Verkleben von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen

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

Verbindungstechnologien 1. Einführung lösbare Verbindung Schrauben Kraftschluss & Formschluss Metallinserts bei hoher Belastung erforderlich bei hoch belasteten Strukturen selten permanente Verbindung Nieten Schweissen aufwändig Standard in Luftfahrt nur mit Thermoplast FVK möglich Kleben typisch für FVK (ausser Luftfahrt) Inspire ICS 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 Spannungen in einer Verklebung: Klebstoff Klebepartner Klebepartner Zug senkrecht Schub in Ebene Schub aus Ebene Inspire ICS Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 7

Pastenkleber & Klebefilme 2. Klebstoffe Pastenkleber typischerweise Duroplaste Zweikomponentensysteme (typisch) und Einkomponentensysteme möglich Applikation anspruchsvoll können Klebsspalttoleranzen ausgleichen minimaler Klebspalt muss konstruktiv oder mit Additiven eingestellt werden Zusammenbau mit wenig Druck möglich Klebefilme Duroplaste & Thermoplaste möglich Einkomponentensysteme einfach zu applizieren erfordern genaue Klebspaltdicken minimaler Klebspalt wird üblicherweise mit einem Trägermaterial eingestellt Druck muss bei Zusammenbau und Aushärtung aufrecht gehalten werden Inspire ICS 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

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

Qualität der Klebepartner Shear stress [MPa] 3. Einflussgrössen 30 25 20 15 10 5 0 Release film no cleaned Release film with acetone Release agent no cleaned Release agent with acetone Peel ply Inspire ICS Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 16

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

Oberflächenbehandlung 3. Einflussgrössen Inspire ICS Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 18

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

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

Heat Flow Endo Up [mw] Aushärtegrad 5. 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 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 50 100 150 200 250 Temperature [ C] Inspire ICS Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 28

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

strukturelle Tragfähigkeit 5. Qualitätskontrolle Schubversuch SLS (single lap shear) einfache Überlappung EN 2243-1 Schälversuch DCB (Double Cantilever Beam) ISO 15024 Inspire ICS Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 30

strukturelle Tragfähigkeit 5. Qualitätskontrolle Schälversuch EN 2243-2 oder ISO 4578 Schälversuch 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

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 zogg@inspire.ethz.ch +41 44 632 33 79 Inspire ICS Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg / 29. Oktober 2015 / 37