Hochfeste Blech-Blech und Blech- Kunststoff-Konstruktionen durch kombiniertes Falzen und Kleben

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1 Hochfeste Blech-Blech und Blech- Kunststoff-Konstruktionen durch kombiniertes Falzen Prof. Dr.-Ing. Manfred Rasche, Hochschule Hannover Eine Zusammenfassung der Ergebnisse von Diplom- und Projektarbeiten an der HS Hannover Drews, Heiko: Tragfähigkeitsuntersuchungen an geschlossenen Hut-Profilen Nehrhoff, Sebastian; Romund, Mathias; Stempniewicz, Tomasz; Zhou, Chen: Falzkleben Taxaris, Georgios: Tragfähigkeitsuntersuchungen an Stahl-GFK-Hybridkonstriuktionen für den Automobilbau Tarasov, Anatolij: Alterungsuntersuchungen an falzgeklebten Hutprofilen Diekamp, Max; Ghobadi, Prjman; Lambrecht, Dominik; Rieke, Thomas; Sayah, Haykel: Tragfähigkeitsuntersuchungen an Stahl.GFK-Hybridkonstruktionen für den Automobilbau Ende, Sascha: Untersuchung von Hybridprofilen für die Anwendung in der Automobilindustrie Veröffentlichungen Heiko Drews, Manfred Rasche: Durch kombiniertes Falzen zu Bauteilen mit maximaler Tragfähigkeit; Schweißen und Schneiden 55(2003)2 S Heiko Drews, Manfred Rasche: Using combined folding and bonding in order to obtain components with a maximum loadbearing capacity; Welding and Cutting 2(2003)3 S

2 Hochfeste Blech- und Blech-Kunststoff-Konstruktionen durch kombiniertes Falzen Zusammenfassung der Ergebnisse von Diplom- und Projektarbeiten an der HS Hannover Ausgangsüberlegung: geschlossene Profile haben die höchste Tragfähigkeit und Steifigkeit. In einer älteren Veröffentlichung wurde gezeigt, dass kombiniertes Kleben und Punktschweißen zu höheren Steifigkeiten und Festigkeiten führte, als ausschließliches Punktschweißen. Kombiniert gefalzte und geklebte Verbindungen sind Stand der Technik im Automobilbau bei der Fertigung von Türen und Klappen. Hier wird das Deckblech über die innere Struktur gefalzt und geklebt. Die Leistungsfähigkeit dieser Verbindungen wurde allerdings bisher noch nicht untersucht. Die großen geklebten Flächen in diesen Verbindungen lassen hohe Tragfähigkeiten erwarten.

3 Herstellen von falzgeklebten Verbindung bei PKW-Türen und Klappen

4 Probe für konventionell gefügte Konstruktionen Prüflinge, kleines Profil Probe für falzgeklebte Konstruktionen (Einige Verbindungstechniken erforderten breitere Flansche) U- Profil: Stahl Deckel: Stahl oder verschiedene faserverstärkte Kunststoffe Klebstoffe: 1- und 2-K-Karosserieklebstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften

5 Prüftechniken: 3-Punkt-Biegeversuch 3-Punkt-Biegeversuch als Schlagversuch 3-Punkt-Biegeversuch nach Alterung Torsionsversuch Stauchversuch Stauchversuch mit höherer Geschwindigkeit

6 Ergebnisse der Dreipunktbiegeversuche der Blechkonstruktionen Bei den Kautschukfalzverbindungen kam es zu Verschiebungen im Falz. Daher die geringere Tragfähigkeit. Die Festigkeit des Klebstoffes war nicht ausreichend. Epoxi-Falz = Epoxidharzklebstoff im Falz, Kautschukfalz = Kautschukklebstoff im Falz, Klebebandfalz = Doppelseitig klebendes Klebeband im Falz

7 Gewichtsbezogene Biegekräfte Zur Bewertung der unterschiedlichen Masse der Konstruktionen Verbindungsart Gewicht [g] Max. Biegekraft [kn] Gewichtsbezogene Biegekraft [N/g] Reiner Falz 950 5,35 5,63 Klebeband-Falz 960 5,80 6,04 Kautschuk-Falz 960 7,95 8,28 Epoxi-Falz ,30 10,73 Stanznieten 870 7,10 8,16 Durchsetzfügen 903 6,45 7,14 Punktschweißen 880 6,65 7,56 Lasersteppnaht 880 7,65 8,69 Lasernaht 880 8,20 9,32 Die gewichtsbezogene Tragfähigkeit der Falzklebverbindung ist 15 % höher als die lasergeschweißte Verbindung.

8 Ergebnisse der Torsionsversuche der Blechkonstruktionen

9 Maximale Stauchkräfte der Blechkonstruktionen

10 Ergebnisse der Staucharbeit der Blechkonstruktionen

11 Verformte Profile nach dem Stauchversuch

12 Vergleich Kleben Falzkleben für Stahl-GFK-Profile Dreipunktbiegeversuch Stauchversuch Torsionsversuch Falzkleben ist steifer (höherer E-Modul) Falzkleben ist höher belastbar

13 Vergleich Kleben Falzkleben für Stahl-GFK-Profile Tragfähigkeitsvergleich Kleben GfK-Deckel Falzkleben Stahldeckel Falzkleben Gewicht [g] Max. Torsionskraft [kn] 1,1 1,2 1,1 3-Punktbiegeversuch [kn] 7,1 8,1 7,5 Stauchversuch [kn] 45,3 58,2 44,5 Stauch-Arbeit [knm] ,6824 2,6570 Gewichtsbezogene Tragfähigkeit GfK-Deckel Stahldeckel Kleben Falzkleben Falzkleben Torsionsversuch [Nm/g] 0,5160 0,4744 0, Punktbiegeversuch [N/g] 10,52 9,89 7,8 Stauchversuch [N/g] 67,1 71,1 46,3

14 Tragfähigkeitssteigerung durch geklebte bzw. falzgeklebte Hybridkonstruktionen Bezogen auf die Tragfähigkeit von falzgeklebten Stahl-Stahl-Profilen kann durch geklebte bzw. falzgeklebte Hybridkonstruktionen eine höhere massenbezogene Tragfähigkeit erreicht werden.

15 und Kleben Vergleich Kleben Falzkleben für Stahl-GFK-Profile Versagensformen bei Stauchversuchen mit GFK-Deckel Der GFK-Deckel platzt ab, da er bei einer Belastung in Dickenrichtung nur eine geringe Festigkeit hat. Folge: geringe Staucharbeit Die Konstruktion faltet sich zusammen. Wegen des Falzes kann der Deckel nicht abplatzen. Folge: hohe Staucharbeit

16 Versagensformen am Deckel bei geklebten Konstruktionen Interlamellarer Bruch im GFK Haftungsversagen der Zinkschicht Die Klebschicht ist nicht der schwächste Teil der Verbindung

17 Bruchbild einer GFK-Stahl Klebverbindung (Zugscherversuch) Die Schwachstelle beim Kleben von gewebeverstärkten GFK ist die Belastung in Dickenrichtung. Ursache ist die nicht vorhandene Faserverstärkung in Dickenrichtung. Beim Zugscherversuch kommt es wegen der Normalspannung zum Bruch am Gewebe oder zum interlamellaren Bruch.

18 Prüflinge, großes Profil Eigenschaften des GFK-Deckels Biegefestigkeit ~ 350 MPa Biege E-Modul ~ MPa Zugfestigkeit ~ 240 MPa Dichte 2 g/cm³ Flächengewicht 200 g/m² Glasfaseranteil ~ 70Vol. % Matrixharz Epoxydharz Wärmeformbeständigkeit Bis 180 C Das Blechprofil ist Teil der Bodenkonstruktion eines PKW Klebstoff: handelsüblicher Karosserieklebstoff

19 Crashtest mit geklebtem Deckel Bremskraft und Bremsbeschleunigung bei einem Aufprall mit ca. 15 km/h Die unterschiedlichen Kurvenverläufe beruhen auf verschiedenen Versagensformen der Klebverbindung bzw. des Kunststoffteiles

20 Die Bremskräfte, die beim Verformen der Prüflinge entstehen, sind einander ähnlich. Die geklebten St GFK Profile sind jedoch um etwa 25 % leichter als die Stahlprofile.

21 Gewichtsbezogene maximale Bremskräfte bei Crashversuchen [Ende] Die höchsten Bremskräfte erreichen die geschraubten und falzgeklebten Profile. Die hohe Tragfähigkeit der geschraubten Konstruktion beruht u. a. auf den großen Schraubenköpfen, die verwendet wurden. Die Bremsarbeit über einen längeren Weg ist jedoch bei den falzgeklebten Proben wegen der vollflächigen Kraftübertragung der Klebverbindung deutlich höher.

22 Versagensformen beim Crash-Versuch Bruch im PA-GV

23 Versagensformen beim Crash-Versuch Laserschweißung Stahl-Stahl Falzgeklebtes GFK-Stahl-Profil Riss in der WEZ der Lasernaht Ergebnis des Crashversuchs mit 30 km/h Die Ursache für den Riss in der WEZ (Wärmeinflusszone) der Schweißnaht ist die Aufhärtung durch die schnelle Abkühlung beim Laserschweißen.

24 Einfluss wechselnder Temperaturen Wechselnde Temperaturen führen zu unterschiedlichen Längenänderungen von GFK und Stahl Wärmeausdehungskoeffizient GFK = 27 X 10-6 /K für für das hier verwendete GFK Wärmeausdehungskoeffizient Stahl = 12 X 10-6 /K Differenz = 15 X 10-6 /K Bei einer Temperaturschwankung zwischen 20 C und 120 C ergeben sich bei den Prüflingen Dehnungsunterschiede von 0,75 mm. Durch das Kleben sind Deckel und Profil fest miteinander verbunden. Sie können sich deshalb nicht unterschiedlich dehnen, sondern sie müssen sich gleich verformen. Die Folge davon sind Spannungen im Bereich der Klebschicht. Diese: - können den Prüfling verformen (Bimetalleffekt). - belasten die Klebschicht und können zum Bruch der Klebschicht oder des Kunststoffs führen. - belasten die Klebschicht und fördern dadurch die Alterung der Klebverbindung. Folglich ist der Temperatureinfluss auf die Profile zu untersuchen.

25 Versuchsaufbau zum Messen der Verformung bei Wärmeeinwirkung Laserpunkt an der Wand Das Projektionsbild zeigt, dass die Verformung nicht eindeutig in eine Richtung erfolgt.

26 Formänderung durch Temperaturanstieg (großes Profil) Das Kunststoffteil wird bei einer Erwärmung um 100 C 0,75 mm länger als das Stahlteil. Damit ergibt sich theoretisch eine Winkeländerung von etwa geklebt falzgeklebt Der Temperaturanstieg führte zu einer geringeren Verformung als theoretisch möglich. Ursache: das Widerstandsmoment des Stahlteiles ist wesentlich größer als das des GFK-Teil. Daher wird das Verformungsverhalten weitgehend von Stahl bestimmt. GFK- Teil und Klebstoff müssen sich dem anpassen. Die entstehenden Spannungen belasten jedoch die Klebfuge und das Kunststoffteil.

27 Temperaturwechseltest 45 min aufheizen auf 140 C 4 h abkühlen auf 40 C Kataplasmatest Die in wassergetränkte Baumwolllappen und Aluminiumfolie eingewickelten Profile werden einem Temperaturwechsel ausgesetzt: 30 min aufheizen auf 95 C 5 h abkühlen auf 35 C Alterungstest Werkstoffe: U-Profil: StE 340 Deckel: PA6 GF30: Rm = 100MPa Klebstoff: 1K-Epoxidharz Es ist zu beachten, dass der Kunststoff beim Kataplasmatest seine Eigenschaften beträchtlich veränderte [Tarasov] Beim Temperaturwechseltest kommt es nur zu einem geringen Festigkeitsverlust. Das Bruchverhalten ändert sich nicht. Der Kataplasmatest hingegen führt zum Klebschichtversagen.

28 Eigenschaftsänderungen des faserverstärten PA, der Zugscherfestigkeit von PAGV-St-Klebverbindungen und der Biegefestigkeit des PAGV-St- Profils im Kataplasmatest [Tarasov] Durch die Lagerung verliert das PAGV an Festigkeit. Dies vermindert die Tragfähigkeit des Profils Während eine reine Klebverbindung, (geprüft im Zugscherversuch) beim Kataplasmatest durch Korrosion völlig versagt, ist bei der falzgeklebten Verbindung noch eine brauchbare Biegefestigkeit vorhanden. Der Festigkeitsverlust war mit 36 % geringer, als der Tragfähigkeitsunterschied zwischen dem mit EP falzgeklebten Profil (10,3 kn) und dem nur gefalzten, nicht geklebten Profil (5,2 kn) in Folie 6. Dieser betrug 50 %.

29 Resümee Falzgeklebte Profile aus Blechen haben: eine hohe Festigkeit, höher als lasergeschweißte Profile. eine hohe Steifigkeit, höher als lasergeschweißte Profile. eine höhere gewichtsbezogene Festigkeit und Steifigkeit als lasergeschweißte Profile. nach dem Falzen eine derart hohe Festigkeit, dass sie transportfähig sind. eine geringere gewichtsbezogene Festigkeit und Steifigkeit als reine Klebverbindungen. bei einer Verformung eine höhere Kraftaufnahme als reine Klebverbindungen. eine bessere Alterungsbeständigkeit als reine Klebverbindungen. auch beim Versagen der Klebverbindung durch den Falz noch eine gute Tragfähigkeit der Verbindung.