Relaxationsverhalten härtender Klebstoffe und Auswirkungen auf den Eigenspannungszustand

Abstract

Die Aushärtung reaktiver Klebstoffe geht mit Reaktionsschrumpf und Steifigkeitsaufbau einher, welche in geklebten Verbindungen zu inneren Spannungen im Endzustand führen. Diese Eigenspannungen können die Festigkeit verringern und zu Bauteilschäden oder –ausfällen im Betrieb führen. Die negativen Effekte der Klebstoffaushärtung haben sich in einer Vielzahl an Anwendungen wie z.B. dem Verzug geklebter Linsen oder Schäden an Leiterplatten von polymerverkapselter Elektronik bestätigt. Um die Eigenspannungen vorhersagen und schadenvermeidende Gegenmaßnahmen treffen zu können, werden Modelle eingesetzt. Als Eingangsdaten für die meisten aktuell veröffentlichten Modelle dienen mechanische Materialkennwerte (Elastizitätsmodul, Bruchdehnung und Poissonzahl) des ausgehärteten Klebstoffs. Dabei wird häufig die härtungsabhängige Entwicklung dieser Eigenschaften sowie die weiteren spannungsrelevanten Phänomene Schrumpf und Relaxationsvermögen der Klebstoffe vernachlässigt. Doch gerade diese Eigenschaften sind von besonderem Interesse, da sie den Eigenspannungsaufbau in geklebten Verbindungen maßgeblich beeinflussen. Neben fehlenden Werkzeugen zur vollumfänglichen Bestimmung dieser Eigenschaften werden Modelle benötigt, welche diese Eigenschaften in Abhängigkeit der Aushärtung einbinden. Die vorliegende Dissertation widmet sich dem Bedarf für eine ganzheitliche Eigenspannungsvorhersage aushärtender geklebter Verbindungen. Zum einen wird eine Messmethode entwickelt, welche die umfangreiche Bestimmung der für die Spannungsbildung verantwortlichen, härtungsbedingten Klebstoffcharakteristika Schrumpf, Steifigkeit und Relaxation möglich macht. Zum anderen wird ein Modell entwickelt, welches die genannten spannungsrelevanten Parameter in Abhängigkeit ihres Aushärtegrades numerisch implementiert und somit die Berechnung der Eigenspannungen ermöglicht. In vier publizierten Teilbeiträgen wurde eine neue Messmethode basierend auf dem Rotationsrheometer entwickelt, angewendet und validiert. Mit dieser Methode lassen sich die spannungsrelevanten Eigenschaften am Beispiel isotherm härtender Zweikomponenten-Klebstoffe reaktionsabhängig bestimmen. Außerdem wurden die ermittelten Materialkennwerte modelliert und in einem FE-Modell des Rotationsrheometers implementiert. Nach Parameterstudien zur Ermittlung der Einflüsse der Kennwerte und Randbedingungen des Modells auf die Spannungen wurden die experimentellen Kennwerte als Eingangsdaten zur Spannungsberechnung verwendet. Das Ergebnis dieser kumulativen Dissertation ist einerseits das entwickelte erweiterte Rotationsrheometer (ExRheo). Mit dieser Messmethode wurde ein leistungsfähiges Instrument zur vollständigen Charakterisierung der reaktionsabhängigen Eigenschaften geschaffen. Es hat sich als geeignet erwiesen, die relevanten Kennwerte vollständig und reproduzierbar zu ermitteln. Andererseits wurde auf Basis der Schrumpfmessung im Rotationsrheometer ein FE-Modell entwickelt, das alle relevanten Kennwerte mit Berücksichtigung ihres Verlaufs während der Härtung einbindet. Damit wurde eine qualitativ gut mit Experimenten übereinstimmende Vorhersage der Eigenspannungsentwicklung erreicht. Der im Rahmen der Zielerreichung der Dissertation durchlaufene Prozess von der Methodenentwicklung über die Kennwertermittlung und deren Implementierung in die FEM stellt eine sehr gute Grundlage dar, die Methodik künftig auf geklebte Verbindungen anwenden zu können.