Thermisch-mechanisch gekoppelte Simulation von 2K-Epoxidharzklebstoffen während der Aushärtung

Klebstoffe finden in vielen industriellen Bereichen Anwendung. Durch ihr komplexes Verhalten, insbesondere während der Aushärtung, sind sie einer analytischen Beschreibung unter thermisch-mechanischer Belastung jedoch meist nicht zugänglich. Um dennoch fundierte Prognosen zum Verhalten geklebter Strukturen geben zu können, nutzt man daher zunehmend numerische Verfahren. Dabei kommen überwiegend die Finite-Elemente-Methoden zum Einsatz. Die hierfür erforderlichen Materialkennwerte lassen sich jedoch nicht ohne Weiteres bestimmen. Zudem sind die gängigen elastischen bzw. visko-elastischen Materialmodelle nicht in der Lage, das spezielle Verhalten der Klebstoffe zu beschreiben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine Methode zur experimentellen Kennwertbestimmung und der numerischen Simulation von 2-komponentigen Epoxidharzsystemen während der Aushärtung unter variablen thermischen Randbedingungen entwickelt. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Klebstoffe, der allgemeinen Kontinuumsmechanik und der Finiten-Elemente-Methoden, folgt der experimentelle Teil der Arbeit. Darin werden neue Verfahren zur Bestimmung aller, für die spätere Simulation relevanten, chemischen, thermischen und mechanischen Materialparameter vorgestellt. Durch den Übergang des Klebstoffs von einer Flüssigkeit in einen Festkörper ergeben sich gewisse Einschränkungen bei den Messungen, welche in systematischen Messfehlern resultieren. Diese Messfehler werden im Zuge der Versuchsauswertung aufgedeckt und durch geeignete Kompensationsalgorithmen eliminiert. Dadurch wird die Kennwertbestimmung während der gesamten Vernetzungsreaktion ermöglicht. Die ausgesprochen hohe Güte der durchgeführten Messungen ermöglicht es sogar, aus den ermittelten Zug- und Schubmodulwerten die Entwicklung der Querkontraktionszahl während der Klebstoffaushärtung abzuleiten. Nach der Bestimmung und Korrektur werden die Kennwertverläufe mathematisch beschrieben. Besonderen Stellenwert hat dabei die Beschreibung des Aushärtegrads unter Berücksichtigung des Diffusionsstopps. Das daran anschließende Kapitel befasst sich mit der Entwicklung eines Materialmodells, welches das Verhalten des Klebstoffs während der Aushärtung unter Berücksichtigung thermisch-chemischer Volumenänderungen, der exothermen Reaktionsenthalpie sowie veränderlicher visko-elastischer und thermischer Eigenschaften beschreibt. Die Implementierung der entwickelten Materialgleichungen in eine kommerzielle Finite-Elemente-Software erfolgt durch Programmierung eines monolithisch gekoppelten finiten Elements. Dabei wird das Konzept der automatischen numerischen Modellierung verfolgt, was durch den Einsatz des Softwarepakets AceGen mit der Möglichkeit der automatischen Differentiation sowie der Codeoptimierung wesentlich erleichtert wird. Abschließend werden die berechneten härtungsbedingten Bauteildeformationen und -temperaturen an zwei Geometrien mit den entsprechenden gemessenen Größen verglichen. Diese Validierung zeigt eine beachtliche Übereinstimmung zwischen Rechnung und Versuch.