Spannungskonzentrationen in Faserverbundkunststoffen können zum Versagen von Bauteilen führen. Der Ansatz, diese per Zähmodifikation von Klebausläufen zu senken, wird bereits seit 30 Jahren verfolgt. Die bekanntesten Lösungen sind, entweder den Fügepartner anzuschrägen und damit einen weichen Übergang zu schaffen, oder die Klebeverbindung mit Bolzen am Rand zusammenzuhalten. Doch diese Lösungen sind teuer und aufwendig, nicht wirklich für hohe Stückzahlen anwendbar und nicht optimal für Faserverbundwerkstoffe geeignet.
Nun hat der Bereich Funktionsleichtbau des DLR eine Technik entwickelt, die Spannungskonzentrationen in Überlappungsklebungen reduziert. Diese lokale Oberflächenzähmodifikation (Local Surface Toughening) trägt dazu bei, dass Klebeverbindungen 80 Prozent mehr Last aushalten als ohne diese Modifikation.
Das Prinzip: Ein während der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs eingebetteter weicher Kunststoffstreifen nimmt bei Belastung die Spannungskonzentrationen aus der Klebschicht auf. Die Spannungen in der Klebschicht homogenisieren sich, so dass die Verbindung deutlich besser hält.
Als Material für diese Verstärkung eignet sich beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein thermoplastischer Fluorkunststoff. Ein Streifen davon kostet nur wenige Cent und verändert den Verklebungsprozess nicht.
Dieser Lösungsansatz wird derzeit in zwei Entwicklungsprojekten erprobt.
- Im EU Projekt Clean Sky 2, HLFC on HTP bzw. HLFC Win hat Surface Toughening die Steigerung der Verbindungsfestigkeit bei einer Materialhybridverklebung zwischen kohlenstofffaserverstärktem Laminat und Titan zum Ziel. Das hier entwickelte Fertigungskonzept hat anschließend der spanische Projektpartner Aernnova ebenfalls erfolgreich auf eine zwei Meter lange Flügelvorderkante übertragen.
- Im Projekt QSP-HAP sorgt Surface Toughening für eine Risikominimierung der Klebverbindung der Primärstruktur. Rundholmsegmente werden hier zu einem 27 m langen Flügel verklebt. Struktursimulationen zeigen hohe Spannungskonzentrationen in den verklebten Holmverbindungen, die das Surface Toughening auf ein sicheres Maß reduziert. Ein sicherer Betrieb ist somit über Monate für die Primärstruktur der hochfliegenden Plattform garantiert.
Quelle und weitere Infos: DLR, Electronic Library, Researchgate