Verkleben von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen Strukturlabor Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 1
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 2
1. Einführung ........................................................................................... 4 2. Klebstoffe ............................................................................................. 8 3. Einflussgrössen ................................................................................. 11 4. Versagensverhalten ........................................................................... 19 5. Qualitätskontrolle ............................................................................... 25 6. Zusammenfassung ............................................................................. 35
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 3
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 4
Verbindungstechnologien
1.
Einführung lösbare Verbindung
Schrauben
Metallinserts bei hoher Belastung erforderlich
Kraftschluss & Formschluss
bei hoch belasteten Strukturen selten aufwändig
Nieten permanente Verbindung
Inspire ICS
Standard in Luftfahrt
Schweissen
nur mit Thermoplast FVK möglich
Kleben
typisch für FVK (ausser Luftfahrt)
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 5
Verklebungen
1.
Einführung
+ gleichmässige Spannungsverteilung (über Breite) + keine zusätzlichen Bauteile oder Aufdickungen notwendig leicht & kostengünstig + kann auch abdichten und isolieren Funktionsintegration
- keine etablierten Verfahren für zerstörungsfreie Qualitätsprüfung -
Aushärteprozess (Duroplaste) oder Temperaturzyklus (Thermoplaste) notwendig Zeit
-
zuverlässige Oberflächenvorbehandlung notwendig
-
limitierte Einsatztemperatur durch Klebstoff zu berücksichtigen
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 6
Grundbegriffe
1.
Einführung wichtigste Elemente: Klebepartner: Komponenten, die Zusammengeklebt werden sollen Klebstoff: Material, das zum Verkleben verwendet wird
Klebepartner Klebstoff
Spannungen in einer Verklebung:
Zug senkrecht Inspire ICS
Schub in Ebene
Schub aus Ebene
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 7
Klebepartner
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 8
Pastenkleber & Klebefilme
2.
Klebstoffe
Pastenkleber
Klebefilme
typischerweise Duroplaste
Duroplaste & Thermoplaste möglich
Zweikomponentensysteme (typisch) und Einkomponentensysteme möglich Applikation anspruchsvoll können Klebsspalttoleranzen ausgleichen minimaler Klebspalt muss konstruktiv oder mit Additiven eingestellt werden Zusammenbau mit wenig Druck möglich
Inspire ICS
Einkomponentensysteme einfach zu applizieren erfordern genaue Klebspaltdicken minimaler Klebspalt wird üblicherweise mit einem Trägermaterial eingestellt Druck muss bei Zusammenbau und Aushärtung aufrecht gehalten werden
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 9
duroplastische Pastenkleber
2.
Klebstoffe duroplastische Pastenkleber sind typischerweise Zweikomponentenklebstoffe das Mischverhältnis (Harz & Härter) muss möglichst genau eingehalten werden die Topfzeit (pot life) ist beschränkt (abhängig vom Klebstoff): Zeit, bis der Klebstoff geliert (so hart wird, dass er nicht mehr verarbeitet werden kann) der Aushärtezyklus (Temperaturzyklus über die Zeit) muss so gewählt werden, dass: nicht zu viel Porosität entsteht in der Luftfahrt: maximal 2 % der Klebstoff vollständig aushärtet in der Luftfahrt: minimal 95 % Aushärtegrad (min. 95 % des Klebstoffs hat reagiert)
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 10
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 11
strukturelle Tragfähigkeit
3.
Einflussgrössen Gestaltung: Vermeiden von Spannungsspitzen & Abschälen passende Klebschichtdicke Klebstoff: gute mechanische Leistungsfähigkeit (Festigkeit, E-Modul & Zähigkeit) (Aushärte-)Prozess: geringe Porosität hoher Aushärtegrad Qualität der Klebepartner: oberste Harzschicht ist bei FVK oft die Schwachstelle vermeiden von Trennmittelresten aus Klebflächen Oberflächenbehandlung: Entfernung von Verunreinigungen aufrauen & aktivieren der Oberfläche
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 12
Gestaltung
3.
Einflussgrössen Beispiel: Verkleben von 2 auf Zug belasteten Bauteilen Schrägen (Ausläufe oder Stufen) helfen Steifigkeitssprünge zu vermeiden: Vermeidung von Spannungsspitzen in der Klebefläche (in Kraftrichtung) Minimierung von Spannungen senkrecht zur Klebefläche
Hart-Smith, L. J.: Analysis and Design of Advanced Composite Bonded Joints, NASA CR-2218, 1974.
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 13
Gestaltung
3.
Einflussgrössen Beispiel: Einfluss der Klebeschichtdicke bei einem strukturellen (spröden) Klebstoff (Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) und CFK Klebepartnern (Epoxy/CF-Gewebe)
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 14
Qualität der Klebepartner
3.
Einflussgrössen Beispiel: Einfluss der Herstellung der Klebepartner (Epoxy/CF-Gewebe) auf die Tragfähigkeit der Verklebung: Werkzeug mit Trennfilm oder mit Trennmittel behandelt mit oder ohne Abreissgewebe (Peel Ply)
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 15
Einflussgrössen
30 Shear stress [MPa]
Qualität der Klebepartner
3.
25 20 15 10 5 0
Release film no cleaned Inspire ICS
Release film Release agent Release agent with acetone no cleaned with acetone
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 16
Peel ply
Oberflächenbehandlung
3.
Einflussgrössen mit einer Oberflächenbehandlung können Verschmutzungen und Trennmittelreste entfernt sowie die Oberfläche aufgeraut werden
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 17
Einflussgrössen
Oberflächenbehandlung
3.
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 18
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 19
Überblick
4.
Versagensverhalten kohäsives Versagen (cohesive failure) adhäsives Versagen (adhesive failure) Versagen im Klebepartner (adherent failure) gemischtes Versagen (mixed failure)
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 20
kohäsives Versagen
4.
Versagensverhalten
kohäsives Versagen: Versagen im Klebstoff auf beiden Probehälften ist flächig Klebstoff
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 21
adhäsives Versagen
4.
Versagensverhalten
adhäsives Versagen: Versagen zwischen Klebstoff und einem Klebepartner auf einer Probehälfte ist flächig Klebstoff, auf der anderen der "saubere" Klebepartner
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 22
Versagen im Klebepartner
4.
Versagensverhalten
Versagen im Klebepartner: das Versagen läuft im Klebepartner (typischerweise unterhalb der obersten Harzschicht) auf beiden Probehälften ist Material von einem Klebepartner an der Oberfläche
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 23
gemischtes Versagen
4.
Versagensverhalten
gemischtes Versagen: Kombination aus adhäsivem und kohäsivem Versagen sowie von Versagen im Klebepartner
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 24
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 25
Überblick
5.
Qualitätskontrolle korrekte Oberflächenbehandlung der Klebepartner: kann vor dem Verkleben z.B. optisch kontrolliert werden nach dem Verkleben ist keine (zerstörungsfreie) Prüfung möglich korrektes Mischverhältnis der Komponenten: kann nachträglich nicht überprüft werden! korrektes Aushärten des Klebstoffs: für strukturelle Anwendungen muss ein genügend grosser Aushärtegrad erzielt werden (z.B. 95 % in der Luftfahrt) der Aushärtegrad kann an kleinen Proben (ca. 10 mg) mit einem DSC (Dynamic Scanning Calorimetry) gemessen werden nicht (ganz) zerstörungsfrei Porosität im Klebstoff kann mit Röntgen oder Ultraschall abgeschätzt werden
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 26
Überblick
5.
Qualitätskontrolle strukturelle Tragfähigkeit der Verklebung: es gibt keine etablierten zerstörungsfreien Prüfverfahren! verschiede mechanische Versuche sind jedoch etabliert - Schubversuche, z.B. mit Zugproben mit einer oder mehreren Überlappung(en) - Schälversuche mit verschiedenen Konfigurationen (DCB, Schälversuch, Biegeversuche) - Zugversuche (senkrecht zur Klebeschicht)
für sichere & zuverlässige strukturelle Verklebungen braucht es eine gute Prozessvorschrift und zuverlässige Mitarbeiter in der Fabrik (oder im Labor)
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 27
Qualitätskontrolle mit einem DSC (Dynamic Scanning Calorimetry) kann der Aushärtegrad von duroplastischen Klebstoffen bestimmt werden durch Vergleich der "verbleibenden" Reaktionsenthalpie mit derjenigen von frisch gemischtem Klebstoff Heat Flow Endo Up [mW]
Aushärtegrad
5.
Inspire ICS
31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20
Area = -2507.8 mJ H = -320.0 J/g Peak = 106.2 °C 0
50
100
150
200
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 28
250 Temperature [°C]
Aushärtegrad
5.
Qualitätskontrolle mit geeigneten Simulationsmodellen kann der Aushärtegrad als Funktion von Temperatur und Zeit (bei der Temperatur) abgeschätzt werden Beispiel:
mit: ΔH= 315.2 ± 17.6 J/g Ln z= 13.31 ± 3.97 1/s Ea= 57.57 ± 11.73 KJ/mol n= 2.338 ± 0.403
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 29
5.
Qualitätskontrolle
strukturelle Tragfähigkeit
Schubversuch
Schälversuch
SLS (single lap shear)
DCB (Double Cantilever Beam)
einfache Überlappung
ISO 15024
EN 2243-1
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 30
strukturelle Tragfähigkeit
5.
Qualitätskontrolle
Schälversuch
Schälversuch
EN 2243-2 oder ISO 4578
3- oder 4-Punkt Biegeversuch
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 31
Porosität im Klebstoff
5.
Qualitätskontrolle Beispiel: Einfluss der Aushärtetemperatur eines Pastenklebers (Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) auf den Porengehalt
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 32
Porosität im Klebstoff
5.
Qualitätskontrolle Beispiel: Einfluss der Aushärtetemperatur eines Pastenklebers (Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) auf den Porendurchmesser
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 33
Schubfestigkeit - SLS
5.
Qualitätskontrolle Beispiel: Einfluss der Aushärtetemperatur eines Pastenklebers (Huntsman LMB 6687-1/LME 10049-3) auf die mit einem Zugversuch (SLS - Single Lap Shear) gemessene Schubfestigkeit
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 34
1.
Einführung
2.
Klebstoffe
3.
Einflussgrössen
4.
Versagensverhalten
5.
Qualitätskontrolle
6.
Zusammenfassung
Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 35
Zusammenfassung
6.
Zusammenfassung Klebeverbindungen eignen sich gut zum strukturellen Fügen von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen: sie haben eine gleichmässige Spannungsverteilung (über Breite) benötigen keine zusätzlichen Bauteile oder Aufdickungen leicht & kostengünstig können auch abdichten und isolieren Funktionsintegration die Tragfähigkeit einer Klebeverbindung hängt von ihrer Gestaltung, dem Klebstoff, der Qualität der Klebepartner und der Oberflächenbehandlung ab
es ist nicht möglich die strukturelle Tragfähigkeit von Klebeverbindungen zerstörungsfrei zu prüfen für sichere & zuverlässige strukturelle Verklebungen braucht es eine gute Prozessvorschrift und zuverlässige Mitarbeiter in der Fabrik (oder im Labor) Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 36
Markus Zogg Inspire AG / ICS Technoparkstrasse 1 8005 Zürich Switzerland
[email protected] +41 44 632 33 79 Inspire ICS
Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 37
