DVS_Bericht_369_LP

2023
DVS-BERICHTE
11. – 13.
Doktorandenseminar
Klebtechnik

11. – 13. Doktorandenseminar
Klebtechnik
Vorträge 2020, 2021 und 2022
Institut für Schweiß- und Fügetechnik,
Abteilung Klebtechnik, RWTH Aachen
Institut für Füge- und Schweißtechnik,
Technische Universität Braunschweig
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in
der Produktionstechnik
Fachgebiet Trennende und Fügende
Fertigungsverfahren, Universität Kassel
Laboratorium für Werkstoff- und
Fügetechnik, Universität Paderborn
Institut für Mechanik, Fachgebiet
Numerische Mechanik, Universität Kassel

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de
abrufbar.
Das Doktorandenseminar Klebtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt.
DVS-Berichte Band 369
ISBN 978-3-96144-139-6 (Print)
ISBN 978-3-96144-140-2 (E-Book)
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses Bandes
oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf 2023
Herstellung: WIRmachenDRUCK GmbH, Backnang

Vorwort
Das Doktorandenseminar Klebtechnik stellt ein jährlich wiederkehrendes Seminar mit wechselndem
Veranstalter dar. Bei der Veranstaltung treffen sich wissenschaftliche Mitarbeiter, Gruppenleiter
sowie Professoren aus dem Fachgebiet Klebtechnik von verschiedenen Forschungsinstituten. Im
Rahmen des Seminars wird Promovierenden die Möglichkeit gegeben, ihre Forschungsarbeit vor
dem anwesenden Fachgremium zu präsentieren und so neue Impulse für die Dissertation zu
erhalten. Neben dem inhaltlichen Austausch stellen das Networking und Knüpfen von neuen
Beziehungen einen weiteren wesentlichen Aspekt des Seminars dar.
Die Beiträge der Seminare aus den Jahren 2020, 2021 und 2022 werden in einem gemeinsamen
Sammelband in Form eines eBooks veröffentlicht. Das 11. Doktorandenseminar (2020) wurde vom
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen veranstaltet. Der Veranstalter
des 12. Doktorandenseminars (2021) ist das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) in
Paderborn gewesen. Das 13. Doktorandenseminar (2022) wurde vom Institut für Füge- und
Schweißtechnik (ifs) der TU Braunschweig veranstaltet.

Doktorandenseminare Klebtechnik
ORT SEMINAR SEITE
Aachen 11. Doktorandenseminar (2020) 1
Paderborn 12. Doktorandenseminar (2021) 89
Braunschweig 13. Doktorandenseminar (2022) 191

11. Doktorandenseminar
Klebtechnik
Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung
in Aachen
am 09. und 10. September 2020
Institut für Schweiß- und
Fügetechnik,
Abteilung Klebtechnik, RWTH
Aachen
Institut für Füge- und
Schweißtechnik,
Technische Universität
Braunschweig
Fraunhofer-Institut für
Großstrukturen in der
Produktionstechnik
Fachgebiet Trennende und Fügende
Fertigungsverfahren, Universität
Kassel
Laboratorium für Werkstoff- und
Fügetechnik, Universität Paderborn
Institut für Mechanik, Fachgebiet
Numerische Mechanik, Universität
Kassel

Vorwort
Das 11. Doktorandenseminar Klebtechnik stand im Jahr 2020 im Zeichen der Corona-Pandemie.
Lange Zeit war es fraglich, ob eine Durchführung in Präsenz überhaupt möglich sein wird, schließlich
sind doch das Knüpfen von Beziehungen zwischen den Wissenschaftlern der verschiedenen
Forschungsinstitute und der inhaltliche Austausch untereinander zwei wesentliche Ziele dieses
Seminares. Und erfahrungsgemäß funktioniert dies am besten im persönlichen Kontakt und
angenehmer Atmosphäre. Glücklicherweise war es aufgrund der zu diesem Zeitpunkt niedrigen Zahl
an Neuinfektionen und wenigen Maßnahmen der Einschränkung möglich, das Doktorandenseminar
am 09. und 10. September 2020 stattfinden zu lassen. Der Einladung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe
Reisgen, dem Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen, folgten
insgesamt 17 Vertreter von 4 Universitäten sowie einem Fraunhofer-Institut, darunter
wissenschaftlicher Mitarbeiter, Gruppenleiter sowie Professoren.
In insgesamt interessanten 8 Beiträgen präsentierten die teilnehmenden Doktoranden abermals,
wie vielfältig das Thema Kleben und die Anwendung des Klebens ist. So wurden Arbeiten zur
Zustandsüberwachung geklebter Verbindungen, Beständigkeit sowie Dichtheit von Klebungen, der
Simulation und zum Kleben im Holzbau oder unter Wasser vorgestellt.
Eine der guten Traditionen des Doktorandenseminares Klebtechnik ist die Möglichkeit zum
persönlichen Kennenlernen während des gemeinsamen Abend am ersten Tag der Veranstaltung. In
diesem Jahr, abermals ermöglicht durch die finanzielle Unterstützung des Gemeinschaftsausschuss
Klebtechnik (GAK), bekamen die Teilnehmer im Zuge einer Führung durch die Aachener Innenstadt
einen Einblick in einige der „Morde und Missetaten“ in der langen Geschichte der Stadt. Ausklingen
ließ man den Abend bei einem gemeinsamen Abendessen im Restaurant „Magellan“.
Ein herzlicher Dank gilt dem GAK für die finanzielle Unterstützung und dem Gastgeber Professor
Reisgen. Diese Veranstaltung trägt seit vielen Jahren zur Vernetzung und Weiterbildung junger
Forscher aus dem Bereich der Klebtechnik und deren Institute bei. Umso mehr ist zu hoffen, dass
auch im Jahr 2021 das Doktorandenseminar Klebtechnik stattfinden wird, wozu Prof. Gerson
Meschut, Leiter des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) nach Paderborn einlädt.
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Vortragsabfolge
AUTOR TITEL SEITE
T. Schmolke Untersuchung der Dichtheitseigenschaften hybridgefügter
Mischbauverbindungen für den Einsatz in Batteriegehäusen
für Elektrofahrzeuge
N. Ratsch Schnellausgehärtete, außentemperaturunabhängige Klebungen
von Gewindestangen im konstruktiven Holzbau
T. Hagen Entwicklung einer verbesserten Bewertungsmethode zur Bestimmung
der umgebungsbedingten Spannungsrissbeständigkeit von
thermoplastischen Polymerwerkstoffen gegenüber Klebstoffkomponenten
J. Weiland Zustandsüberwachung von Klebungen: Einblicke in die industrielle
Umsetzung, Chancen und Herausforderungen einer neuen Methode
basierend auf dem Einsatz optischer Polymerfasern
C. Köster Modellbasierte Lebensdauersimulation geklebter Stahlverbindungen
unter Betriebsbelastung
J. Gatzke Beitrag zu Untersuchungen von mehrstufigen Injektionsprozessen
zur Herstellung von Klebverbindungen unter Wasser
J. Göddecke Experimentelle Untersuchung der Dämpfungseigenschaften geklebter
Strukturen unter dynamischer Beanspruchung
F. Kötz Modellierung und Simulation des Dämpfungsverhaltens von
schwingenden Stahlklebverbindungen
Autorenverzeichnis
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27
39
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56
66
77
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Untersuchung der Dichtheitseigenschaften hybridgefügter
Mischbauverbindungen für den Einsatz in Batteriegehäusen
für Elektrofahrzeuge
T. Schmolke, G. Meschut, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn
Die Elektromobilität gilt als integraler Bestandteil der Energiewende im Verkehr, da Elektrofahrzeuge in
Verbindung mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie das Potential zur Reduzierung der CO2-Emissionen
haben. Herzstück der Elektrofahrzeuge sind die im Unterbodenbereich angeordneten Traktionsbatterien. An
die bevorzugt in Rahmen-Mischbauweise aus Aluminium-Strangpressprofilen und Stahlfeinblechen
gefertigten Batteriegehäuse werden vielfältige Anforderungen gestellt. Vor allem für die Fügetechnik gilt es,
die Dampfdichtheit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten. Verlässliche Prüf- und
Bewertungsmethoden, um die Dichtheit und Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung unter medialer- und
mechanischer Belastung abzuschätzen, fehlen derzeit und werden grundlegend erarbeitet.
1 Einleitung
Eine bezahlbare, nachhaltige und klimafreundliche Mobilität rückt gemäß den Experten der Nationalen
Plattform „Zukunft der Mobilität“ in den Vordergrund, so dass mit einem signifikanten Durchbruch der
Elektromobilität zwischen 2020 und 2030 zu rechnen ist. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges gilt daher
als Innovationsträger der sich global vollziehenden Mobilitätswende. [1, 2]
Es existieren vielfältige Anforderungen an Antriebsbatterien von vollelektrischen Fahrzeugen, welche mit
Zielkonflikten hinsichtlich Crashsicherheit, Package, Kühlung, Dichtigkeit, Korrosionsschutz und
elektromagnetischer Abschirmung einhergehen. Zur Herstellung des eigentlichen Batteriegehäuses aus
verschiedenen Halbzeugen inklusive des Gehäusedeckels, der Anbindung des Gehäuses an den Schweller
sowie an crashrelevante Strukturen, zur Anbindung des Gehäuses an die Sitze und zur Zellanbindung im
Inneren des Gehäuses ist die Fügetechnik ein entscheidender Faktor. Dabei müssen die Fügestellen neben
der eigentlichen Gewährleistung der sicheren Kraftübertragung zwischen den verbundenen Bauteilen unter
Erfüllung der geforderten mechanischen Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit zusätzliche
Anforderungen erfüllen. Durch die Unterbringung des Batteriegehäuses im Nassbereich des Fahrzeugs
müssen die Fügestellen eine Dichtheit gegenüber eindringender Feuchtigkeit aufweisen. [3, 4] Der Eintritt
schon kleiner Mengen von Wasser oder Wasserdampf kann zu Kurzschlüssen der Batterie führen und ist
daher unbedingt zu vermeiden. [5] Die Dichtheit muss in dem erwarteten Einsatztemperaturbereich sowie über
der Lebensdauer des Fahrzeuges gewährleistet sein. Weiter unterliegen die Fügestellen aufgrund ihrer Nähe
zu Straße einer höheren Korrosionsbelastung, welche bei der Auslegung mitberücksichtigt werden muss.
Zur Veranschaulichung ist in Bild 1 ein exemplarisches Batteriegehäuse in Mischbauweise samt den
Anforderungen an die eingesetzte Fügetechnik dargestellt. So muss der Batteriegehäusedeckel nach dem
Einsetzen der Zellen prozesssicher schließbar und für das Austauschen von Batteriemodulen über die
Lebensdauer des Fahrzeuges wieder lösbar sein. Das Bodenblech schützt die Batteriemodule gegen
mechanische Belastungen von unten, so dass die Fügetechnik neben der Dichtheit die Übertragung hoher
mechanischer Belastung gewährleisten muss.
Die Anforderungen an die Fügetechnik werden von mechanischen Fügeelementen in Kombination mit
verschiedenen Klebstoffen in hohem Maße erfüllt. Die Entwicklung eines Dichtheitsprüfkörpers im
Labormaßstab ist dabei notwendig, um die Eignung der Fügeverfahren für die Anwendung im
Batteriegehäusen zu überprüfen.
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Bild 1. Exemplarischer Aufbau eines Batteriegehäuses in Mischbauweise
2 Versuchswerkstoffe und Prüfaufbau
2.1 Verwendete Werkstoffe, Klebstoffe und mechanische Fügeelemente
Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden an hybrid gefügten Proben mit kaltaushärtenden,
zweikomponentigen Klebstoffen in Kombination mit fließlochformenden Schrauben durchgeführt. Als Substrat
werden neben einem stranggepressten Aluminiumwerkstoff zwei Stahlgüten untersucht.
Tabelle 1. Verwendete Versuchsmaterialien
Metallische Werkstoffe
Werkstoff Zugfestigkeit Bruchdehnung Streckgrenze Blechdicke
Deckblech 1: DP-K330Y590T-DP-GI 590 MPa 20% 330-430 MPa 1,5 mm
Deckblech 2: DP-900Y1180T-DP-GI 1180 MPa 8% 900-1070 MPa 1,5 mm
Grundblech: EN AW 6106 T6 250 MPa 8% 200 MPa 2,0 mm
Klebstoffe
Chemische Basis Zugfestigkeit Bruchdehnung
2K Epoxidharz (2K-EP) 30 MPa 4%
2K silanterminiertes Polymer (2K-STP) 2 MPa 500%
Mechanisches Fügeelemente
Fließlochschraube M4x20
Metrische Schraube M4x20
Für die Klebung des Bodenbleches wird ein 2K-EP ausgewählt. Dieser hat das Potential den hohen
mechanischen Anforderungen gerecht zu werden und härtet bei Raumtemperatur innerhalb von 7 Tagen aus.
Zum Fügen des Deckels auf dem Rahmen des Batteriegehäuses wird ein 2K-STP verwendet. Dieser zeichnet
sich durch eine sehr hohe Bruchdehnung bei vergleichbar geringer Festigkeit aus. Dies ermöglicht ein Trennen
der Klebverbindung ohne die Fügeteile zu beschädigen. Hierzu kann, wie bei der Glasverklebung bewährt,
einen Draht oder ein vibrierendes Messer zum Entfügen genutzt werden. Nach der Wartung der
Batteriemodule ist das erneute Fügen mit dem kalthärtenden Klebstoff auf der durchtrennten Klebfläche
möglich.
2.2 Grundlegende Informationen zur Dichtheitsprüfung
Den Fokus der experimentellen Untersuchungen bildet die Dichtheitsprüfung an hybridgefügten Prüfkörpern
in Mischbauweise. Dichtheit wird im Allgemeinen als die Strömungsrate eines Fluids in ein oder aus einem
Prüfobjekt beschrieben. Da jedes technische Objekt Defekte oder Schwachpunkte in der Wand aufweist, gibt
es kein vollkommen dichtes Objekt. Dichtheitsprüfungen dienen daher zum Testen, ob das Prüfobjekt eine
definierte Grenzleckagerate nicht überschreitet. [3, 4] Generell kann dabei zwischen integraler und lokaler
Dichtheitsprüfung unterschieden werden. Bei der integralen Dichtheitsprüfung wird die Gesamtdichtheit des
Bauteils untersucht, wohingegen die lokale Prüfung zum Auffinden der Leckstelle dient. Für die
experimentellen Untersuchungen der Dichtheitseigenschaften ist die Druckdifferenzmethode als integrales
Prüfverfahren und die Schaumprüfung zur Lecklokalisierung ausgewählt worden. Diese Verfahren zeichnen
sich durch eine vergleichbar einfache Handhabung und hohe Prozesssicherheit aus. Es können ohne großen
experimentellen Aufwand eine Vielzahl an Einflussfaktoren des Fügeprozesses auf die
Dichtheitseigenschaften des Verbundes untersucht werden.
Bei der Druckdifferenzprüfung wird die Druckveränderung in einem bestimmten Zeitintervall gemessen. Zur
Berechnung der Leckagerate wird anschließend das Innenvolumen des Prüfobjektes mit der
Druckveränderung multipliziert und durch die Messdauer dividiert. Die Leckagerate besitzt die Einheit mmmmmmmmmmmmmmmm∗llll
.
ssss
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Bei konstant bleibenden Normbedingungen mit konstantem Umgebungsdruck während der Messdauer kann
dies vereinfacht in die in der Praxis häufig verwendete Einheit mmmmllll
umgerechnet werden. (s. Formel 1). [6]
Formel 1: Berechnung der Leckagerate [6]
mmmmmmmmmmmm
Q = ΔΔΔΔΔΔΔΔ∗VVVVmmmm
ΔΔΔΔΔΔΔΔ
mit
1 mmmmmmmmmmmmmmmm∗llll
≈ 60 mmmmllll
ssss
mmmmmmmmmmmm
VVVVVVVV: PPPPPPPPüffffffffffffffffffffffffffffffff ddddffffdddd PPPPPPPPüffffffffffffffffffffffffffffffffdddd
ΔΔΔΔΔΔΔΔ: DDDDPPPPPPPPDDDDffffffffffffffffäffffffffffffffffffffffffnnnn wwwwähPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP ddddffffffff PPPPPPPPüffffddddffffffffffffPPPP
ΔΔΔΔffff: PPPPPPPPüffffddddffffffffffffPPPP
In Bild 2 ist der Ablauf der in vier Phasen unterteilbaren Prüfung schematisch abgebildet. Dabei wird das
Prüfobjekt zunächst mit einem definierten Überdruck von 100 mbar beaufschlagt, bevor das Ventil des
Dichtheitsprüfgerätes verschlossen wird [Bild 2, 1]. In der zweiten Phase erfolgt die Stabilisierung des
Systems, um Messschwankungen zu vermeiden [Bild 2, 2] Die Dichtheitsprüfung bildet die dritte Phase des
Messablaufs. Hierbei wird die Druckveränderung über der Prüfzeit aufgezeichnet [Bild 2, 3]. Aus diesen
Werten kann die Leckagerate ermittelt werden. Abschließend erfolgt die Entlüftung des Prüfobjektes in der
vierten und letzten Phase [Bild 2, 4] [3]
Bild 2. Dichtheitsprüfung gemäß der Differenzdruckmethode
2.3 Fertigung der Prüfkörper
Die Bewertung der Dichtheitseigenschaften der hybriden Fügetechnik erfolgt an speziell entwickelten
Prüfkörpern. Dabei wird zunächst ein quadratisches Grundblech zugeschnitten und anschließend in der Mitte
mit einer Öffnung versehen. Auf diese Öffnung wird ein Deckblech mit variablen äußeren Abmessungen
gefügt, um verschiedene Überlappungslängen einstellen zu können. In Bild 3 ist die Fertigung der Prüfkörper
exemplarisch dargestellt. Dabei erfolgt nach dem Klebstoffauftrag und dem Zusammenbringen der
Fügepartner das mechanische Fügen mittels Fließlochformschrauben, bevor der zweikomponentige
kaltvernetzende Klebstoff (rot in Bild 3) gemäß Herstellervorgaben aushärtet.
Diese Prüfkörper können anschließend in eine Vorrichtung eingespannt werden, bei der ein definiertes
Prüfvolumen auf das Grundblech gepresst wird. Es können somit zum einen Leckagen in der Fügeebene
zwischen beiden Fügeteilen detektiert werden. Darüber hinaus werden Leckagen senkrecht zur Fügeebene,
wie z.B. entlang des Gewindes der Fließformschraube, gemessen.
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Bild 3. Fertigung der Prüfkörper
3 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
3.1 Bewertung der Fügeverbindung anhand von Schliffbildern
Vor Beginn der Fertigung der Prüfkörper für die Dichtheitsprüfung wird die Qualität der Fügeverbindung
anhand von Schliffbildern bewertet (s. Bild 4). Hierbei werden die mechanischen Fügeparameter zunächst
ohne den Einsatz von Klebstoff optimiert, bevor an hybrid gefügten Verbindungen der Einfluss des Klebstoffes
auf das Fügeergebnis bewertet wird. Darüber hinaus wird zwischen nicht vorgelochtem und vorgelochtem
Deckblech unterschieden.
Es wird deutlich, dass der zusätzliche Klebstoffauftrag keinen negativen Einfluss auf den mechanischen
Fügeprozess hat. Auffällig ist allerdings, dass es beim Fügen ohne Vorloch im Deckblech zu einer Spaltbildung
zwischen den Fügepartnern kommt. Dies führt zu Defekten in der Klebschicht. Diese Spaltbildung tritt bei
vorgelochtem Deckblech nicht auf, so dass eine sehr homogene Klebschicht entsteht und hier weniger
Leckagen zu erwarten sind. In der Abbildung sind verschiedene Überlappungslängen von 12 mm bis 20 mm
in Form drei verschiedener Kästen markiert. Dabei fällt auf, dass die Defekte vor allem bei geringen
Überlappungslängen das Potential auftretender Leckagen bieten.
Bild 4. Schliffbilder der hybridgefügten Prüfkörper
3.2 Dichtheit hybrid gefügter Verbindungen mit strukturellem Klebstoff
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung ohne vorgelochtes Deckblech mit strukturellem
Klebstoff analysiert. Dieser Anwendungsfall eignet sich für die Verbindung des Bodenbleches mit dem
Crashframe, da hohe mechanische Kräfte übertragen werden können und ein Entfügen während der
Lebensdauer nicht erforderlich ist.
Da die Schliffbilder bei den Prüfkörpern ohne vorgelochtem Deckblech Fehlstellen der Klebschicht im Bereich
der Schraube zeigen, wird der Einfluss der Überlappungslänge auf die Dichtheitseigenschaften untersucht.
Die Grenzleckagerate wird dabei für den entwickelten Prüfkörper auf 1 ml/min festgelegt. Die Festlegung
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erfolgt in Zusammenarbeit mit Industriepartnern auf Basis interner Informationen zu Batteriegehäusen von
Serienfahrzeugen mit bekannter Fügenahtlänge und Grenzleckagerate.
Bild 5. Leckagerate hybrid gefügter Verbindungen ohne Vorloch und mit strukturellem Klebstoff für unterschiedliche
Überlappungslängen
In Bild 5 sind die Ergebnisse der Dichtheitsprüfungen hybrid gefügter Verbindungen ohne Vorloch mit
strukturellem Klebstoff für Überlappungslängen von 12 mm bis 20 mm dargestellt. Die Zahlen 1-10
entsprechen dabei den verschiedenen Prüfkörpern im Prüflos mit gleichen Randbedingungen. Bei der Analyse
dieser Ergebnisse fällt auf, dass bei einer Überlappungslänge von 20 mm die Leckagerate bis auf eine
Ausnahme bei nahezu 0 ml/min liegt. Dabei sind ebenfalls minimal negative Leckageraten erkennbar. Diese
können aufgrund von Setzprozessen in der Vorrichtung, Schwingung des Prüflings und insbesondere durch
minimalen Wärmeeinflüsse entstehen. Der entsprechende Druckanstieg wird durch den
Differenzdruckaufnehmer (Aufllösung 0,01 Pa) dabei erfasst und ausgewertet. Bei einem Prüfkörper ist ein
Grobleck aufgetreten. Grobleck bedeutet dabei, dass der aufgebrachte Überdruck bereits in der
Stabilisationsphase des Messablaufs auf 0 mbar sinkt. Mittels Lecksuchspray kann das Grobleck im
Eckbereich lokalisiert werden, so dass das Aufbiegen des Deckbleches vermutlich zu einer Fehlstelle in der
Klebschicht geführt hat. Da dies versuchsübergreifend lediglich einmal aufgetreten ist, kann von einem
Ausreißer ausgegangen werden.
Eine Reduzierung der Überlappungslänge auf 16 mm führt zu keiner Erhöhung der Leckageraten. Auch hier
sind die Werte sehr nah an 0 ml/min. Lediglich ein Prüfkörper weist eine Leckagerate von 0,5 ml/min auf. Dies
liegt deutlich unter der festgelegten Grenze.
Bei 12 mm Überlappungslänge ist die Wahrscheinlichkeit, dass Leckagen detektiert werden, größer. Auffällig
ist hierbei die Verlagerung der Leckage vom Eckbereich hin zur Schraube. Da es versuchsübergreifend nur
stichpunktartig zu Leckagen kommt, kann die Verlagerung der Leckagestelle nicht statistisch abgesichert
nachgewiesen werden. Wie die Schliffbilder vermuten lassen, führen die Defekte in der Klebschicht, die durch
die Spaltbildung zwischen den Fügepartnern entstehen, zu Leckagen. Zu beachten ist allerdings, dass auch
hier Prüfkörper gefertigt werden konnten, die eine Leckagerate von nahezu 0 ml/min aufweisen.
Die Fehlstellen der Klebschicht werden von der Spaltbildung, die durch den mechanischen Fügeprozess
entsteht, hervorgerufen. Eine Variation des mechanischen Fügeelementes sowie der Werkstoffkombination
kann hier zu einer Verkleinerung es Spaltes führen. Ziel muss es dabei sein die Materialanhäufung zwischen
den Fügeteilen zu minimieren. Ein weiterer Optimierungsansatz ist ebenfalls die Verwendung struktureller
Klebstoffe mit unterschiedlicher Viskosität um den Einfluss des Fließverhaltens auf die auftretenden
Fehlstellen in der Klebschicht zu minimieren. Wichtig ist bei der Klebstoffauswahl vor allem das Sicherstellen
der Übertragbarkeit hoher mechanischer Lasten bei guter abdichtender Funktion. [7, 8]
Abschließend lässt sich festhalten, dass sich die Wahrscheinlichkeit einer auftretenden Leckage bei
Verringerung der Überlappungslänge tendenziell erhöht, aber auch bei dieser geringeren Überlappungslänge
Prüfkörper Leckageraten unterhalb der definierten Grenzen gefertigt werden können.
3.3 Dichtheit hybrid gefügter Verbindungen mit elastischem Klebstoff
Die Anforderungen für die Verbindung des Batteriegehäusedeckels mit dem Crashframe unterscheiden sich
deutlich von der Bodenblechverbindung. Da defekte Batteriemodule im Reparaturfall ersetzt werden müssen,
ist die Lösbarkeit und erneute Fügbarkeit ohne Zerstörung oder Deformation der Fügepartner essentiell. Das
Übertragen großer mechanische Kräfte ist hingegen nicht gefordert. Ein elastischer Klebstoff in Verbindung
mit Fließformschrauben mit vorgelochtem Deckblech erfüllt diese Anforderungen.
Hierzu werden zunächst Prüfkörper nach erfolgtem Klebstoffauftrag mit Fließformschrauben verschraubt.
Dabei wird eine Klebschichtdicke von 3 mm eingestellt. Nach erfolgter Vernetzung des Klebstoffes erfolgt die
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Dichtheitsprüfung gemäß des in Kapitel 2.2 vorgestellten Verfahrens. Anschließend werden die Schrauben
entfernt und der Klebstoff mit Hilfe einer vibrierenden Klinge durchtrennt. Anschließend erfolgt ein erneuter
Klebstoffauftrag, bevor handelsübliche metrische Schrauben in das fließformgeformte Gewinde gefügt
werden. Danach wird die Dichtheitsprüfung wiederholt.
Bild 6. Leckagerate hybrid gefügter Verbindungen mit Vorloch und mit elastischem Klebstoff vor und nach der Reparatur
Wie in Bild 6 zu sehen ist, liegen die Leckageraten bei den Prüfkörpern vor der Reparatur bei ca. 0 ml/min.
Nach der Reparatur steigt die Leckagerate geringfügig auf maximal 0,01 ml/min und liegt damit um Faktor 100
unterhalb der Grenzleckagerate. Dies ist zum einen auf die sehr homogene Klebschicht ohne Fehlstellen
zurückzuführen, die in den Schliffbildern in Bild 4 zu sehen ist. Zum anderen ist der verwendete Klebstoff
speziell zum Abdichten gegenüber etwaig eintretender Feuchtigkeit entwickelt worden. Die Übertragung
mechanischer Lasten stehen bei der Verwendung dieser Materialien nicht im Vordergrund. Des Weiteren wird
deutlich, dass auch die von der Fließlochformschraube geformten Gewinde mit einer metrischen Schraube zu
keiner Leckage führt.
Die Leckageraten von 0,01 ml/min entsprechen einer Druckveränderung von 1-2 Pa während der Messzeit.
Diese minimalen Veränderungen können aufgrund von Setzprozessen in der Vorrichtung, Schwingung des
Prüflings und insbesondere durch Wärmeeinflüsse entstehen, so dass auch negative Leckageraten sehr nah
um 0 ml/min gemessen werden können. Der entsprechende Druckanstieg wird durch den
Differenzdruckaufnehmer (Auflösung 0,01 Pa) erfasst und ausgewertet. Dieses Phänomen tritt bei sehr
dichten Prüflingen auf, die Leckageraten im Bereich der Nachweisgrenze des Messverfahrens aufweisen.
3.4 Dichtheit hybrid gefügter Verbindungen nach korrosivem Einfluss
Die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung bei unbelasteten Prüflingen weisen bis auf wenige Ausreißer
Leckageraten von nahezu 0 ml/min auf. Da Batteriegehäuse im exponierten Unterbodenbereich der
Fahrzeuge angeordnet werden, ist die Langzeitbeständigkeit der Dichtheit unbedingt sicherzustellen. Aus
diesem Grund erfolgen im nächsten Schritt Dichtheitsprüfungen nach überlagerter korrosiver und thermischer
Belastung gemäß des VDA 233-102 Tests. Dieser Test ist Standard in der Automobilindustrie und
gewährleistet eine praxisnahe Schädigung bei verzinktem Stahl und Aluminium. [9] Die Prüfung durchläuft den
in Bild 7 dargestellten Prüfzyklus sechs Mal und umfasst damit eine Prüfdauer von sechs Wochen.
Untersuchungen zum Einfluss dieses Tests auf die mechanischen Eigenschaften hybridgefügter
Verbindungen zeigen, dass das Eindringen von Feuchtigkeit in die Grenzfläche zwischen Substrat und
Klebstoff zu einem Abfall der Übertragbaren Belastung führt. [10] Inwiefern dies einen Einfluss auf die Dichtheit
des Verbundes hat, ist deshalb zu untersuchen.
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Bild 7. Korrosionswechseltest VDA 233-102 [11]
Die Dichtheitsprüfung erfolgt dabei zunächst vor der korrosiven Belastung. Anschließend werden die Proben
nach jeder Woche im Beobachtungszeitraum entnommen und erneut auf Dichtheit geprüft. Wie in Bild 8 zu
sehen, überschreitet eine Probe nach zwei Wochen korrosiver Belastung die Grenzleckagerate. Die
Leckagerate steigt mit der Anzahl der durchlaufenen Prüfzyklen weiter bis auf etwa 14 ml/min an. Die übrigen
Prüflinge weisen nach sechs durchlaufenen Prüfzyklen weiterhin eine Leckagerate von nahezu 0 ml/min auf.
Das Ergebnis dieser Untersuchung zeigt, dass weiterführende Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit der
hybridgefügten Verbunde notwendig sind, um die Dichtheit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer bewerten
zu können, da nicht alle getesteten Prüfkörper nach der vorgeschriebenen Anzahl sechs durchlaufener
Prüfzyklen Leckagen unterhalb der definierten Grenze aufweisen.
Bild 8. Dichtheitsprüfung korrosiv belasteter Prüfkörper
4 Zusammenfassung und Ausblick
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es bei optimaler Prozessausführung möglich ist, eine
anforderungsgemäße dichte Verbindung herzustellen. Da es bei Prüfkörpern ohne vorgelochtes Deckblech
aufgrund von Fehlstellen in der Klebschicht stichpunktartig zu Grobleckagen kommt, sind weiterführende
Untersuchungen zur Bewertung der auftretenden Prozessfehler notwendig. Bei vorgelochtem Deckblech
werden reproduzierbar Leckageraten, die an der Nachweisgrenze des Druckdifferenzprüfverfahrens liegen,
erzielt. Um dennoch eine Differenzierung der Prüflinge mit geringen Leckageraten durchführen zu können,
werden weitere Untersuchungen mit einem Dichtheitsprüfverfahren mit einer feineren Nachweisgrenze
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durchgeführt. Darüber hinaus ist die Langzeitbeständigkeit der Verbindungen weit zu untersuchen, um den
Einfluss hygro-thermo-mechanischer Belastungen auf die Dichtheitseigenschaften bewerten zu können.
5 Danksagung
Die dargestellten Forschungsergebnisse stammen teilweise aus dem IGF-Forschungsprojekt
20081 N „Entwicklung einer gewichtsoptimierten Batteriegehäusestruktur für Volumenfahrzeuge
(Leichtbaubatteriegehäuse)“ der Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT), das von der AiF im Rahmen
des Programms zur Förderung der industriellen Forschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie auf Beschluss des Deutschen Bundestages gefördert wurde. An dem Forschungsprojekt ist
außerdem das Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen University beteiligt.
Für die finanzielle Förderung und die organisatorische Betreuung der Forschungsvereinigung sei an dieser
Stelle gedankt. Weiterer Dank gilt den zahlreichen kooperierenden Industriepartnern für die gute
Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes.
6 Literatur
[1] https://www.plattform-zukunft-mobilitaet.de/
abgerufen am 07.10.2020
[2] https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/elektromobilitaet.html
abgerufen am 07.10.2020
[3] INFICON GmbH, WHITEPAPER: E-Mobilität: Die Bedeutung der Dichtheitsprüfung, 2018
[4] INFICON GmbH, Dichtheitsprüfung in der Automobilindustrie, Ein Leitfaden, 2016
[5] Pressure control of a leakage testing device used for traction batteries, Robert Tafner , Johannes
Schweigler, Markus Reichhartinger, Published as Short Paper at the: 11th IFAC Symposium on
Nonlinear Control Systems NOLCOS 2019, Vienna, Austria, 2019
[6] https://www.drwiesner.de/fileadmin/filestore-wiesner/doks/LeckUmr.pdf
abgerufen am 07.11.2020
[7] Leichtbau in der Fahrzeugtechnik, Horst E. Friedrich, Springer Fachmedien Wiesbaden, 2017
[8] Leitfaden für erfolgreiche Verbindungen (Teil 6), Springer Fachmedien Wiesbaden, in adhäsion
KLEBEN & DICHTEN, Ausgabe 6/2013
[9] Korrosion im Griff!, Trends und Entwicklungen in der Korrosionsprüfung, voestalpine Stahl GmbH
https://www.voestalpine.com/ultralights/Newsletter/Alle-Automotive-Notes-Beitraege/Korrosion-im-
Griff
abgerufen am 18.03.2021
[10] Influence of test parameters in an automotive cyclic test on the corrosion and mechanical performance
of joined materials, N. LeBozec, D. Thierry, published in Materials and Corrosion 2015, 66, No. 10
[11] VDA 233-102 Zyklische Korrosionsprüfung von Werkstoffen und Bauteilen im Automobilbau,
VERBAND DER AUTOMIBILINDUSTRIE E. V., Juni 2013
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Schnellausgehärtete, außentemperaturunabhängige Klebungen von
Gewindestangen im konstruktiven Holzbau
Nils Ratsch, Prof. Dr.-Ing. S. Böhm, Institut für Trennende und Fügende Fertigungsverfahren, Universität
Kassel
In diesem Beitrag werden Untersuchungen zur Bewertung der Schnellhärtbarkeit von 2K Epoxidharzen und
2K Polyurethanen im Holzbau vorgestellt. Dabei wird in erster Linie der Einfluss von künstlich generierten
baustellentypischen Fehlern untersucht. Im weiteren Verlauf werden die Ergebnisse einer Sonderform der
induktiven Schnellhärtung, der transienten induktiven Aushärtung, dargestellt. In den bisherigen Untersuchungen
konnte eine generelle Machbarkeit der Schnellhärtung mittels Induktion und Widerstandserwärmung im
Bereich eingeklebte Gewindestangen im Holzbau festgestellt werden. Allerdings zeigte sich auch, dass die
Schnellhärtung einen Einfluss auf die Festigkeit des Verbundes hat.
1 Einleitung / Stand der Technik
Eingeklebte Stäbe im konstruktiven Holzbau stellen ein erfolgreiches Beispiel tragender geklebter Verbindungen
dar. Sie werden seit einigen Jahrzehnten erforscht [1]. Als Stäbe kommen im Wesentlichen metallische
Stäbe zum Einsatz, entweder in Form von Gewindestangen [2] oder Bewehrungsstäben [3], seltener faserverstärkte
Verbundwerkstoffe, wie zum Beispiel GFK [4 bis 6] oder CFK [7, 8], als Sonderfall kann der Einsatz
von Laubholzstäben in Nadelholz betrachtet werden [9]. Neben den zuvor genannten Beispielen mit Einzelstab,
ist zur Steigerung der Tragfähigkeit der Einsatz von Stabgruppen untersucht worden [10]. Eingeklebt
werden die zuvor genannten Stabtypen in Nadelhölzern (typischerweise Fichte oder Douglasie) [11]. Erst in
den letzten Jahren ist deren Einsatz mit Laubhölzern (Buche oder Eiche) [12], vereinzelt auch mit exotischen
Hölzern [13, 14], bzw. in laubholzbasierten Holzwerkstoffen (wie Buchenfurnierschichtholz) [15, 16], untersucht
worden. Gefügt werden die Stäbe und das Holz mit 2-Komponenten Epoxidharzen oder Polyurethanklebstoffen
[12, 17 bis 19], weil diese unter herkömmlichen Temperaturen (18-23 °C), wenngleich auch relativ
langsam (bis hin zu 10 Tagen), aushärten.
Um strukturelle 1-Komponenten Klebstoffe auszuhärten, bedarf es üblicherweise einer externen Zufuhr von
Wärme, wozu Untersuchungen bis dato nur im kleinen Maßstab veröffentlicht wurden [20, 21]. Im Fokus der
Forschung von eingeklebten Stäben steht vor allem die Frage des Zusammenhangs zwischen geometrischen
Parametern des Anschlusses (insbesondere Einbindetiefe und Stabdurchmesser), der Klebstofffuge und der
Festigkeit des Holzes [22]. Neben rein empirischen Ansätzen, wie sie zum Teil schon in Normen beschrieben
sind [23], bestehen Ansätze im Bereich der Bruchmechanik [24, 25], bzw. auf Grundlage von probabilistischen
Methoden [26]. Neben mechanischen Belastungen (Zugbelastung des Stabes), aber auch von Biegemomente
[27, 28], wurde in den letzten Jahren der Einfluss von medialen Belastungen, insbesondere der Temperatur
[29 bis 31] und der Einfluss von Imperfektionen und Fehlstellen [34] auf die Tragfähigkeit eingeklebter Stäbe
untersucht [35, 36].
(a)
Bild 1. Anwendungsbeispiele eingeklebter Gewindestangen (a) Brücke bei Sneek (Niederlande) (Quelle: Fa. Schaffitzel); (b)
Parasol in Sevilla (Spanien) (Quelle: Fa. Grossmann)
Die Aushärtung von Klebstoffen kann durch eine Reihe von Methoden beschleunigt werden, darunter UV-
Strahlung [32, 33], Gamma- und Elektronenstrahlbehandlung [37] sowie Mikrowellenstrahlung [38]. Die am
weitesten verbreitete Methode bleibt jedoch die Erhöhung der Temperatur. Die Temperaturerhöhung wirkt sich
direkt auf die Härtungskinetik aus, und ihre Wirkung wird am häufigsten mit dem Arrhenius-Gesetz beschrieben
[39]; Praktiker wenden oft die Faustregel an, dass eine Temperaturerhöhung um 10 °C die Reaktionszeit
(b)
DVS 369 15