Signifikante Leichtbauvorteile in komplexen Klebestrukturen des Fahrzeugbaus

Dr. Halvar Schmidt, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Im Interview: Dr. Halvar Schmidt, Gewinner des HBM Award 2014

Im Rahmen des vierten Symposium on Structural Durability in Darmstadt' (SoSDiD) wurde Dr. Halvar Schmidt, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, für seine Dissertation 'Schwingfestigkeitsanalyse struktureller Klebverbindungen unter Belastung mit variablen Amplituden' mit dem HBM Award ausgezeichnet.

Komplexe Klebstrukturen des Fahrzeugbaus auslegen und dabei signifikante Leichtbauvorteile realisieren - das ist das Besondere des Bemessungsverfahrens, das Dr. Halvar Schmidt entwickelt hat. Welche Vorteile dieses Verfahren birgt und was dies für die Automobilentwicklung bedeutet, verrät uns Dr. Halvar Schmidt im Interview.

Ihre Dissertation zur Schwingfestigkeitsanalyse struktureller Klebverbindungen unter Belastung mit variablen Amplituden wurde im Rahmen des vierten Symposium on Structural Durability in Darmstadt (SoSDiD) mit dem HBM Award ausgezeichnet.  Sie haben ein Bemessungsverfahren entwickelt, mit dem signifikante Leichtbauvorteile in komplexen Klebestrukturen im Fahrzeugbau ausgenutzt werden können. Wo liegen die Hauptvorteile dieses Verfahrens?

Ein großer Vorteil ist sicherlich die Anwendungsorientierung, welche sowohl auf Seiten der experimentellen Kennwertermittlung als auch auf Seiten der rechnerischen Lebensdaueranalyse gewährleistet sein sollte. Dies umfasst u.a. die betrachteten Probekörper und Belastungen, Abbildung 1 und 2, als auch die Randbedingungen der rechnerischen Vorgehensweise. Rein linear-elastische Berechnungen beispielsweise führen durch kurze Rechenzeiten und gegebener Skalierbarkeit schnell zu verwertbaren Ergebnissen.

Zudem konnte experimentell aufgezeigt werden, dass auch bei Klebverbindungen Leichtbaupotenzial erschlossen werden kann, wenn reale, zufallsartig variierende Lasten Berücksichtigung finden, Abbildung 3. 

Abb. 1: Bauteilähnliche Probe (links real, rechts CAD-Modell mit Teilen der Einspannung)
Abb. 2: Verwendetes Lastkollektiv „CARLOS vertikal, modifiziert“
Abb. 3: Schwingfestigkeit einer geklebten bauteilähnlichen Probe unter Belastung mit konstanten und variablen Amplituden im Vergleich

Was bedeuten diese Forschungsergebnisse konkret für die Automobilentwickler? Wird es die Entwicklung innovativer Karosseriebauten beschleunigen?

Die abgeschlossenen Forschungsarbeiten werden zu keiner Revolution des Fahrzeugbaus führen. Allerdings steckt die Klebtechnik auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit noch in den Kinderschuhen. Daher kann durch die Ergebnisse ein Beitrag geleistet werden, Klebverbindungen im Rahmen der Auslegung gefügter Strukturen hinsichtlich ihrer Schwingfestigkeit besser zu bewerten und ihr Potenzial stärker auszuschöpfen. Somit können beispielsweise Überdimensionierungen und damit verbunden unnötiges Gewicht vermieden oder Kosten für Prototypen durch zuverlässigere rechnerische Analysen gesenkt werden.

Im Rahmen von Voruntersuchungen mit geschweißten Feinblechverbindungen wurden Versagenskriterien und Methoden zur versuchsbegleitenden Anrissdetektion identifiziert. Zur Analyse der zyklischen Steifigkeit und der Beanspruchungen wurden sowohl Dehnungsmessstreifen als auch eine thermoelastische Spannungsanalyse eingesetzt. Worin liegen die Vorteile von Dehnungsmessstreifen? Wieso haben Sie sich für Dehnungsmessstreifen von HBM entschieden?

Dehnungsmessstreifen haben allgemein den Vorteil, lokale Dehnungen in einem genau definierbaren Bereich zuverlässig und sehr sensitiv messen zu können. Im Falle der durchgeführten Anrissdetektion kann dadurch auf kleinste Änderungen (in diesem Fall der Oberflächendehnungen infolge von Spannungsumlagerungen durch Anrissbildung und Rissfortschritt) im Bereich der Fügeverbindung reagiert werden. Auf Grund guter Erfahrungen u.a. bezüglich Applikation, Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit und eines für unsere Zwecke geeigneten und umfangreichen Sortiments wurden dabei Dehnungsmessstreifen von HBM verwendet, siehe Abbildung 4.

Abb. 4: Punktgeschweißte Probe mit applizierten DMS
Dehnungsmessung an punktgeschweißter Probe
Geklebte Probe mit applizierten DMS

Die Verbesserung der rechnerischen Lebensdaueranalyse unterstützt den Leichtbau und den zunehmenden Einsatz geklebter Strukturen im Fahrzeugbau. Dabei setzen Sie unter anderem die Software nCode GlyphWorks ein. Wie beurteilen Sie die Leistungsfähigkeit dieser Softwarelösung?

Einerseits bietet die erwähnte Software eine hohe Anwenderfreundlichkeit. Dies umfasst neben der Bedienungsoberfläche auch Möglichkeiten zur weiteren Datenverarbeitung und Anpassung an den individuellen Bedarf, was insbesondere bei der (Weiter-)Entwicklung von Berechnungsmethoden relevant ist. Aber auch die bereits implementierten Konzepte bzw. Methoden sind zusammen mit nCode DesignLife umfangreich und bieten eine entsprechende Anwendbarkeit.

Abb. 5: nCode GlyphWorks von HBM
Abb. 6: nCode DesignLife von HBM

Aus Ihrer Arbeit geht hervor, dass eine differenzierte Betrachtung der Rissinitiierungs- und Rissfortschrittsphase nötig ist, um die Lebensdaueranalyse auf Basis der Bruchmechanik sinnvoll auf Bauteile anwenden zu können. Welche Bedeutung messen Sie diesbezüglich faseroptischen Sensorgittern bei?

Dies  hängt sicherlich wie so oft vom spezifischen Anwendungsfall ab. Aber prinzipiell handelt es sich um eine vielversprechende Technik, wenn ich daran denke, die Lebensdauer und insbesondere das Versagensverhalten von Komponenten oder Strukturen unter Betriebsbelastungen genauer zu betrachten. Oftmals liegen auf diesem Gebiet unzureichende Kenntnisse vor, obwohl diese beispielsweise als Grunddaten für eine rechnerische Auslegung von entscheidender Bedeutung sind. Auch eine Integrierbarkeit faseroptischer Sensorgitter in vermehrt zum Einsatz kommende faserverstärkte Kunststoffe oder die Anwendbarkeit in Hochvolt-Umgebung (z.B. im Bereich der Elektromobilität) bieten interessante Optionen.

Abb. 7: Singlemode Faser OptiMet OMF von HBM

Können Sie bereits einen Ausblick auf Ihre zukünftigen Forschungsarbeiten geben?

Auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit von Fügeverbindungen und insbesondere von Klebverbindungen ist nach wie vor noch einiges zu tun, um ein möglichst umfassendes Verständnis zu erlangen. Dies betrifft Themengebiete, auf denen bzgl. Klebverbindungen noch Wissenslücken vorliegen – beispielsweise die rechnerische Lebensdaueranalyse geklebter Strukturen unter multiaxialer Belastung – oder auch Fragestellungen, wie die Schwingfestigkeit struktureller Klebverbindungen weiter verbessert werden kann. Am Fraunhofer LBF laufen diesbezüglich z.B. Forschungsarbeiten zu gradierten Klebschichten mittels im Bereich Kunststoffe neu entwickelter Dual-Cure-Klebstoffe.

Mein persönlicher Fokus, soviel sei noch verraten, wird in Zukunft verstärkt auf dem allgemeineren Thema Betriebsfestigkeit von Gesamtfahrzeugen liegen.

Symposium on Structural Durability in Darmstadt (SoSDiD)

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Hier erfahren Sie mehr

Kontakt / Fragen? Wir freuen uns auf Ihre Anfrage.