Belastbarkeit von Klebeverbindungen bei GFK-Teilen hängt von der Kraftrichtung ab

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Allerdings sollte man nicht vergessen, dass Bild 1 nur die halbe Wahrheit preisgibt. Betrachtet man die Spannungsverteilung einer Klebverbindung in Belastungsrichtung, ergibt sich ebenfalls eine inhomogene Spannungsverteilung, die sich aus Normal- und Schubspannungen zusammensetzt [2]. Als Normalspannung bezeichnet man die mechanische Beanspruchung, die senkrecht auf die Oberfläche einwirkt.

Die Schubspannung wirkt dagegen dazu waagrecht, sie liegt in der Fügeteiloberfläche. An den Überlappungsenden entstehen Spannungsspitzen, die deutlich höher als die mittlere Schubspannung sind. Das gilt besonders für die Normalspannungsspitze. Dieser hohe Normalspannungsanteil kann sich bei Klebverbindungen mit mattenverstärkten Kunststoffteilen negativ auf die Tragfähigkeit der Verbindungen auswirken.

Materialbruch im GFK verhindert Maximalbelastung

Um die Tragfähigkeit von Klebverbindungen aus verzinktem Stahl und glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) zu ermitteln, wurden an der Fachhochschule Hannover Zug-scherversuche durchgeführt. Geklebt wurde in Anlehnung an DIN EN 1465 mit einer Überlappungslänge von 12,5 mm bei 25 mm Breite der Proben. Die Stahlteile bestanden aus 1 mm dicken Blechprofilen (StE360 ZZ). Sie wurden vom Automobilhersteller Ford zur Verfügung gestellt. Beim GFK handelte es sich um ein Epoxidharz mit mehrlagiger Glasfaser-Gewebeverstärkung.

Die GFK-Teile stammten von der Firma Carbon- Composite Technologie, Waldstetten. Sie hatten eine Dicke von 2 mm. Für diese Teile wurde eine Zugfestigkeit von 340 N/mm² ermittelt. Als Klebstoff kam ein handelsübliches warmabbindendes Produkt auf Epoxidbasis von der Firma Henkel Teroson, Heidelberg, für den Karosseriebau zur Anwendung. Die Ergebnisse der Prüfungen sind in Bild 2 dargestellt [3].

Versuche belegen: Schwachstellen des Verbunds liegen in der GFK-Komponente

Offensichtlich haben Trennmittel an der GFK-Oberfläche die Klebfestigkeit der Proben reduziert. Diese Proben waren ohne GFK-Vorbehandlung geklebt worden. Man stellte Adhäsionsbrüche an der GFK-Komponente fest (Bild 3). Durch Schleifen der Oberfläche (120er Schleifpapier) ließ sich die Klebfestigkeit steigern. Mit 22 N/mm² hat man für derart feste Werkstoffe sicherlich noch nicht den Maximalwert erreicht. Jedoch war bei diesen Versuchen keine höhere Kraftübertragung möglich, weil eine Bruchflächenanalyse bei den vorbehandelten Proben Materialbrüche in der GFK-Komponente offenbarte (Bilder 4 und 5).

Die Schwachstellen des Verbunds liegen somit in der GFK-Komponente: in der Haftung zwischen Matrix und Fasern sowie in der Matrixfestigkeit. Das ist besonders gut in Bild 6 zu sehen. Bei dieser Probe sind Bestandteile des Glasfasergewebes auf dem Stahlteil haften geblieben. Der Bruch erfolgte eindeutig interlamellar im GFK. Bei der in Bild 4 gezeigten Probe sind glänzende Glasfasern zu erkennen. Die Haftung zwischen Matrix und Glasfasern hat in diesem Fall versagt. Hauptursache für diese Brüche im GFK sind die hohen Normalspannungen.

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