PAST THE PIEZO ACTUATED SHEAR TEST. hochdynamische Kennwertermittlung für Klebstoffe

Transkript

1 THE PIEZO ACTUATED SHEAR TEST PAST hochdynamische Kennwertermittlung für Klebstoffe Dipl.-Ing. (FH) Florian Altenwegner Prof. Dr.-Ing. Karl Friedrich Reiling Laboratory Adhesives and Composites

2 INHALT EINFÜHRUNG THICK ADHEREND SHEAR TEST (TAST) FUNKTIONSWEISE EINES PIEZO AKTUATORS PIEZO ACTUATED SHEAR TEST (PAST) ERGEBNISSE ZUSAMMENFASSUNG 1

3 EINLEITUNG Bauteilversuche Gestaltung Klebefuge Optionen Numerische Methoden (e.g. FEA) Shear lag theory (Goland/Reissner) Advanced shear lag theory (Bansemir) Gemeinsamkeit Werkstoffversuche Elastizitäts- und Schubmodul 2

4 EINLEITUNG Mechanische Eigenschaften Strukturklebstoffe Zug/Druck Zugversuch nach DIN EN ISO 527 E-Modul E Zugfestigkeit σ B Belastungsgeschwindigkeit dw/dt Schub Dicke Zugscherprobe nach DIN EN Schubmodul G Schubfestigkeit τ B Belastungsgeschwindigkeit dw/dt G = E 2(1+ υ) 3

5 EINLEITUNG Hauptfaktoren σ, τ ε, γ dε/dt; dγ/dt T D Ψ Spannungen Dehnungen Dehnraten Temperatur Schädigung Feuchtigkeit Haupteinflussfaktoren auf das mechanische Verhalten von Klebstoffen Reaktionsschrumpf 4

6 EINLEITUNG Prüfgeschwindigkeit Prüfgeschwindigkeit Statischer Versuch Geregelte statische Last Dynamischer Versuch Frequenzgeregelt Quasi-statischer Versuch Dehnungs-/Gleitungsgeregelt High-Speed Versuch ungeregelt Eine unbekannte Lücke zwischen quasistatischen und High-Speed Versuchen 5

7 EINLEITUNG Prüfgeschwindigkeit shear stress [MPa] shear stress [MPa] shear strain [-] --- shear stress --- shear strain rate testing time [s] 6 shear strain rate [MPa]

8 EINLEITUNG Schub Einfach überlappte Zugscherprobe F M Fügeteil Klebstoff Primer Oxidschicht Kontamination Fügeteil F Widerspricht in dieser Form dem Momentengleichgewicht Das Moment führt zu Normalspannungen in der Klebschicht. 7

9 EINLEITUNG Schub τ τ max m = G 2 E k F l ü s F 2 d k * F E F, s F l ü G K, d k F τ max τ m G k E F l ü s F d k maximale Schubspannung mittlere Schubspannung Schubmodul Klebstoff E-Modul Fügeteil Überlappungslänge Fügeteildicke Klebschichtdicke τ max τ m * Vereinfachte Volkersen Gleichung 8

10 EINLEITUNG Einflussfaktoren Ziel Schubspannung τ (Gleitungγ) Messung von τ und γ Schubspannung τ γ = arctan u d k k u u = arctan d k F u u = arctan d F k (F) Einflussfaktoren: Messung der Schubspannung τ Messung der Relativverschiebung u Fügeteilverformungskorrektur u F (F) Messung der genauen Klebstoffdicke d k u ist die einzig direkt gemessene Größe und nur die kann geregelt werden. Aber: u γ 9

11 THICK ADHEREND SHEAR TEST Verformungsmessung Mechanische Methoden Sandner-Extensometer Althofaufnehmer 10

12 THICK ADHEREND SHEAR TEST Verformungsmessung Althofaufnehmer beinhaltet weniger Fügeteilverformung. Die gemessene Gleitung ist zu groß. Komplizierte Handhabung des Althofaufnehmers. TAST Probekörper mit drei unterschiedlichen Messpunkten: Sandner-type Althof-type Video-type 11

13 THICK ADHEREND SHEAR TEST Verformungsmessung Zwei gegenüberliegende Sandner-Extensometer einfache Handhabung hohe Auflösung messbare Horizontalverschiebung geringer Einfluss der genauen Messposition 12

14 THICK ADHEREND SHEAR TEST Fügeteilverformungskorrektur FEM Anpassung von: Klebschichtdicke d k Überlappungslänge l ü E-Modul des Fügeteils Annahme von: 0,04 Stress deformation beaviour Schubmoduls des Klebstoffs G k Querdehnzahl υ deformation [mm] 0,03 0,02 0,01 Spannungs-Verformungsverhalten Iterative Methode shear stress [MPa] 13

15 THICK ADHEREND SHEAR TEST Probekörper Kaltgezogener Stahl Gefräste Stufe A definiert die Klebschichtdicke. Gewinde M6 ISO 1 Eine automatisierte Fertigung ist möglich. 14

16 THICK ADHEREND SHEAR TEST Probekörper Vermessen der Probekörper Messgenauigkeit 1 µm Sequentieller Sortier-Algorithmus 1. Außenmaße des Vierkants 2. Konstante Klebschichtdicke 3. Mittigkeit der Klebschicht Mögliche Genauigkeit der Klebschicht1 µm Klebvorrichtung Je ein Prisma pro Probe Einzeln spannbar 15

17 THICK ADHEREND SHEAR TEST Regelkreis Anforderungen Regelfrequenz 1000 Hz Adaptiver Regler Echtzeit arctan-berechnung Echtzeit Polynom- Berechnung Konstante Gleitrate Ein frei programmierbarer, adaptiver Reger der Fa. IMC wurde mit dieser Regel Philosophie und einer vierfach Kaskadenregelung entwickelt und von den Autoren programmiert. 16

18 FUNKTIONSEISE EINES PIEZOS F v U + - Piezo Keramik Aufbau in Lagen F Piezo als Sensor Belastung des Piezos Die Deformation führt zu einer elektrischen Spannung. v Piezo als Aktuator Aufgeladen durch ein elektrisches Potential Die Spannung führt zu einer Ausdehnung v 17

19 PIEZO ACTUATED SHEAR TEST Prüfaufbau Prüfaufbau Zwei in Reihe geschaltete Piezos Montage in einer Standard Universalprüfmaschine Blockierkraft N Leerhub 400 µm Aktuatorspannung V Eingangsspannung 0 10 V 18

20 PIEZO ACTUATED SHEAR TEST Prüfaufbau Prüfaufbau Druckscherversuch Lasteinleitung durch Kugellagerkugeln Standard Messung mit einem Extensometer 19

21 ERGEBNISSE TAST 20

22 ERGEBNISSE quasi-statisch Klebstoff 1-K EP Ausreagiert bei 180 C Gleitrate 0,002 1/s Gleitrate bleibt konstant 21

23 ERGEBNISSE Sprungantwort Klebstoff 1-K EP Ausreagiert bei 180 C Phasenverschiebung erkennbar Max. Schubspannung bis zu 84 MPa Max. Gleitrate bis zu 300 1/s kann möglich sein. 22

24 ERGEBNISSE hohe Dehnraten Klebstoff 1-K EP Ausreagiert bei 180 C Gleitrate 0,2 1/s Gleitrate bleibt konstant Faktor 100 schneller als Standard Quasistatisch. 23

25 ERGEBNISSE Variation der Dehnraten Klebstoff 1-K EP Ausreagiert bei 180 C Sägezahnsignal Unterschiedliche Belastungsraten Gleiche Entlastungsraten dγ/dt 1 = 0,002 1/s dγ/dt 2 = 0,004 1/s dγ/dt 3 = 0,008 1/s dγ/dt 4 = 0,016 1/s dγ/dt 5 = 0,032 1/s dγ/dt 6 = 0,064 1/s dγ/dt 7 = 0,128 1/s 24

26 ERGEBNISSE DMA Klebstoff 1-K EP Ausreagiert bei 180 C DMA Messung Frequenz 1Hz 25

27 ZUSAMMENFASSUNG Die Dehnratenabhängigkeit ist ein Faktor zur Berechnung und Auslegung von Klebverbindungen. Der TAST führt mit Hilfe einer hochqualitativen Probekörperfertigung, einer Fügeteilverformungskorrektur und einer konstanten Gleitrate zu reproduzierbaren Kennwerten für quasi-statische Versuche. Der PAST ermöglicht höhere, regelbare Gleitraten. Der PAST ermöglicht den Vergleich von Dehnraten- und Frequenzabhängigkeit. The future lies in the PAST 26