Materialcharakterisierung und -modellierung zur Simulation von Klebverbindungen mit Polyurethanklebstoffen

In der Automobilindustrie hat sich die Applikation hochfester, zähmodifizierter Epoxidklebstoffe (EP) im metallischen Rohbau etabliert. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotentiale ist das Multi-Material-Design im Fokus der Karosserieentwicklung. Multi-Material-Strukturen motivieren die Entwicklung von innovativen Fügeverfahren, vor allem der fortschrittlichen Klebtechnik. Beim Fügen artfremder Werkstoffe, z. B. von Stahl und faserverstärkten Kunststoffen, bieten Polyurethanklebstoffe (PU) viele Vorteile gegenüber EPs - ein gravierender ist die größere Nachgiebigkeit beim Fügen von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Allerdings stehen derzeit noch keine Simulationsmethoden zur lokalen Abbildung des mechanischen Verhaltens dieses vergleichsweise flexiblen Klebstofftyps zur Verfügung, der ein ausgeprägt nicht-linear, elastisches Materialverhalten aufweist. Da Materialprüfungen zeigen, dass PUs charakteristische Eigenschaften von Gummi-Materialien besitzen, können sie mittels hyperelastischer Materialgesetze modelliert werden. Die Basis der hyperelastischen Materialcharakterisierung sind Versuche, die das Verhalten des Klebstoff-Bulkes beschreiben. Für die typischen Belastungen einer Klebverbindung unter Schub- und Normalbeanspruchung wird deutlich, dass es - über die für Gummi-Materialien üblichen Charakterisierungsversuche (uniaxialer Zug und hydrostatischer Druck) hinaus - notwendig ist, den hydrostatischen Zug mit zu berücksichtigen. Unter äquitriaxialer Belastung weist die Volumenänderung des Materials eine ausgeprägte Zug-/Druckasymmetrie auf, die in der Simulation abgebildet werden muss. Die entwickelte Modellierung ermöglicht die Simulation der Strukturantwort von PU-Klebverbindungen für die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung.