CMT 27/2014

Standardisierung von elastischen Aluminium-Stahl- und FVK-Stahl-Klebverbindungen für den Schiffbau (Kleben)

 

Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, Bremen
Prof. Dr. rer. nat. Bernd Mayer, Dr. Markus Brede, Dr.-Ing. Bernhard Schneider, Dr.-Ing. Oliver Klapp


Center of Maritime Technologies e.V., Hamburg
Dr.-Ing. Frank Roland, Dipl.-Inf. Karen Siering

 

Das IGF-Vorhaben 16764 N der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann bei CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Projektbegleitender Ausschuss (PA):

Abeking & Rasmussen Schiffs- und Yachtwerft AG,. Axel Hübner

Balance Technology Consulting, Markus Lehne/ Fischer

Brombach + Gess GmbH & Co. KG, Michael Gess

DNV-GL Group, Dr. Jan Weitzenböck, Jan Tellkamp/ Guido Michalek

3M Deutschland GmbH, Hr. Julius Weirauch/ A. Lopez

Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG, Thomas Wilhelm/ Florian Kemper

Henkel AG & Co.KGaA, Thilo Fertig/ Frank Lenz

Lürssen Werft GmbH & Co. KG, Sven Exner/ Dr. Bernhard Urban

Meyer Werft GmbH, Thomas Reinert/ Thomas Witolla/ Frank Boeckhoff

Sika Technology GmbH, Roland Seiffert/ Stephan Koch

Technologiekontor Bremerhaven GmbH, Murck/ Schott

ThyssenKrupp Marine Systems GmbH, Elke Kampen

 

Zusammenfassung

Im Bereich des Schiffbaus gibt es aus Gründen des Leichtbaus vielfältige Bestrebungen Decksaufbauten aus Leichtmetallen wie Aluminium oder Verbundwerkstoffen zu fertigen. Sehr häufig besteht das Problem der Anbindung an die darunter liegende Stahlstruktur. Eine gängige Vorgehensweise beruht z.B. bei Aluminium-Aufbauten auf einer schweißtechnischen Lösung unter Verwendung sprengplattierter Stahl/Aluminium-Hybridverbunde. Einsparpotenziale bezüglich der Fertigungskosten können durch klebtechnische Lösungsvarianten erzielt werden. Hier bieten sich Dickschichtklebungen mit hochelastischen flexiblen Klebstoffsystemen an. Allerdings fehlen derzeit erprobte Methoden zur Dimensionierung und Nachweisführung von entsprechenden Klebverbindungen in maritimen Anwendungen. Ebenso existiert derzeit auch noch keine ausreichende Datenbasis auf die bei solchen Aufgaben zurückgegriffen werden kann.

In diesem Forschungsvorhaben wurde eine geschlossene und methodisch weitgehend standardisierte Vorgehensweise erarbeitet, wie ausgehend von der Identifikation von Bemessungsgrößen für die Auslegung von hochelastischen Dickschichtklebungen, über die Auswahl von Standardverbindungsgeometrien und –oberflächen, der entsprechende Dimensionierungsprozess durchzuführen ist und nachfolgend eine experimentelle Überprüfung der Betriebsfestigkeit erfolgen kann. Diese Schritte werden beispielhaft an dem eingangs erwähnten Beispiel einer Dickschichtklebung zwischen einem Aluminium-Deckshaus und einem Stahldeck dargestellt. Als wesentliche Bemessungsgrößen wurden dabei die im betrieblichen Einsatz stark schwankenden Temperaturen identifiziert, die in Verbindung mit den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und lateralen Abmessungen der Fügepartner eine temperaturinduzierte Scherung der Klebschicht hervorrufen, was zu einer statischen Relaxationsbeanspruchung der Klebung führt. Weiterhin führen die periodisch wiederkehrenden Deformationen der Schiffsstruktur in Folge der Seegangbeanspruchung dazu, dass die Klebung einer zyklischen Ermüdungsbeanspruchung unterworfen ist. Unter Berücksichtigung dieser beiden und weiterer Bemessungsgrößen erfolgte die Dimensionierung der Klebfuge einer hochelastischen Dickschichtklebung zwischen einem Stahldeck und einem Aluminium-Deckshaus. Zum Nachweis der betriebsfesten Auslegung wurde eine experimentelle Überprüfung gewählt. Dies geschah auch vor dem Hintergrund, dass derzeit für die betrachtete Klebstoffklasse keine anerkannten Schadensakkumulationshypothesen für einen rechnerischen Betriebsfestigkeitsnachweis existieren. So wurde ein entsprechendes Lastkollektiv aus angenommenen Betriebsbedingungen des Schiffs abgeleitet und dieses auf bauteilähnliche Verbindungsproben angewendet. Die so geprüften Klebverbindungen bestanden die Erprobung ohne äußerliche Befunde bei kaum veränderten mechanischen Kennwerten.

Flankiert wurden diese Arbeiten durch die umfassende Ermittlung von auslegungsrelevanten Kennwerten für Klebstoffe und Klebverbindungen, die das Langzeitverhalten unter ruhender, quasistatischer und schwingender Beanspruchung bei betriebsrelevanten Temperaturen und medialen Umgebungsbedingungen beschreiben. Entsprechende Kennwerte wurden in einer Datenbank archiviert und stehen zukünftigen Anwendungen zur Verfügung. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das Ermüdungsverhalten von hochelastischen flexiblen Klebstoffen unter variablen Amplituden bis zum Totalversagen der Verbindung zufriedenstellend mit einer linearen Schadensakkumulationshypothese beschrieben werden kann.


Abstract

In order to reduce weight, developments are ongoing in the shipbuilding industry to manufacture the deck superstructure from lightweight metals such as aluminum or from composite materials. It is often, however, problematic to join these structures to the base steel structure. For aluminum, for example, welding is commonly carried out based on explosive-clad steel/aluminum hybrid joints. The production costs could potentially be reduced by using adhesives. This would involve thick film joints using highly elastic, flexible adhesive systems. There is currently, however, a lack of proven methods for the sizing and qualification of such bonded joints for maritime applications. Also, insufficient data are available relating to such joints.

Against this background, this research project developed a coherent and essentially standardized procedure whereby the relevant sizing process is undertaken based on the identification of design parameters for highly elastic thick film bonded joints and on the selection of standard joint geometries/areas. This is then followed by experimental testing of the fatigue strength under operating stress. These steps were undertaken using the example of a thick film bonded joint between an aluminum deckhouse and a steel deck. A key design parameter was identified as being the highly fluctuating temperature during operational use. Due to the differing coefficients of expansion and lateral dimensions of the substrates, this results in temperature-induced shear in the adhesive film, which in turn leads to static relaxation in the bonded joint. In addition, the periodically recurring deformation of the ship structure due to the swell of the sea means that the bonded joint is subjected to cyclic fatigue stress. These and other parameters were taken into account for sizing the highly elastic, thick film bonded joint between an aluminum deckhouse and a steel deck. An experimental fatigue test was carried out to demonstrate the effectiveness of this design. This was undertaken even though no recognized damage accumulation models for this class of bonded joint are available. A suitable load set was derived based on assumed operating conditions for the ship and this was applied to specimen joints. The tested joints passed the test without any visual change and with essentially unchanged mechanical values.

This work required the comprehensive determination of various parameters relating to adhesives and bonded joints which describe their long-term behavior under static, quasi-static, and dynamic loads under relevant operating temperatures and ambient conditions. The relevant parameters were stored in a database and are available for future applications. It was also demonstrated that the fatigue behavior of highly elastic, flexible bonded joints under variable amplitudes up to total joint failure can be adequately described by a linear damage accumulation model.

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