Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen
Prof. Dr. rer. nat. Bernd Mayer, Dr. Markus Brede, Dr.-Ing. Bernhard Schneider, Dr.-Ing. Oliver Klapp
Center of Maritime Technologies e.V., Hamburg
Dr.-Ing. Frank Roland, Dipl.-Inf. Karen Siering
Das IGF-Vorhaben 16764 N des Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.
Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org
Zusammenfassung
Im Bereich des Schiffbaus gibt es aus Gründen des Leichtbaus vielfältige Bestrebungen Decksaufbauten aus Leichtmetallen wie Aluminium oder Verbundwerkstoffen zu fertigen. Sehr häufig besteht das Problem der Anbindung an die darunter liegende Stahlstruktur. Eine gängige Vorgehensweise beruht z.B. bei Aluminium-Aufbauten auf einer schweißtechnischen Lösung unter Verwendung sprengplattierter Stahl/Aluminium-Hybridverbunde. Einsparpotenziale bezüglich der Fertigungskosten können durch klebtechnische Lösungsvarianten erzielt werden. Hier bieten sich Dickschichtklebungen mit hochelastischen flexiblen Klebstoffsystemen an. Allerdings fehlen derzeit erprobte Methoden zur Dimensionierung und Nachweisführung von entsprechenden Klebverbindungen in maritimen Anwendungen. Ebenso existiert derzeit auch noch keine ausreichende Datenbasis auf die bei solchen Aufgaben zurückgegriffen werden kann.
In diesem Forschungsvorhaben wurde eine geschlossene und methodisch weitgehend standardisierte Vorgehensweise erarbeitet, wie ausgehend von der Identifikation von Bemessungsgrößen für die Auslegung von hochelastischen Dickschichtklebungen, über die Auswahl von Standardverbindungsgeometrien und –oberflächen, der entsprechende Dimensionierungsprozess durchzuführen ist und nachfolgend eine experimentelle Überprüfung der Betriebsfestigkeit erfolgen kann. Diese Schritte werden beispielhaft an dem eingangs erwähnten Beispiel einer Dickschichtklebung zwischen einem Aluminium-Deckshaus und einem Stahldeck dargestellt. Als wesentliche Bemessungsgrößen wurden dabei die im betrieblichen Einsatz stark schwankenden Temperaturen identifiziert, die in Verbindung mit den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und lateralen Abmessungen der Fügepartner eine temperaturinduzierte Scherung der Klebschicht hervorrufen, was zu einer statischen Relaxationsbeanspruchung der Klebung führt. Weiterhin führen die periodisch wiederkehrenden Deformationen der Schiffsstruktur in Folge der Seegangbeanspruchung dazu, dass die Klebung einer zyklischen Ermüdungsbeanspruchung unterworfen ist. Unter Berücksichtigung dieser beiden und weiterer Bemessungsgrößen erfolgte die Dimensionierung der Klebfuge einer hochelastischen Dickschichtklebung zwischen einem Stahldeck und einem Aluminium-Deckshaus. Zum Nachweis der betriebsfesten Auslegung wurde eine experimentelle Überprüfung gewählt. Dies geschah auch vor dem Hintergrund, dass derzeit für die betrachtete Klebstoffklasse keine anerkannten Schadensakkumulationshypothesen für einen rechnerischen Betriebsfestigkeitsnachweis existieren. So wurde ein entsprechendes Lastkollektiv aus angenommenen Betriebsbedingungen des Schiffs abgeleitet und dieses auf bauteilähnliche Verbindungsproben angewendet. Die so geprüften Klebverbindungen bestanden die Erprobung ohne äußerliche Befunde bei kaum veränderten mechanischen Kennwerten.
Flankiert wurden diese Arbeiten durch die umfassende Ermittlung von auslegungsrelevanten Kennwerten für Klebstoffe und Klebverbindungen, die das Langzeitverhalten unter ruhender, quasi-statischer und schwingender Beanspruchung bei betriebsrelevanten Temperaturen und medialen Umgebungsbedingungen beschreiben. Entsprechende Kennwerte wurden in einer Datenbank archiviert und stehen zukünftigen Anwendungen zur Verfügung. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das Ermüdungsverhalten von hochelastischen flexiblen Klebstoffen unter variablen Amplituden bis zum Totalversagen der Verbindung zufriedenstellend mit einer linearen Schadensakkumulationshypothese beschrieben werden kann.
