SB_18.173NLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Nachweisführung für die
Beanspruchbarkeit von
hyperelastischen
Klebverbindungen unter
betriebsrelevanten
Bedingungen

Nachweisführung für die
Beanspruchbarkeit von
hyperelastischen
Klebverbindungen unter
betriebsrelevanten
Bedingungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.173 N
DVS-Nr.: 08.097
Fraunhofer-Gesellschaft e. V.
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialien
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.173 N / DVS-Nr.: 08.097 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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unter: http://dnb.dnb.de
© 2017 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 341
Bestell-Nr.: 170450
ISBN: 978-3-96870-340-4
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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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Nachweisführung - Normlastfälle und elastische Klebverbindungen
7
2.1 Regelwerke zur Nachweisführung . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Normlastfälle und elastische Dickschichtklebungen im Schienenfahrzeugbau
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Klebstoffauswahl, Beanspruchungsarten und Festlegung der Prüfabläufe
für Feuchte und Temperatur 23
3.1 Klebstoffauswahl und Haftungsnachweis gemäß DVS Merkblatt
1618 und DIN 6701-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Messung der Temperatur- und Feuchtebeanspruchung in einem
Wagenkasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Feuchtediffusion im Klebstoff und Festlegung der Probenkonditionierung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Beschleunigte Alterungen nach DVS Merkblatt 1618, im Klima
40 ◦ C/60% r.F. und Kombination mit mechanischer Beanspruchung 41
3.4.1 Relaxationsversuch ohne Alterung . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 Relaxationsversuch mit Alterung bei 40 ◦ C/60% r.F. . . 46
3.4.3 Relaxationsversuch mit Alterung gemäß DVS 1618 . . . 48
3.5 Feuchtebeanspruchung in einer Klebfuge . . . . . . . . . . . . . 52
4 Messungen für hyperelastische und viskoelastische Werkstoffmodelle
und für ein Bemessungskriterium 64
4.1 Versuche zur Parameterermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1.1 Versuchsaufbauten und Versuchsbedingungen . . . . . . 66
4.1.1.1 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1.1.2 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.1.3 Zugscherversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1.4 Planarzugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.1.5 T-Profilversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.2 Versuchsergebnisse bei Normklima . . . . . . . . . . . . 71
4.1.2.1 Ergebnisse aus den Zugversuchen . . . . . . . . 72
4.1.2.2 Ergebnisse aus den Druckversuchen . . . . . . 76
4.1.2.3 Ergebnisse aus den Zugscherversuchen . . . . . 77
4.1.2.4 Ergebnisse aus den Planarzugversuchen . . . . 78
Seite i

Inhaltsverzeichnis
4.1.3 Versuchsergebnisse bei 40 ◦ C/60% rel. Feuchte . . . . . . 79
4.2 Optimierung der Prüfbedingungen und der Auswertung der Messdaten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 Prüfbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 Nullpunktskorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3 Messungen zur Identifikation der Modellparameter . . . . . . . 84
4.3.1 Versuche bei Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.1.1 Zugversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.1.2 Druckversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1.3 Zugscherversuche . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1.4 Planarzugversuche . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2 Versuche bei 40 ◦ C/60% rel. Feuchte . . . . . . . . . . . 89
4.3.2.1 Zugversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2.2 Druckversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2.3 Zugscherversuche . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Relaxationsversuche zur Messung der zeitabhängigen Eigenschaften
für ein verbessertes Klebstoffmodell . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Versuche an T-Profilproben zur Ableitung eines Bemessungskriteriums
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.6 Prüfungen mit Rissfortschritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6.1 Winkelprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6.2 Planarzugprobe mit Rissfortschritt . . . . . . . . . . . . 98
5 Werkstoffmodelle und Parameterermittlung 101
5.1 Kinematik und Kinetik der Grundversuche . . . . . . . . . . . 102
5.2 Ogdenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3 Modell von Arruda und Boyce . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4 Das van der Waals Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5 Modifiziertes statisches Werkstoffmodell . . . . . . . . . . . . . 111
5.6 Anpassung der freien Parameter für die Standardmodelle . . . . 113
5.6.1 Modellparameter aus den Versuchsergebnissen bei RT und
bei 40 ◦ C/60% rel. Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.7 Parameteridentifikation für das modifizierte Klebstoffmodell . . 132
6 Bemessungskriterium für die Dimensionierung 137
6.1 pq-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.1.1 Bemessungskriterium – Ansatz 1 . . . . . . . . . . . . . 141
6.1.2 Bemessungskriterium – Ansatz 2 . . . . . . . . . . . . . 143
6.1.3 Bemessungskriterium – Ansatz 3 . . . . . . . . . . . . . 150
Seite ii

Inhaltsverzeichnis
6.1.4 Überprüfung des Sicherheitsfaktors S mit Hilfe von Streckungsund
Druckkriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.1 Bewertung mit Hilfe des p-q Kriteriums . . . . . . . . . 166
6.2.2 Bewertung mit dem kombinierten Streckungs- und Druckkriterium
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7 Konstante Last und schwingende Beanspruchung 171
7.1 Kriechversuche unter konstanter Last . . . . . . . . . . . . . . 173
7.2 Prüfungen unter schwingender Beanspruchung . . . . . . . . . 184
7.2.1 Prüfungen bei Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . 185
7.2.2 Prüfungen bei 40 ◦ C/60% rel. Feuchte . . . . . . . . . . 192
7.2.3 Einfluss der Mittellast und Lastamplitude auf die Schwingfestigkeit
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.3 Haigh-Diagramm und Haigh-Transformation . . . . . . . . . . 205
7.3.1 Auswertung auf der Basis von Zugscherversuchen und
Nominalspannungen bei RT . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.3.2 Auswertung auf der Basis von Zugscher- und Zugversuchen
mit T-Profilproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3.3 Einfluss von Temperatur und Feuchte auf die Schwingfestigkeit
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8 Zusammenfassung 219
9 Ausblick 222
10 Danksagung an den Arbeitskreis 224
11 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
erzielten Ergebnisse 225
12 Ergebnistransfer in die Wirtschaft 227
12.1 Aktualisierter Transferplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
12.2 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
13 Veröffentlichungen 230
14 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten 231
15 Angaben über gewerbliche Schutzrechte 231
Seite iii

Inhaltsverzeichnis
16 Förderhinweis 231
17 Literatur 233
Seite iv

1 Einleitung
Seit dem erstmaligen Einsatz hyperelastischer Klebstoffe für Scheibenklebungen
im Automobilbau in den 1980-iger Jahren werden diese Klebstoffe auch
für das Kleben von Sekundärstrukturen im Schienenfahrzeugbau und im Schiffbau
verwendet. Einsatzbereich ist die (z.T. modulare) Multimaterialbauweise
im Leichtbau für den gesamten Fahrzeug- und Transportmittelbau, bei der die
sog. elastischen Dickschichtklebverbindungen (unabhängig von der Branche)
neben dem Fügen unterschiedlicher Werkstoffe (Stahl, Aluminium, FVK, andere
Kunststoffe) zusätzliche Funktionen beim Ausgleich von Wärmedehnungsunterschieden
(∆α) und Toleranzen oder bei der Dichtigkeit im Hochgeschwindigkeitsbetrieb
erfüllen. Geklebt wird wärmearm auf dem Grundmaterial der
gefügten Komponenten oder auf beschichteten Oberflächen.
Der Fahrzeug und Transportmittelbau ist geprägt durch OEM 1 , die sich einem
weiten Netz von spezialisierten KMU 2 für die Zulieferung von Kleinteilen und
Bauteilen bedienen. Ohne eine sichere, trotzdem einfach gestaltete und kostengünstige
Methode zum Nachweis der Betriebssicherheit, die von den Lieferanten
der Bauteile erwartet wird, können die Klebungen nicht umgesetzt und innovative
Bauweisen nicht vermarktet werden. Mit dem Einsatz im Schienenfahrzeugund
Schiffbau ergab sich die Notwendigkeit einer in Regelwerken [1] [2] [3] [4]
[5] [6] [7] [8] [9] festgelegten Vorgehensweise bei der Nachweisführung für Klebverbindungen.
Die Regelwerke werden in Abschnitt 2 erläutert.
Essentiell für die Umsetzung einer hinreichenden Nachweisführung sind geringe
Kosten und einfache Prozesse bei trotzdem hinreichender Sicherheit. Die Methoden
müssen ohne großen Investitionsaufwand und ohne speziell ausgebildete
Experten im Unternehmen eingesetzt werden können. Aus diesem Grund hat
sich eine Vorgehensweise etabliert, bei der die Nachweisführung zweigeteilt erfolgt:
Die Haftung des Klebstoffes an den Oberflächen wird für die „relevanten“
Betriebsbedingungen durch einen Raupenschältest mit Alterung qualifiziert [1]
[10]. Damit wird (gemäß [1] und [6]) nachgewiesen, dass nur noch kohäsives
Versagen zu betrachten ist. Alle weiteren Prüfungen (Kriechen, Schwingfestigkeit
etc.) werden einmal, vom Bauteil unabhängig (beim Klebstoffhersteller)
durchgeführt.
In den vergangenen Jahren hat sich gezeigt, dass der Raupenschältest mit der
Alterungsprüfung (Cataplasma) nach [1] nicht hinreichend ist, wenn es um den
1 Original Equipment Manufacturer, Erstausrüster
2 Kleine und mittlere Unternehmen
Seite 1

1 Einleitung
Nachweis gleicher Sicherheit bei neuen Anwendungsfällen geht. Aus Mangel an
validierten Alternativen wurde die Alterung nach [1] kombiniert mit statischen
und schwingenden mechanischen Lasten. Dies führte zu überzogen scharfen
Prüfbedingungen. Hiermit ergab sich der Forschungsbedarf, das methodische
Vorgehen zum Nachweis der Betriebsfähigkeit von elastischen Klebverbindungen
zu überprüfen und die beschriebenen Probleme möglichst zu beheben oder
zumindest zu verringern.
Ziel des Projektes ist damit, eine Prüfmethode zu entwickeln und zu validieren,
in der mechanische Lasten mit sinnvollen Klimabedingungen kombiniert
werden können und diese über ein Bemessungskriterium in die Nachweisführung
einzubringen. Zu diesem Zwecke sollte untersucht werden, wie mit Unterstützung
numerischer Methoden die zu definierende Bemessungsgröße von
den Prüfungen auf das Bauteil übertragen werden kann. Anforderung an die
genutzte Software ist, dass sie am Markt verfügbar ist und von bauteilfertigenden
KMU bzw. unterbeauftragten Ingenieurbüros genutzt werden kann, und
dass die Werkstoffmodelle bereits standardmäßig implementiert sind. Die notwendigen
Werkstoffkennwerte für die Berechnung sollen mit Versuchen erhalten
werden können, die bereits jetzt bei den Klebstoffherstellern durchgeführt werden.
Der Schienenfahrzeugbau wurde zwar als Schwerpunkt des Projektes gewählt,
die entwickelten Methoden sind jedoch auch im Nutzfahrzeugbau, Schiffbau
und Automobilbau verwendbar. Die Nachweisführung im Schienenfahrzeugbau
muss nach den Regelwerken alle Lastfälle unter betriebsrelevanten Bedingungen
berücksichtigen. Es muss eine Aussage über die mechanische Beanspruchbarkeit
unter Feuchte- und Temperatureinfluss für die Betriebsdauer getroffen werden.
Die mechanischen Lasten sind statisch, dynamisch und schwingend. Die mechanischen
Lastfälle für den Schienenfahrzeugbau und die Nachweisführung sind
für metallische Werkstoffe normativ beschrieben. Für polymere Werkstoffe (und
damit für Klebverbindungen) ist nach Norm [8] zu verfahren wie folgt: „Die Abschnitte
7 (Zulässige Werkstoffspannungen) und 8 (Anforderungen an Tests zum
experimentellen Festigkeitsnachweis) sind speziell nur für solche (metallische)
Werkstoffe anwendbar. Wenn andere (nichtmetallische) Werkstoffe verwendet
werden, müssen dennoch die grundsätzlichen Prinzipien dieser Norm angewendet
werden und geeignete Daten zur Beschreibung der Werkstoffeigenschaften
müssen eingesetzt werden.“ ([8], Abschnitt 5.1). Diese Formulierung stellt die
Anwender der Klebtechnik vor die offene Frage, welche methodische Vorgehensweise
für polymere Werkstoffe und speziell für Klebverbindungen zu wählen ist,
und welche Daten für die Nachweisführung relevant sind.
Seite 2

Das existierende Konzept in der Schienenfahrzeugindustrie sieht, wie oben schon
angedeutet, folgende Arbeitsweise vor: Die Klebverbindungen werden mit entsprechender
Vorbereitung / Vorbehandlung auf metallisch blanken oder beschichteten
(grundierten, lackierten) Oberflächen ausgeführt. Nach dem Stand
der Technik wird ein Haftungsnachweis mit der Raupenschälprüfung nach verschiedenen
Auslagerungen in demineralisiertem Wasser und Cataplasma [1] [10]
geführt. Nach bestandener Prüfung wird davon ausgegangen, dass die Haftung
am Fügeteil für den Betrieb nachgewiesen ist. Als Nachweis der Alterungsbeständigkeit
wird in der Regel nach DVS 1618, Anlage 3, vorgegangen. In DIN
54457:2007-09 findet sich auf Seite 4 der allgemeine Hinweis: „. . . Die Auswahl
der Alterungsbedingungen muss sich an der Beanspruchung der späteren
Bauteilklebung orientieren. Im Anhang A wird beispielhaft ein Alterungsverfahren
beschrieben, das in der Praxis oft angewendet wird.“ Dieses Verfahren
entspricht weitgehend den Angaben in DVS 1618, Anhang 3. Der weitere Nachweis
erfolgt nach erfolgreicher Prüfung gemäß den eben zitierten Vorgaben unter
der nach bestandenem Haftungstest getroffenen Annahme, dass nur noch kohäsives
Versagen auftreten kann. Unter Berücksichtigung der Anforderungen aus
den verschiedenen Anwendungsbereichen ist der weitere Nachweis typischerweise
für einen Temperatur-/Feuchtebereich von -55 ◦ C oder -40 ◦ C bis 50 ◦ C oder
70 ◦ C mit 60 bis 85% r.F. zu führen. Die DIN 6701-3 [6] nennt in Tabelle C1
die Prüfbedingungen -35 ◦ C, +23 ◦ C/50% r.F. und +70 ◦ C/85% r.F. Diese Prüfbedingungen
wurden aus den Maximalanforderungen abgeleitet, die in Lastenheften
gestellt werden. Es wurde jedoch bisher an keiner Stelle überprüft, ob
z.B. eine Kombination von +70 ◦ C mit 85% r.F. jemals oder über welche Zeiten
der Betriebsdauer auftritt.
Die weitere Nachweisführung wird unter den gegebenen Voraussetzungen (ohne
besseres Wissen in einem pragmatischen Ansatz) aus konservativer Sicht
geführt. D.h., dass z.B. Schwingfestigkeitsprüfungen bis zu 10 7 Schwingspielen
bei +70 ◦ C/85% r.F. vorgenommen werden. Diese Prüfbedingung geht jedoch
mit Sicherheit an der realen Belastung vorbei, weil eine Klebverbindung nicht
über die gesamte Betriebsdauer diesen Bedingungen ausgesetzt ist. Experimentell
führen die Prüfbedingungen häufig zu einem Versagensverhalten, das den
Betriebserfahrungen und den Ergebnissen des Haftungsnachweises nach DVS
1618 widerspricht, d.h., dass die experimentelle Nachweisführung verbessert
werden muss.
Bei der rechnerischen Nachweisführung elastischer Dickschichtklebungen werden
aufgrund der relativ zu hochsteifen Klebstoffen vernachlässigbaren Spannungsüberhöhungen
an den Überlappungsenden häufig Nennspannungsbetrachtungen
verwendet [11] [12]. Das (postulierte) unterschiedliche Verhalten in Zug-
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