KraSchwing

Der Leitgedanke dieses Projektes ist die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von CFK-Metall-Fügeverbindungen hinsichtlich quasi-statischen und schwingenden Beanspruchungen. Im Multi-Material-Design bietet sich, begründet durch das Anforderungsprofil an die Fügetechnik, oft das reine Kleben an, das demzufolge branchenübergreifend eine strategisch bedeutende Rolle einnimmt. Hinsichtlich Lösbarkeit mit Blick auf Reparaturkonzepte sind Schraubverbindungen jedoch ebenfalls unverzichtbar. Demzufolge werden Kleb- sowie Schraubkonzepte parallel betrachtet und gegenübergestellt.

Beim Kleben stellt die Fügeverbindung das Gesamtsystem aus zwei Fügepartnern aus gleichen oder verschiedenen Werkstoffen und der Klebschicht (inklusive Grenzschichten) dar. Eine spezielle Fragestellung, die in der Zusammenarbeit beleuchtet werden soll, ist der Einfluss der Einzelnachgiebigkeiten der Fügestelle auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindung unter quasi-statischer und schwingender Beanspruchung. Es stellt sich unmittelbar die Frage, wie die mechanischen Charakteristiken der Fügestelle durch die Wahl des Klebstoffsystems sowie der Fügepartner positiv beeinflusst werden können. Für Metall-Metall-Klebungen sind die Einflüsse weitestgehend bekannt, beim Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) gibt es noch Forschungsbedarf.
Eine neuartige Anpassung der Fügeteilwerkstoffe an die Fügeaufgabe kann beispielsweise durch den Einsatz nachgiebiger Lagen an der Oberfläche von FV-Strukturen erfolgen. Dies entspricht einer Gradierung der Werkstoffeigenschaften über ihren Dicken. Die Delaminationsneigung der gefügten Faserverbundstrukturen nimmt als Folge tendenziell ab, was zur Gewährleistung struktureller Integrität beiträgt. Diesen Effekt gilt es im Rahmen des Projektes experimentell zu untersuchen und zu validieren. Durch die simulative Abbildung des realen Werkstoffverhaltens wird eine numerische Optimierung der Klebverbindung ermöglicht.

Als eine innovative Schraubverbindung wird in dem Projekt zudem eine TFP-verstärkte Buchse betrachtet. TFP-Rosetten vergrößern die Angriffsfläche der Lasteinleitung. In diesem Projekt soll die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Verbindung von der Lochleibungsverstärkung ermittelt werden, insbesondere von dem Durchmesser der Rosette und der benutzten Rovingdicke. Hierbei gilt es das Fügesystem dahin gehend zu optimieren, dass die Werkstoffausnutzung in der Rosette wie im Trägermaterial ähnlich groß ist und somit der Lastübertrag von der Schraube ins Trägermaterial maximiert wird.

Voruntersuchungen am DLR zeigen Verbesserungspotenziale des Klebkonzeptes hinsichtlich der Verbindungseigenschaften auf. Unter Schwingbeanspruchung konnte bei gleicher Lastamplitude durch das Einbringen von nachgiebigen Lagen eine bis zu 5-fache Lebensdauer im einfachüberlappten Scherzug erzielt werden. Diese Ergebnisse gilt es detailliert aufzuarbeiten und zu bewerten. In ähnlicher Weise werden für die mechanischen Charakteristiken Verbesserungen durch das Einbringen von TFP-Strukturen bei Schraubverbindungen erwartet, was im Rahmen des Projektes untersucht werden soll und ebenfalls quantitativ einzuordnen ist.
Beide neuartigen Fügekonzepte verbessern die mechanischen Eigenschaften der Verbindung, indem Lasten flächiger eingeleitet bzw. übertragen werden. Die simultane Betrachtung und der Vergleich mehrerer Konzepte, sowohl experimentell als auch simulativ, generiert einen Mehrwert zur Auslegung im hybriden Leichtbau.