Das Kleben von Faserverbundkunststoffen ist eine wichtige Fügetechnologie, um leichte Flugzeugstrukturen zu realisieren. Ein geringes Gewicht spart CO2 und verringert die Betriebskosten. Leider reagieren Klebverbindungen aber auch empfindlich auf Schlag- und Schwingbelastungen. Das Versagen kann sowohl im Faserverbundteil als auch im Klebstoff oder in beiden auftreten. Wo entsteht ein Riss zuerst? Kommt es zu einem Risswachstum? Das Projekt JoinDT gibt Antworten auf diese Fragen. Mit einer verbesserten Materialmodellierung und einer intelligenten Verbindungstechnologie trägt das DLR dazu bei, das Kleben in der Luftfahrt sicherer zu machen.
Joining with predictable Damage Tolerance (JoinDT)
Die Klebtechnik ist eine Schlüsseltechnologie für die Montage von Flugzeugbauteilen. Die gleichförmige, flächige Lastübertragung macht Klebverbindungen zu einer der leichtesten Fügetechniken überhaupt. Das trägt maßgeblich dazu bei, das Leichtbaupotential von faserverstärkten Kunstoffen (FVK) vollständig zu erschließen. Das geringere Strukturgewicht hilft, Betriebskosten einzusparen und den klimaschädlichen Ausstoß von CO2 zu reduzieren. Allerdings existieren Vorbehalte gegenüber einer breiten Anwendung der Klebtechnik, vor allem für sicherheitskritische Bauteile einer Flugzeugzelle. Diese Einschätzung beruht auf dem Schädigungsverhalten von Klebverbindungen mit Fügepartnern aus Faserverbunden (z. B. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffverbunde – CFK). Dabei kann es, abhängig von der Schadensgröße und Belastung, zu einem Schadenswachstum und in der Folge zu einem kritischen Versagen kommen. Hier setzt das Verbundprojekt JoinDT an: Ziel ist es, das mechanische Verhalten von FVK-Klebverbindungen vorherzusagen, Maßnahmen zur Schadensbegrenzung zu entwickeln und eine Nachweismethode im Einklang mit bestehenden Luftfahrtvorschriften zu erarbeiten. Dies alles dient dazu, einen sicheren Betrieb geklebter Faserverbundstrukturen zu gewährleisten.
Das richtige Modell ist der Schlüssel
Moderne Klebstoffsysteme sind heutzutage Alleskönner. Hohe Festigkeiten erlauben die Übertragung großer Lasten. Hohe Dehngrenzen begrenzen die Schadensgröße nach einem Schlag. Dabei wird bisher nur ein kleiner Teil ihrer Dehnfähigkeit genutzt. Das verschenkt Potential. Da JoinDT das Verhalten nach einem Schaden betrachtet, ist es notwendig, das mechanische Verhalten bei großen Dehnungen korrekt vorherzusagen. Dazu entwickelt das DLR ein Materialmodell für Simulationen, welches das plastische, nicht-lineare Verhalten des Klebstoffs abbildet. In Kombination mit dem Schädigungsverhalten der Fügepartner ermöglicht das Modell die präzise Prognose der Restfestigkeit geklebter Verbindungen.
Risse sicher aufhalten mit Surface Toughening
Aber lässt sich das Versagen der Verbindung verhindern? Ja, das ist möglich! Das DLR entwickelt in JoinDT die sogenannte Surface Toughening Technologie. Sie kann die statische Festigkeit einer Klebverbindung nahezu verdoppeln und langsam wachsende Ermüdungsrisse sicher stoppen. Dazu ist lediglich eine lokale Modifikation der Oberfläche beider Fügepartner erforderlich. Der Fügeprozess bleibt unverändert. Das DLR untersucht die Anwendung der Technologie im Projektteam unter Industriebedingungen, um sichere und ermüdungsresistente Verklebungen zu realisieren.
Das Teilprojekt JoinDT-DESIGN des DLR erhält eine Förderung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (FKZ.: 20W1918H). Das DLR bedankt sich bei dem gesamten Projektteam.
