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Sonntag, 20. Januar 2019

Verbindungstechnik

Besser kleben dank schneller Simulation

Von Georg Dlugosch | 12. Februar 2016 | Ausgabe 06

Durch hybriden Leichtbau werden Klebeverbindungen vor neue Herausforderungen gestellt. Ein Simulationsverfahren soll dazu beitragen, schnell zu einer sicheren Lösung zu kommen. Entwickelt wurde es im Rahmen des Forschungsprojektes Real4Hybrid. Die neuen Rechenmodelle basieren auf zahlreichen Laborversuchen.

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Foto: Cadfem

Digitaler Belastungstest: In der Simulation wird das adhäsive Bruchverhalten zwischen Klebschicht und Aluminium untersucht.

„Das Kleben zählt zu den Herausforderungen in der Fertigung“, berichtet Annette Merklein. Sie arbeitet im Bereich Simulation in der Vorentwicklung der Brose Gruppe, Coburg. Kleben wird im Unternehmen z. B. bei der Elektromotorenfertigung bereits eingesetzt. Es gewinnt auch bei der Entwicklung von gewichtssparenden Türsystemen in Hybridbauweise mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an Bedeutung. „Bei der Brose Leichtbautür aus CFK und Aluminium ist Kleben erste Wahl als Fügeverbindung“, erläutert Merklein, „auch wenn es durch Stanznietverbindungen zum Fixieren unterstützt werden muss.“

Herausforderungen beim Kleben

Im automobilen Leichtbau will Brose die Zukunft mitgestalten und beschäftigt sich deshalb intensiv mit Klebeprozessen. „Dabei gibt es viele Einflussgrößen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Prozessgenauigkeit“, sagt Merklein. Nur wer diese Faktoren beherrsche, könne als Zulieferer die Automobilhersteller beim Leichtbau unterstützen.

Hilfreich ist dabei die Computersimulation. Ihr Einsatz war allerdings bisher eingeschränkt, weil übliche Simulationsmodelle mit einem hohen Detaillierungsgrad eine lange Rechenzeit benötigten. Genau hier setzte die Entwicklung der Softwarelösung aus dem Projekt Real4Hybrid an. Gestützt auf Testergebnisse aus dem Labor, begann die Suche nach einer vereinfachten Vorgehensweise.

Dabei gab es auch Überraschungen: Die Versuchsergebnisse bei den Labortests zeigten z. B. eine stärkere Streuung als angenommen. Dadurch war es zwar schwieriger, ein Metamodell für die Simulation zu finden. Insgesamt bezeichnet Merklein das Ergebnis dennoch als „sehr positiv, weil die Herangehensweise an die Metamodellfindung praktikabel ist“. Sie lasse sich einfach auf andere Fügeverbindungen und Materialien übertragen.

Dank des verbesserten Simulationsverfahrens könnten Entwicklungszeit und Kosten reduziert werden. Das Ziel sei der komplette oder zumindest teilweise Verzicht auf physische Prototypen. „Dann kann die Entwicklungszeit um Wochen, wenn nicht sogar Monate verkürzt werden“, betont Merklein.

Zunächst galt es herauszufinden, was beim Kleben passiert. Denn es gibt mehrere Möglichkeiten: Die Klebefuge kann versagen, der Zusammenhalt zwischen Aluminium und Kleber kann verloren gehen oder es kann zur Delamination des CFK-Bauteils kommen.

Damit hängen die Eigenschaften solcher Hybridkonstruktionen entscheidend von den Fügestellen ab. „Die simulative Abbildung von kohlenstofffaserverstärkten Hybridstrukturen ist somit anspruchsvoller als die von reinen Blechbauteilen“, erklärt Thomas Most, der beim Softwareentwickler Dynardo in Weimar für die angewandte Forschung zuständig ist.

Weil Klebeverbindungen im Leichtbau an Bedeutung gewinnen, galt es, wichtige Parameter von CFK und Kleber zu identifizieren. Anhand einfacher Laborversuche und überschaubarer Simulationen wurde das physikalische Verhalten auf Basis der Berechnungssoftware von Ansys durch mathematische Metamodelle abgebildet. Das Softwarehaus Cadfem aus Grafing bei München hat dazu als deutscher Partner des US-Softwareanbieters Ansys eine detaillierte Simulation für Klebeverbindungen aufgebaut. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde aus der Berechnungssoftware dabei ein Modell abgeleitet, das nun für alle Lastkonstellationen zur schnellen Prüfung eingesetzt werden könne.

Berechenbarkeit wird zum wichtigen Kriterium bei Leichtbaukonstruktionen

„So können jetzt Phänomene in der Klebefuge realitätsnah untersucht werden“, betont Most. Dabei beschäftigte die Forscher weniger die physikalische Fragestellung als vielmehr die Methodik, um Parameter der Klebeschicht zu klären. Laut der Projektgruppe ist das Prinzip auch auf andere Materialien wie glasfaserverstärkte Kunststoffe übertragbar.

„Leichtbau wird oft gefordert“, sagt Christian Witzgall, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg, „aber die leichten Strukturen müssen berechenbar bleiben.“ Das war die Motivation für das Projekt. Am Ende habe man die Rechenzeit auf knapp fünf Stunden reduzieren können – also etwa halbiert.

Davon sollen auch andere Bereiche profitieren: „Nachdem Workflow und Methodik vorhanden sind, kommen weitere Optimierungen in Betracht“, berichtet Witzgall. Genutzt werden jeweils etwa 100 Kalibrierpunkte, auf die das Metamodell bei der schnellen Simulation zurückgreifen kann.

Dadurch würde die Simulation wesentlich einfacher: Sie könne nun mit geringerem Aufwand bedient werden und die Benutzerfreundlichkeit werde steigen. „Das hilft den Zulieferern“, so Witzgall. „Im optimalen Fall kann die simulative Vorhersage des Crash-Verhaltens in einer früheren Entwicklungsphase durchgeführt werden.“ Die Einflussmöglichkeiten auf die Produktentwicklung seien dadurch wesentlich größer.

„Ausgehend von den Zerreißtests wurde mit den Versuchsdaten ein allgemeingültiges Simulationsmodell erstellt und an die Versuchsdaten angepasst“, erläutert Markus Kellermeyer von Cadfem. Um die Berechnung noch schneller und intuitiver zu machen, wird nun laut Kellermeyer auch an den Einsatz auf einem Smartphone oder Tablet gedacht.