Inventarisiert unter; rechniscke UNIVERSITÄT DARMSTADT Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Dr.-Ing. Helmut Schürmann 64237 Darrr.stadt, Petersenstraße 30 Der Zugscherversuch zur Ermittlung von in-situ-klebstoffkennfunktionen - Grundlagen, Prüftechnik, Ergebnisse - Vom Fachbereich Maschinenbau der Universität Gesamthochschule Kassel zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Karl Friedrich Reiling aus Ersingen (Baden) Kassel, September 1998 Hauptreferent: Korreferent: Prof. Dr.-Ing. M. Schlimmer Prof. Dr.-Ing. O. Hahn Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: 14. August 1998 28. September 1998
Inhaltsverzeichnis ^NISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauwelsen Prof. Dr.-Ing. Helmut Sshürmann 1 Einleitung "4287 Darmstacit. PsisrsenstraRe 3f> 11 1.1 Anwendungen der Fügetechnik Kleben 11 1.2 Probleme 13 2 Stand der Forschung 17 2.1 Mechanik der Klebverbindung 17 2.1.1 Normalspannung-Dehnung-Verhalten 17 2.1.2 Schubspannung-Gleitung-Verhalten 19 2.1.3 Geschwindigkeitsempfindliches Klebstoffverhalten 24 2.1.4 Substanzproben oder in-situ-proben 28 2.1.5 Spannungs- und Verformungsanalyse 32 2.1.6 Klebschichtschädigung 36 2.2 Normversuche zur Kennwertermittlung 38 2.2.1 Zugversuch für metallische Werkstoffe nach DIN-EN 10002 38 2.2.2 Zugversuch für polymere Werkstoffe nach DIN-EN-ISO 527 (DIN 53457) 38 2.2.3 Zugversuch für Klebstoffe nach DIN 53288 39 2.2.4 Druckversuch für polymere Werkstoffe nach NF T 51-101 40 2.2.5 Zugscherversuch nach DIN EN 1465 (DIN 53283) 40 2.2.6 Zugscherversuch nach DIN 54451 41 2.2.7 Zugscherversuch nach ISO 11003-2 42 2.2.8 Zugscherversuch nach DIN EN 2243-6 42 2.2.9 Zugscherversuch nach ASTM D 3983-81 42 2.2.10 Scherversuch nach ASTM D 4027-81 43 2.2.11 Torsionsversuch nach ISO 11003-1 43 2.2.12Torsionsversuch nach ASTM E 229-70 44 2.2.13Torsionsschwingungsversuch nach DIN 53445 44 2.3 Bewertung des Kenntnisstands 44 3 Probekörper 49 3.1 Anforderungen an die Probengeometrie 49 3.1 Normprobekörper 52 3.1.1 Substanzprobe nach DIN-EN-ISO 527 (DIN 53455) 52 3.1.2 Zugscherprobe nach DIN EN 1465 (DIN 53283) 55 3.1.3 Zugscherprobe nach DIN 54451 / ISO 11003-2 60 3.1.4 Zugscherprobe nach DIN EN 2243-6 64 3.1.5 Zugscherprobe nach ASTM D 3983-81 65 3.1.6 Bewertung der Normprobekörper 66 3.2 Stufige Zugscherproben 68 3.2.1 Zugscherprobe P1 (modifiziert nach DIN 54451) 70 3.2.2 Zugscherprobe P2 71 3.2.3 Zugscherprobe P3 (Kleinprobe) 73 3.2.4 Zugscherprobe P4 (Mikroprobe) 74 3.2.5 Bewertung stufiger Zugscherproben 74
3.3 Fertigung stufiger Zugscherproben 75 3.3.1 Fügeteilherstellung 75 3.3.2 Vermessung der Klebschichtdicke 80 3.3.3 Reinigung und Vorbehandlung 80 3.3.4 Vorrichtungen für Einzelproben 83 3.3.5 Abstandshalter (Spacer) 84 3.3.6 Klebstoffapplikation 85 3.3.7 Härtung 87 3.3.8 Nachbearbeitung 88 3.3.9 Markieren der Meßpunkte 89 3.3.10 Fertigungsprotokoll 89 3.3.11 Vermessung der geklebten Probekörper 90 3.3.12Bewertung der Fertigungsverfahren 91 3.4 Wiederverwendung von Fügeteilen 91 3.5 Blindproben 91 Systeme zur Messung der Klebschichtverformung 93 4.1 Anforderungen 93 4.1.1 Echtzeitverhalten 93 4.1.2 Meßbereich und Auflösung 93 4.1.3 Hysterese 94 4.1.4 Mittelung 94 4.1.5 Meßpunkte 94 4.1.6 Koordinaten- und Bezugssysteme 94 4.1.7 Fügeteilverformung 95 4.1.8 Mechanische Signalübertragung 96 4.1.9 Applikation des Verformungsmeßgeräts 96 4.1.10Klimaversuche 96 4.2 Induktive Aufnehmer 97 4.2.1 Meßsystem Bauart Althof 97 4.2.2 Meßsystem Bauart Althof modifiziert 99 4.2.3 Meßsystem Zwick 1474 99 4.3 DMS-Aufnehmer 100 4.3.1 Aufnehmer DD1 (HBM) 100 4.3.2 Aufnehmer DSST-II 101 4.3.3 Schubverformungsaufnehmer (DLR / Wazau) 101 4.3.4 Setzdehnungsaufnehmer (Instron/Zwick) 101 4.3.5 Setzdehnungsaufnehmer (Sandner/Schenck) 101 4.3.6 Setzdehnungsaufnehmer (Bauart Kötting) 103 4.3.7 Direkt applizierte DMS 103 4.4 Optische Aufnehmer 103 4.5 Sonstige Meßsysteme 104 4.6 Bewertung von Meßsystemen 104 Fügeteilverformungskorrekturen 107 5.1 Anforderungen an das Korrekturverfahren 108
5.2 FE-Simulation 111 5.2.1 FE-Analyse von Blindproben 113 5.2.2 FE-Analyse geklebter Probekörper 115 5.3 Analytische Korrekturverfahren 120 5.3.1 Verfahren nach Kötting 120 5.3.2 Ansatzfreiwertverfahren nach Schlimmer 120 5.3.3 Vereinfachte Korrekturverfahren 122 5.4 Gemessene Blindprobenkorrektur 126 5.5 Bewertung der Korrekturverfahren 128 6 Versuchstechnik und Prüfeinrichtungen 131 6.1 Prüfmaschine 131 6.2 Probeneinspannungen 132 6.2.1 Anforderungen 132 6.2.2 Mechanische Spannzeuge 133 6.2.3 Hydraulische Spannzeuge 134 6.2.4 Kardanische Bolzenlagerung 134 6.2.5 Kardanische Gelenkkopflagerung 135 6.3 Meß-Steuer-Regelsystem 137 6.3.1 Schnittstellen 137 6.3.2 Kraft- und Verformungssignal 137 6.3.3 Interfaceelektronik 137 6.3.4 Sollwertvorgabe 137 6.3.5 ADDA-Wandler / DAP-Karte 138 6.3.6 Berechnete Kanäle 138 6.3.7 Meß-Steuer-Regel-PC 138 6.3.8 Programme in DASYLab 139 6.3.9 Echtzeitverhalten 139 6.3.10 Dateitransfer 139 6.3.11 Fehlerbetrachtung 140 6.4 Analoger Blindprobenrechner 140 6.5 Schallemissionsanalyse 142 6.6 Regelungsarten 143 6.6.1 Kraftgeregelte Versuche 143 6.6.2 Versuche mit konstanter Traversengeschwindigkeit 143 6.6.3 Gleitungsgeschwindigkeitsgeregelte Versuche 143 6.6.4 Energiebetrachtung 144 6.7 Versuchsdurchführung 144 6.8 Auswertung 144 6.9 Ausblick 145 7 Versuchsergebnisse 147 7.1 Klebstoffe 147 7.2 Substanzproben 147 7.2.1 EP-Klebstoff EP 1 147 7.2.2 PUR-Klebstoff PUR 1 148
6 7.3 Zugscherproben nach DIN 53283/EN 1465-148 7.4 Zugscherproben nach DIN 54451 und IS011003-2 149 7.5 Stuf ige Zugscherproben Typ P1 155 7.6 Stufige Zugscherproben Typ P2 158 7.6.1 EP-Klebstoff EP 1 158 7.6.2 EP-Klebstoff EP AG 160 7.6.3 EP-Klebstoff EP 10 161 7.7 Stufige Zugscherproben Typ P3 164 7.7.1 EP-Klebstoff EP 10 164 7.7.2 EP-Klebstoff EP 1 166 7.8 Stufige Zugscherproben Typ P4 166 7.9 Diskussion der Versuchsergebnisse 167 8 Empfehlungen für DIN 54451/ISO 11003-2 171 8.1 Probekörper 171 8.2 Verformungsmeßgerät 171 8.3 Fügeteilverformungskorrektur 171 8.4 Prüfmaschine 171 8.5 Probeneinspannung 172 8.6 Versuchsdurchführung 172 8.7 Auswertung 172 9 Zusammenfassung 173 Normen 177 Literaturverzeichnis 179