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

Autor / Redakteur: Manfred Rasche / Josef-Martin Kraus

Klebverbindungen sind belastbarer als Niet- und Schraubverbindungen. Allerdings setzen Mehrkomponentenwerkstoffe der Belastbarkeit Grenzen. So versagen Kunststoffteile mit Glasfasermatten- und -gewebeverstärkung, sobald es zu einer Belastung senkrecht zur Faserrichtung kommt. Deshalb darf die Kraftübertragung bei geklebten GFK-Teilen nur in bestimmten Richtungen erfolgen.

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Die Faserverstärkung ermöglicht, die Tragfähigkeit von Kunststoffteilen beträchtlich zu steigern. Die Wirkung der Verstärkung hängt dabei von zahlreichen Faktoren ab: von der Art, Länge und Menge der Verstärkungsfasern, der Faserlage zur Belastungsrichtung, der Kunststoffmatrix, in der die Fasern eingebettet sind, sowie der Haftung zwischen Glasfasern und Matrix. Die Tragfähigkeit der Bauteile steigt mit der Menge, Zugfestigkeit und Länge der Fasern. Sie ist umso höher, je mehr Fasern in Kraftrichtung liegen.

Faserausrichtung im Bauteil ist technisch anspruchsvoll

Jedoch ist es nicht einfach, die Fasern so in ein Bauteil einzubringen, dass sie in Belastungsrichtung liegen. Faserbündel – sogenannte Rovings – lassen sich mit entsprechenden Techniken gerichtet einlegen. Diese Verarbeitung erfordert jedoch spezielle Maschinen und ist aufwändig.

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Die so hergestellten Teile sind zwar hoch belastbar, doch sehr teuer. Im Vergleich dazu ist die Herstellung von Kunststoffteilen mit Kurzglasfaserverstärkung im Spritzgießverfahren relativ einfach. Allerdings ist bei spritzgegossenen Kunststoffteilen die Wirkung der Kurzfasern gering.

Aufgrund der aufwändigen Verarbeitung von Rovings verwendet man zur Bauteilverstärkung vielfach Fasermatten oder – besser – Fasergewebe. Sie sind einfacher zu verarbeiten. Die Verstärkungswirkung ist allerdings deutlich kleiner als die der Rovings, weil weniger Fasern in Belastungsrichtung liegen. Sie ist aber immer noch deutlich höher als die einer Kurzglasfaserverstärkung.

Weil das Fasergewebe oder die Fasermatten relativ dünn sind, haben verstärkte Bauteile meistens einen mehrlagigen Aufbau. In der Regel wird mit einer Matte nicht die notwendige Dicke erreicht. Bei derartigen Teilen fehlt somit zwangsläufig eine Faserverstärkung in Dickenrichtung. Dies kann sich bei gewissen mechanischen Belastungen negativ auswirken.

Kleben statt Nieten erhöht die Belastbarkeit

Faserverstärkte Werkstoffe haben eine geringe Bruchdehnung und eine hohe Kerbempfindlichkeit. Zum Fügen dieser Werkstoffe eignet sich daher besonders gut das Kleben. Bei dieser Verbindungstechnik werden die Kräfte – im Gegensatz zum Schrauben und Nieten – nicht punktförmig, sondern flächig ins Bauteil geleitet (Bild 1). Beim Nieten leiten die Spannungsspitzen an den Lochrändern den Bruch der Verbindungen ein. Aufgrund der gleichmäßigeren Spannungsverteilung beim Kleben lassen sich somit höhere mechanische Belastungen erreichen [1].

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].

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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.

Der beschriebene Versagensmechanismus wurde nicht nur bei Zug-Scher-Proben, sondern auch bei Bauteilen festgestellt. Bei der Belastung geklebter GFK-Stahl-Verbundteile – wie in Bild 6 gezeigt – wird das deutlich. Bei dieser Probe wurde auf ein U-Stahlprofil aus dem Karosseriebau ein Deckel aus gleichem GFK wie bei den Zug-Scher-Versuchen geklebt. Die Druckbelastung des Profils in Längsrichtung führte zu einer Knickbelastung der GFK-Komponente. Dadurch entstand in der Klebfuge eine Belastung senkrecht zur Oberfläche.

Gleiche Belastungseffekte wie beim Zug-Scher-Versuch

Diese Belastung hat zu gleichen Effekten wie beim Zug-Scher-Versuch geführt: zum Versagen in Form von interlamellaren Brüchen im GFK. Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass die Belastbarkeit des geklebten GFK-Stahl-Profils höher war, als bei Profilen mit einem Deckel aus Stahlblech, der durch Punktschweißen aufgebracht wurde.

Bei Belastungen von matten- und gewebeverstärkten GFK-Bauteilen, bei denen es zu einer Belastung in Dickenrichtung kommt, wird die maximale Tragfähigkeit durch die Haftung der Matrix an den Glasfasern oder durch die Eigenfestigkeit der Matrix begrenzt. In Dickenrichtung liegt keine Glasfaserverstärkung vor. Eine höhere Tragfähigkeit lässt sich nur dadurch erreichen, dass diese Kräfte anders aufgenommen werden. So ist es möglich, durch kombiniertes Kleben und Falzen die Tragfähigkeit derartiger Konstruktionen zu erhöhen. Dies ergaben erste Versuche.

Vom 15. bis 17. September 2008 findet an der Fachhochschule Hannover das Praxisseminar Klebetechnik statt. Im Rahmen dieser Veranstaltung wird auf die in diesem Artikel behandelten Probleme eingegangen.

Literatur

  • [1] Matting, A.: Metallkleben. Berlin: Springer-Verlag 1969.
  • [2] Otto, G.: Untersuchungen der Spannungen, Verformungen und Beanspruchungsgrenzen von Kunststoffschicht und Fügeteil bei einschnittig überlappten Metallklebverbindungen. Dissertation RWTH Aachen 1978.
  • [3] Taxaris, G.: Tragfähigkeitsuntersuchungen an Stahl-GFK-Hybridstrukturen für den Automobilbau. Diplomarbeit FH-Hannover 2006

Prof. Dr.-Ing. Manfred Rasche lehrt Werkstoffkunde, Fertigungs-, Füge- und Oberflächentechnik an der Fakultät II, Abteilung Maschinenbau, der Fachhochschule Hannover, 30441 Hannover.

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