von 20 mm die Leckagerate bis auf eine<br />
Ausnahme bei nahezu 0 ml/min liegt. Dabei sind ebenfalls minimal negative Leckageraten erkennbar. Diese<br />
können aufgrund von Setzprozessen in der Vorrichtung, Schwingung des Prüflings und insbesondere durch<br />
minimalen Wärmeeinflüsse entstehen. Der entsprechende Druckanstieg wird durch den<br />
Differenzdruckaufnehmer (Aufllösung 0,01 Pa) dabei erfasst und ausgewertet. Bei einem Prüfkörper ist ein<br />
Grobleck aufgetreten. Grobleck bedeutet dabei, dass der aufgebrachte Überdruck bereits in der<br />
Stabilisationsphase des Messablaufs auf 0 mbar sinkt. Mittels Lecksuchspray kann das Grobleck im<br />
Eckbereich lokalisiert werden, so dass das Aufbiegen des Deckbleches vermutlich zu einer Fehlstelle in der<br />
Klebschicht geführt hat. Da dies versuchsübergreifend lediglich einmal aufgetreten ist, kann von einem<br />
Ausreißer ausgegangen werden.<br />
Eine Reduzierung der Überlappungslänge auf 16 mm führt zu keiner Erhöhung der Leckageraten. Auch hier<br />
sind die Werte sehr nah an 0 ml/min. Lediglich ein Prüfkörper weist eine Leckagerate von 0,5 ml/min auf. Dies<br />
liegt deutlich unter der festgelegten Grenze.<br />
Bei 12 mm Überlappungslänge ist die Wahrscheinlichkeit, dass Leckagen detektiert werden, größer. Auffällig<br />
ist hierbei die Verlagerung der Leckage vom Eckbereich hin zur Schraube. Da es versuchsübergreifend nur<br />
stichpunktartig zu Leckagen kommt, kann die Verlagerung der Leckagestelle nicht statistisch abgesichert<br />
nachgewiesen werden. Wie die Schliffbilder vermuten lassen, führen die Defekte in der Klebschicht, die durch<br />
die Spaltbildung zwischen den Fügepartnern entstehen, zu Leckagen. Zu beachten ist allerdings, dass auch<br />
hier Prüfkörper gefertigt werden konnten, die eine Leckagerate von nahezu 0 ml/min aufweisen.<br />
Die Fehlstellen der Klebschicht werden von der Spaltbildung, die durch den mechanischen Fügeprozess<br />
entsteht, hervorgerufen. Eine Variation des mechanischen Fügeelementes sowie der Werkstoffkombination<br />
kann hier zu einer Verkleinerung es Spaltes führen. Ziel muss es dabei sein die Materialanhäufung zwischen<br />
den Fügeteilen zu minimieren. Ein weiterer Optimierungsansatz ist ebenfalls die Verwendung struktureller<br />
Klebstoffe mit unterschiedlicher Viskosität um den Einfluss des Fließverhaltens auf die auftretenden<br />
Fehlstellen in der Klebschicht zu minimieren. Wichtig ist bei der Klebstoffauswahl vor allem das Sicherstellen<br />
der Übertragbarkeit hoher mechanischer Lasten bei guter abdichtender Funktion. [7, 8]<br />
Abschließend lässt sich festhalten, dass sich die Wahrscheinlichkeit einer auftretenden Leckage bei<br />
Verringerung der Überlappungslänge tendenziell erhöht, aber auch bei dieser geringeren Überlappungslänge<br />
Prüfkörper Leckageraten unterhalb der definierten Grenzen gefertigt werden können.<br />
3.3 Dichtheit hybrid gefügter Verbindungen mit elastischem Klebstoff<br />
Die Anforderungen für die Verbindung des Batteriegehäusedeckels mit dem Crashframe unterscheiden sich<br />
deutlich von der Bodenblechverbindung. Da defekte Batteriemodule im Reparaturfall ersetzt werden müssen,<br />
ist die Lösbarkeit und erneute Fügbarkeit ohne Zerstörung oder Deformation der Fügepartner essentiell. Das<br />
Übertragen großer mechanische Kräfte ist hingegen nicht gefordert. Ein elastischer Klebstoff in Verbindung<br />
mit Fließformschrauben mit vorgelochtem Deckblech erfüllt diese Anforderungen.<br />
Hierzu werden zunächst Prüfkörper nach erfolgtem Klebstoffauftrag mit Fließformschrauben verschraubt.<br />
Dabei wird eine Klebschichtdicke von 3 mm eingestellt. Nach erfolgter Vernetzung des Klebstoffes erfolgt die<br />
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Dichtheitsprüfung gemäß des in Kapitel 2.2 vorgestellten Verfahrens. Anschließend werden die Schrauben<br />
entfernt und der Klebstoff mit Hilfe einer vibrierenden Klinge durchtrennt. Anschließend erfolgt ein erneuter<br />
Klebstoffauftrag, bevor handelsübliche metrische Schrauben in das fließformgeformte Gewinde gefügt<br />
werden. Danach wird die Dichtheitsprüfung wiederholt.<br />
Bild 6. Leckagerate hybrid gefügter Verbindungen mit Vorloch und mit elastischem Klebstoff vor und nach der Reparatur<br />
Wie in Bild 6 zu sehen ist, liegen die Leckageraten bei den Prüfkörpern vor der Reparatur bei ca. 0 ml/min.<br />
Nach der Reparatur steigt die Leckagerate geringfügig auf maximal 0,01 ml/min und liegt damit um Faktor 100<br />
unterhalb der Grenzleckagerate. Dies ist zum einen auf die sehr homogene Klebschicht ohne Fehlstellen<br />
zurückzuführen, die in den Schliffbildern in Bild 4 zu sehen ist. Zum anderen ist der verwendete Klebstoff<br />
speziell zum Abdichten gegenüber etwaig eintretender Feuchtigkeit entwickelt worden. Die Übertragung<br />
mechanischer Lasten stehen bei der Verwendung dieser Materialien nicht im Vordergrund. Des Weiteren wird<br />
deutlich, dass auch die von der Fließlochformschraube geformten Gewinde mit einer metrischen Schraube zu<br />
keiner Leckage führt.<br />
Die Leckageraten von 0,01 ml/min entsprechen einer Druckveränderung von 1-2 Pa während der Messzeit.<br />
Diese minimalen Veränderungen können aufgrund von Setzprozessen in der Vorrichtung, Schwingung des<br />
Prüflings und insbesondere durch Wärmeeinflüsse entstehen, so dass auch negative Leckageraten sehr nah<br />
um 0 ml/min gemessen werden können. Der entsprechende Druckanstieg wird durch den<br />
Differenzdruckaufnehmer (Auflösung 0,01 Pa) erfasst und ausgewertet. Dieses Phänomen tritt bei sehr<br />
dichten Prüflingen auf, die Leckageraten im Bereich der Nachweisgrenze des Messverfahrens aufweisen.<br />
3.4 Dichtheit hybrid gefügter Verbindungen nach korrosivem Einfluss<br />
Die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung bei unbelasteten Prüflingen weisen bis auf wenige Ausreißer<br />
Leckageraten von nahezu 0 ml/min auf. Da Batteriegehäuse im exponierten Unterbodenbereich der<br />
Fahrzeuge angeordnet werden, ist die Langzeitbeständigkeit der Dichtheit unbedingt sicherzustellen. Aus<br />
diesem Grund erfolgen im nächsten Schritt Dichtheitsprüfungen nach überlagerter korrosiver und thermischer<br />
Belastung gemäß des VDA 233-102 Tests. Dieser Test ist Standard in der Automobilindustrie und<br />
gewährleistet eine praxisnahe Schädigung bei verzinktem Stahl und Aluminium. [9] Die Prüfung durchläuft den<br />
in Bild 7 dargestellten Prüfzyklus sechs Mal und umfasst damit eine Prüfdauer von sechs Wochen.<br />
Untersuchungen zum Einfluss dieses Tests auf die mechanischen Eigenschaften hybridgefügter<br />
Verbindungen zeigen, dass das Eindringen von Feuchtigkeit in die Grenzfläche zwischen Substrat und<br />
Klebstoff zu einem Abfall der Übertragbaren Belastung führt. [10] Inwiefern dies einen Einfluss auf die Dichtheit<br />
des Verbundes hat, ist deshalb zu untersuchen.<br />
12<br />
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Bild 7. Korrosionswechseltest VDA 233-102 [11]<br />
Die Dichtheitsprüfung erfolgt dabei zunächst vor der korrosiven Belastung. Anschließend werden die Proben<br />
nach jeder Woche im Beobachtungszeitraum entnommen und erneut auf Dichtheit geprüft. Wie in Bild 8 zu<br />
sehen, überschreitet eine Probe nach zwei Wochen korrosiver Belastung die Grenzleckagerate. Die<br />
Leckagerate steigt mit der Anzahl der durchlaufenen Prüfzyklen weiter bis auf etwa 14 ml/min an. Die übrigen<br />
Prüflinge weisen nach sechs durchlaufenen Prüfzyklen weiterhin eine Leckagerate von nahezu 0 ml/min auf.<br />
Das Ergebnis dieser Untersuchung zeigt, dass weiterführende Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit der<br />
hybridgefügten Verbunde notwendig sind, um die Dichtheit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer bewerten<br />
zu können, da nicht alle getesteten Prüfkörper nach der vorgeschriebenen Anzahl sechs durchlaufener<br />
Prüfzyklen Leckagen unterhalb der definierten Grenze aufweisen.<br />
Bild 8. Dichtheitsprüfung korrosiv belasteter Prüfkörper<br />
4 Zusammenfassung und Ausblick<br />
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es bei optimaler Prozessausführung möglich ist, eine<br />
anforderungsgemäße dichte Verbindung herzustellen. Da es bei Prüfkörpern ohne vorgelochtes Deckblech<br />
aufgrund von Fehlstellen in der Klebschicht stichpunktartig zu Grobleckagen kommt, sind weiterführende<br />
Untersuchungen zur Bewertung der auftretenden Prozessfehler notwendig. Bei vorgelochtem Deckblech<br />
werden reproduzierbar Leckageraten, die an der Nachweisgrenze des Druckdifferenzprüfverfahrens liegen,<br />
erzielt. Um dennoch eine Differenzierung der Prüflinge mit geringen Leckageraten durchführen zu können,<br />
werden weitere Untersuchungen mit einem Dichtheitsprüfverfahren mit einer feineren Nachweisgrenze<br />
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durchgeführt. Darüber hinaus ist die Langzeitbeständigkeit der Verbindungen weit zu untersuchen, um den<br />
Einfluss hygro-thermo-mechanischer Belastungen auf die Dichtheitseigenschaften bewerten zu können.<br />
5 Danksagung<br />
Die dargestellten Forschungsergebnisse stammen teilweise aus dem IGF-Forschungsprojekt<br />
20081 N „Entwicklung einer gewichtsoptimierten Batteriegehäusestruktur für Volumenfahrzeuge<br />
(Leichtbaubatteriegehäuse)“ der Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT), das von der AiF im Rahmen<br />
des Programms zur Förderung der industriellen Forschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft<br />
und Energie auf Beschluss des Deutschen Bundestages gefördert wurde. An dem Forschungsprojekt ist<br />
außerdem das Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen University beteiligt.<br />
Für die finanzielle Förderung und die organisatorische Betreuung der Forschungsvereinigung sei an dieser<br />
Stelle gedankt. Weiterer Dank gilt den zahlreichen kooperierenden Industriepartnern für die gute<br />
Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes.<br />
6 Literatur<br />
[1] https://www.plattform-zukunft-mobilitaet.de/<br />
abgerufen am 07.10.2020<br />
[2] https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/elektromobilitaet.html<br />
abgerufen am 07.10.2020<br />
[3] INFICON GmbH, WHITEPAPER: E-Mobilität: Die Bedeutung der Dichtheitsprüfung, 2018<br />
[4] INFICON GmbH, Dichtheitsprüfung in der Automobilindustrie, Ein Leitfaden, 2016<br />
[5] Pressure control of a leakage testing device used for traction batteries, Robert Tafner , Johannes<br />
Schweigler, Markus Reichhartinger, Published as Short Paper at the: 11th IFAC Symposium on<br />
Nonlinear Control Systems NOLCOS 2019, Vienna, Austria, 2019<br />
[6] https://www.drwiesner.de/fileadmin/filestore-wiesner/doks/LeckUmr.pdf<br />
abgerufen am 07.11.2020<br />
[7] Leichtbau in der Fahrzeugtechnik, Horst E. Friedrich, Springer Fachmedien Wiesbaden, 2017<br />
[8] Leitfaden für erfolgreiche Verbindungen (Teil 6), Springer Fachmedien Wiesbaden, in adhäsion<br />
KLEBEN & DICHTEN, Ausgabe 6/2013<br />
[9] Korrosion im Griff!, Trends und Entwicklungen in der Korrosionsprüfung, voestalpine Stahl GmbH<br />
https://www.voestalpine.com/ultralights/Newsletter/Alle-Automotive-Notes-Beitraege/Korrosion-im-<br />
Griff<br />
abgerufen am 18.03.2021<br />
[10] Influence of test parameters in an automotive cyclic test on the corrosion and mechanical performance<br />
of joined materials, N. LeBozec, D. Thierry, published in Materials and Corrosion 2015, 66, No. 10<br />
[11] VDA 233-102 Zyklische Korrosionsprüfung von Werkstoffen und Bauteilen im Automobilbau,<br />
VERBAND DER AUTOMIBILINDUSTRIE E. V., Juni 2013<br />
14<br />
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