Kleben und Mechanisches Fügen

Die Motivation
Ein steigendes Umweltbewusstsein in der Bevölkerung und der Industrie führen zu dem Bedürfnis des nachhaltigen Umgangs mit Ressourcen. Die Etablierung von Leichtbaustrukturen in den Bereichen Transport und Mobilität sowie bei dem Bau von Windkraftanlagen trägt im erheblichen Maße dazu bei, diesen Anforderungen gerecht zu werden. So eröffnet der Leichtbau unter anderem die Möglichkeiten über ein geringes Gewicht zu einem reduzierten Treibstoffbedarf und damit zu einem umweltgerechteren und nachhaltigen Betrieb zu gelangen oder auch den Wirkungsgrad von Windkraftanlagen zu steigern.

Zwei Ansätze bieten hierbei die Materialforschung sowie die konstruktive Gestaltung der Bauteile. So findet eine fortschreitende Substitution bisheriger Materialien durch gewichtsoptimierte Kompositmaterialien statt. Das führt dazu, dass gängige Fügeverfahren aufgrund der gegebenen Materialien häufig nicht anwendbar sind. Zudem ermöglicht die konstruktiven Optimierungen die Verwendung von sehr geringen Materialstärken. Diese Maßnahmen führen jedoch zu einer höheren Empfindlichkeit gegenüber punktueller Belastungen.
Unter Berücksichtigung dieser neuen Umgebungsbedingungen bietet sich bei der Wahl des Fügeverfahrens das Kleben als Lösung an. Hierbei ist eine weitreichende Entkopplung des Verfahrens von den zu fügenden Materialien gegeben. Zudem ist eine flächige und damit günstige Kraftübertragung zwischen den Fügeteilen über die Gestaltung der Fügestelle realisierbar.
Charakteristisch für eine geklebte Fügestelle ist die elektrische Trennung der Fügepartner. Als Folge können elektrische Ladungen, die bspw. durch statische Aufladung entstehen, nicht über die gesamte Fläche der Komponenten abgeleitet werden. In vielen Anwendungen führt dies zu der Notwendigkeit einer aufwendigen Kontaktierung der Komponenten, um bspw. einen ausreichenden Personenschutz und den Schutz elektromagnetisch empfindlicher Bauteile zu gewährleisten oder auch die Gefahr einer Zündquelle durch Funkenbildung zu minimieren.

Zudem werden Fügeverbindungen in den Bereichen Transport, Mobilität und im Betrieb von Windkraftanlagen starken dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Klebstoffe führt in diesem Fall zu einer erhöhten Lebensdauer der Konstruktionen. Neben der Verbesserung der sicherheitsrelevanten Struktureigenschaften können so sinkende Kosten im Wartungsbereich realisiert werden.

Das Forschungsvorhaben
Im Rahmen des Projekts „NanoKomp“ finden Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der Modifikation von Klebstoffen durch Nanopartikel statt. Insbesondere das Potenzial der elektrischen Leitfähigkeit in strukturellen Klebungen sowie die Optimierung der Betriebsfestigkeit geklebter Fügestellen liegen im Fokus dieser Untersuchungen.

Die Erzeugung der Eigenschaft einer elektrischen Leitfähigkeit eines Klebstoffs geschieht über das Hinzufügen von leitfähigen Partikeln, die sich durch direkten Kontakt zu Leiterbahnen zwischen den Fügepartnern ausbilden. Da der Kontakt zweier Partikel einer stochastischen Verteilung folgt, sind hohe Füllgerade notwendig, um eine elektrische Leitfähigkeit über die Fügestelle hinweg zu gewährleisten.

Durch eine optimierte Nutzung der elektrischen Leiteffekte, erzielt durch die Kombination von Material- und Prozessparametern, wird ein Erhalten der Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit angestrebt. Diesem Ansatz wird unter anderem mit der Verwendung nanoskaliger Partikel begegnet, die aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche die Wahrscheinlichkeit des Kontaktes zweier Partikel und damit zur Ausbildung von Leiterbahnen (Perkolation) bei niedrigeren Füllgraden erhöht. Weiter werden elektrische Leiteffekte zwischen den Partikeln durch die Wahl einer Partikelkombination sowie über die Modifizierung der Partikel begünstigt.
Eine Verbesserung des Verhaltens der Fügeverbindung bezogen auf das Einwirken dynamischer Belastungen wird durch energiedissipierende Effekte erzielt. Hierbei ist insbesondere die Oberflächenmodifikation der Partikel zur Anbindung an die Klebstoffmatrix zu betrachten.

Das Ziel
Durch die Einbindung von Partnern aus der Industrie ist eine Forschung nah am tatsächlichen Bedarf sichergestellt. Das Ziel der Forschungsbemühungen ist eine Funktionserweiterung von strukturellen Klebstoffen. Ein besonderer Focus wird hierbei auf das Erhalten von Festigkeitseigenschaften gelegt, die den Anforderungen struktureller Konstruktionen entsprechen. Es werden vor allem die Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit sowie ein besseres Widerstandsverhalten gegenüber dynamischen Beanspruchungen betrachtet.


Ansprechpartner: Dr. Fabian Fischer (Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Klaus Dilger)
Technische Universität Braunschweig - Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs)