Kleben
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: bonding, glueing Kategorie: 
Fertigung Level 3
Kleben ist eine Verbindungstechnik. Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Kleben.
Inhaltsverzeichnis |
Simulation
Diskretisierung
Für die Simulation von Klebeverbindungen wird im allgemeinen die Finite-Elemente-Methode verwendet.
Die Klebeschicht wird dabei meistens als schmale Materialschicht mit Elementen des gleichen Elementtyps wie die angrenzenden Bauteilbereiche diskretisiert. Die Netzteilung muss abgestimmt werden auf die Kriterien, die zur Bewertung der Klebung vorgesehen sind (z.B. Spannungsspitzen, Schälbeanspruchung, Spaltbeanspruchung).
Die Klebverbindung ist geometrisch bestimmt durch
- die Überlappungslänge,
- die Fügeteildicke,
- die Überlappungsbreite und
- die Klebschichtdicke.
Insbesondere durch die Klebschichtdicke und deren Verhältnis zur Wanddicke und den Abmessungen der verbundenen Bauteile werden immer die Kantenlängen der Elemente fragwürdig. Sehen Sie hierzu besonders das Beispiel: Klebschicht an.
Herstellung der Klebverbindung
Bei der Herstellung der Klebverbindungen ist neben dem Aushärten und der Änderung der Festigkeiten noch Reaktionsschrumpf (chemische Reaktionsschwindung) und Abkühlschrumpf (thermische Ausdehnung bzw. Schrumpfung) zu beobachten. Bei der Simulation der Herstellung der Klebverbindung wird meistens das Temperaturfeld untersucht, weil die Temperaturen einen starken Einfluss auf die Materialeigenschaften des Klebers haben. Mit Simulationen der Strukturmechanik werden die Auswirkungen der Schrumpfungen berechnet.
Analytische Berechnungsmethoden, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zugrunde legen, gehen von starren Fügeteilen aus und entsprechen damit nicht den realen Bedingungen. Im FEM-Modell dagegen ist die Annahme elastischer Fügeteile vorhanden. In der Simulation entstehen in der Klebschicht Eigenspannungsspitzen nicht am Rand, sondern leicht verschoben in der Klebschicht, da hierbei die Fügeteile am Rand durch Verformung Spannungen in der Klebschicht abbauen können. Damit liefern die FEM-Berechnungen genauere Ergebnisse.
Verhalten der fertiggestellten Klebverbindung
Bei der Simulation des Verhaltens der fertiggestellten Klebverbindung wird die Strukturmechanik betrachtet. Oft wird für den Kleber ein viskoelastisches Stoffgesetz gewählt. Dies ist eine Kombination von elastischem (reversibel) und viskosem (irreversibel) Verhalten. Bei niedrigen Temperaturen ergibt sich dadurch ein eher festkörper-artiges Verhalten, während hohe Temperaturen zu eher viskos-fluid-artigem Verhalten tendiert. Durch ein viskoelastisches Stoffgesetz wird die Material-Steifigkeit und das Verformungsverhalten abhängig von der Belastungsgeschwindigkeit (dehnratenabhängiges Materialverhalten).
Beim Materialverhalten des Klebers ist Kriechen in Betracht zu ziehen:
- Als primäres Kriechen wird am Anfang das elastische Nachverformen der Molekülstruktur bezeichnet. Dabei entstehen keine plastischen Deformationen.
- Sekundäres Kriechen ist das anschließende Verhalten mit vorwiegend konstanter Kriechgeschwindigkeit genannt. Trotz der Lösung von schwachen und starken Molekülverbindungen herrschen dabei innerhalb des Molekülverbands Gleichgewichtszustände, die durch Neubindungen von Molekülverbindungen entstehen.
- Durch das tertiäre Kriechen wird der Bruch der Klebung eingeleitet, wenn die Verformungsfähigkeit der Klebschicht erschöpft ist.
Auswertung und Bewertung
Bei der Auswertung werden Spannungen und Dehnungen betrachtet. Grenzwerte des Tragvermögens der Klebschicht werden aus Versuchen (Zugversuch, Schälversuch,..) abgeleitet.
Zur Bewertung der Spannungen in der Klebverbindung kann das Stoffgesetz cohesive zone verwendet werden. Damit wird der Versagensablauf bzw. das Aufreißen einer überlasteten Klebverbindung (Delamination, Debonding) beschrieben. Charakteristische Größe ist die Trennungsarbeit, d.h. die von der Klebschicht bis zum kompletten Abreißen aufgenommene Energie – bezogen auf die zerstörte Klebefläche: Rissenergie-Freisetzungsrate (fracture energy release rate) [J/m²]. Die Materialdaten dieses Stoffgesetzes sind abhängig von der Belastungsrichtung (Versagens-Moden). Die Materialdaten können über spezifische zerstörende Versuche und FEM-Simulation des Versuchsaufbaus ermittelt werden.
Tips und Tricks
Es wird empfohlen, Geometrienichtlinearität (large Deformation) zu berücksichtigen, da auch viskoelastische Dehnungen große Werte annehmen können.
Spezifizieren Sie beim Ablauf der Lösung Zeitschritte im Rahmen der jeweiligen Relaxationszeiten, um das Abklingverhalten des jeweiligen Prony-Terms wiedergeben zu können. Orientieren Sie sich dabei an den kleinsten Relaxationszeiten. Unterteilen Sie gegebenenfalls die Zeitskala in mehrere Zeitschritte (loadsteps).
Definieren Sie einen ersten Lastschritt der Lösung mit einer Endzeit deutlich unter der kleinsten Relaxationszeit. Damit wird das Modell in den Verformungszustand der ersten spontan elastischen Reaktion versetzt (alle Kontakte haben sich gefunden und eventuelle große Verformungen - auch durch Plastifizierungen - sind ausiteriert).
Viskoelastische Dehnungen werden bei der Auswertung (im Postprocessing) als elastische Dehnungen ausgegeben (EPEL).
Prüfen Sie die Ergebnis-Zeitverläufe. Kantige Verläufe weisen auf zu große Zeitschritte hin.
Fallbeispiele
Bei den Fallbeispielen für Fertigungstechnik finden Sie weitere Anwendungsberichte.
Sonstige Begriffe
Für Schweißverbindungen werden Schweißsimulationen durchgeführt.
