Klebeverbindungen berechnen: Online-Plattform hilft dabei
Eine Online-Plattform calcbond vereinfacht das Auslegen und Berechnen von Klebeverbindungen, insbesondere für lasttragende Strukturen im Leichtbau, wie Composite-Materialien. In diesem Interview erfahren Sie, wie man damit den Ingenieuralltag verbessern kann. Darüber sprechen wir mit Axel Reinsch, CEO von ar engineers GmbH.
Berechnen und Auslegen von Klebverbindungen im Leichtbau leicht gemacht – für Ingenieure.
Foto: calcbond
Was hat Sie dazu bewogen, die Plattform calcbond zu entwickeln?
Zur Entstehung der Produktidee haben mehrere Dinge beigetragen. Zum einen hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass in immer mehr Leichtbauprojekten durch den Einsatz von Composites auch der Einsatz von Klebtechnik gefragt war. Wir haben beobachtet, dass Kunden immer mehr auch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten kleben wollten und damit der Bedarf nach umfangreicher, rechnerischer Nachweisführung wuchs. Zudem zeigte uns ab 2020 die Coronakrise, dass wir mit den damals frisch entwickelten, internen Tools zur Berechnung von Klebverbindungen unser Wissen nicht beim Kunden anbringen konnten, da entsprechende Entwicklungsaufträge aus der Industrie massiv zurückgingen.
Gleichzeitig war auch schon vor der Coronakrise klar, dass der Kosten- und Zeitdruck in industriellen Leichtbauprojekten groß ist und mit jedem Jahr weiter wächst. Besonders hinsichtlich einer Auslegung und Nachweisführung von Klebverbindungen, die sehr aufwendig und dennoch nur ein kleiner Teil der übergeordneten Bauteil- oder Baugruppenentwicklung ist, sind gute und schnelle Lösungen gefragt.
Die Konstruktion von Klebverbindungen als Problemstellung, die einerseits so komplex ist und sich andererseits aus wirtschaftlicher Sicht oft keiner besonderen Beliebtheit erfreut, brauchte eine Innovative Lösung – da kam uns die Erkenntnis, dass dieser Prozess automatisiert und in Form einer übersichtlichen und einfach zu bedienenden Online-Plattform jeder Ingenieurin und jedem Ingenieur leicht zugänglich gemacht werden kann.
Lösung selbstständig und ohne großen Aufwand erzeugen
Welche Vision und Ziele verfolgen Sie?
Wir wollen unseren Kunden eine Lösung an die Hand geben, mit der sie im Bereich belasteter geklebter Verbindungen eine umfangreiche Umgebung haben, in denen sie die Lösung selbstständig und ohne großen Aufwand erzeugen können.
Welche Fachkenntnisse und Erfahrungen bringen Ihre Mitarbeiter im Bereich Klebtechnik und Ingenieurwesen mit?
Wir arbeiten seit über 13 Jahren im Bereich Struktursimulation und Automatisierung von Berechnungen für den Leichtbau. Unsere Ingenieure sind hochspezialisiert und besitzen allesamt umfangreiche Expertise in der Strukturmechanik, Anwendung von Faserverbundwerkstoffen und der numerischen Simulation. Im Bereich der Klebtechnik haben wir insbesondere auch durch Partnerschaften mit Klebstoffherstellern sowie durch diverse F&E-Projekte in Kooperation mit Forschungseinrichtungen ein hohes Niveau an Fachexpertise und einen wertvollen Erfahrungsschatz erlangt.
Spannungsverläufe in mechanisch beanspruchten Klebverbindungen berechnen und Festigkeitsprognosen erzeugen
Welche Funktionen werden von der Online-Plattform calcbond angeboten?
calcbond ermöglicht es Nutzern, strukturelle Klebungen mit minimalem Aufwand auszulegen und zu berechnen. Mittels fortschrittlicher analytischer Methoden können Spannungsverläufe in mechanisch beanspruchten Klebverbindungen berechnet und Festigkeitsprognosen erzeugt werden. Dabei werden die spezifischen Einflussfaktoren (z.B. aus den geometrischen und werkstofflichen Parametern, wie z.B. Materialsteifigkeiten oder die Überlappungslänge der Klebung, berücksichtigt. Nutzer können binnen kürzester Zeit die Einflüsse der Entwurfsparameter auf die Festigkeit der Klebung berechnen, verstehen und so wichtige Erkenntnisse zur Entscheidungsfindung gewinnen.
Darüber hinaus liefert die in calcbond enthaltene Materialdatenbank bereits jetzt umfangreiche Produktdaten und Ingenieurskennwerte für eine Reihe weit verbreiteter Konstruktionsklebstoffe von namhaften, internationalen Herstellern. Neben den grundlegenden Informationen zu Verarbeitungseigenschaften bietet die Datenbank konkrete mechanische und andere physikalische Kenngrößen wie den E-Modul oder die Zug- und Scherfestigkeit des Klebstoffs, die essentiell in der ingenieurstechnischen Bewertung von Klebstoffen sind.
Ein weiteres Modul der Plattform ermöglicht die umfangreiche 3D-Analyse von parametrisierten Standard-Klebanwendungen – wie z.B. Klebehaltern oder geklebten Fensterscheiben – mithilfe der FEM. Komplexere Klebungen, die über analytische Formeln nur unzureichend erfasst werden können, lassen sich im „AutoFEA“-Modul von calcbond binnen weniger Minuten definieren, berechnen und auswerten. Mehrachsige mechanische sowie thermische Belastungen werden in der Simulation berücksichtigt. Der automatisch generierte Ergebnisbericht im PDF-Format kann zur Dokumentation und Kooperation mit Kollegen, Kunden oder Prüfern genutzt werden und beinhaltet alle wichtigen Informationen zur Berechnung sowie dem verwendeten Klebstoff.
Nutzern, die ihr Wissen in den Grundlagen der Klebtechnik auffrischen oder erweitern wollen, wird im integrierten Wiki-Bereich eine umfangreiche Wissenssammlung rund um die Themen Klebstoffe, Klebstoffapplikation, Konstruktion & Berechnung, Design-Best-Practice, Normen & Standards geboten.
Axel Reinsch.
Foto: calcbond
Welche Herausforderungen müssen Ingenieure bei der Konstruktion und Umsetzung von Klebverbindungen bewältigen?
Man kann das hohe Potenzial von Klebverbindungen nur dann ausschöpfen, wenn man Ihre funktionsweise der Kraftübertragung verstanden hat und entsprechende konstruktive Maßnahmen korrekt plant und umsetzt. Wer nicht unkontrolliert überdimensionieren oder gar unbemerkt unterdimensionieren will, benötigt ein gutes Verständnis von der Mechanik der Klebverbindung.
Außerdem ist nicht jede Klebverbindung gleich strapazierfähig. Neben der reinen geometrischen Gestaltung der Verbindung sind insbesondere wie werkstofftechnischen Aspekte zu beachten. Polymere Klebstoffe sind stark abhängig von ihren Einsatzbedingungen wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchte, UV-Einstrahlung und Medieneinwirkung. Die entsprechende Degradation der mechanischen Eigenschaften infolge dieser Einflüsse muss von jeder/jedem Konstrukteur:in berücksichtigt werden. In extremen Einsatzbedingungen sind daher häufig hohe Sicherheitsfaktoren erforderlich.
Ein weiterer kritischer Punkt ist das Thema Adhäsion. Jede noch so gut dimensionierte Klebverbindung wird frühzeitig versagen, wenn nicht dafür gesorgt wurde, dass der Klebstoff und die Fügeteile eine optimale Haftung aufweisen. Hierbei spielt die materielle Kompatibilität zwischen Fügeteil und Werkstoff eine Rolle, aber auch Oberflächenvorbehandlung.
Zuletzt möchte ich erwähnen, dass in der Herstellung der Klebverbindung neben den bereits genannten Punkten vor allem auch die korrekte und vollständige Aushärtung des applizierten Klebstoffs sichergestellt sein muss, damit er seine volle mechanische Beanspruchbarkeit entfalten kann. Die Aushärtemechanismen sind je nach chemischer Zusammensetzung des Klebstoffs sehr unterschiedlich. Dies müssen verantwortliche Klebpraktiker:innen aber auch Konstrukteur:innen wissen und einplanen.
Welche Einflussfaktoren werden bei der Berechnung von mechanisch beanspruchten Klebverbindungen berücksichtigt?
Die in calcbond implementierten Berechnungsmethoden berücksichtigen die Elastizitätskennwerte sowie die geometrischen Parameter der Klebung. Kenngrößen wie z.B. die Dicke oder der Zug- und Schubmodul der Klebschicht und Fügeteile haben einen signifikanten Einfluss auf die Ausbildung von Spannungen in der belasteten Klebverbindung.
Im fortschrittlichen numerischen Simulationsmodul der Plattform wird außerdem der Einfluss von Temperaturänderungen auf die Eigenschaften der Klebung und die thermische Kontraktion oder Ausdehnung aller Komponenten berücksichtigt.
Mittels der Materialkarten Abhilfe schaffen
Welche Vorteile bietet die Materialdatenbank von calcbond für Ingenieure?
Besonders am Anfang eines Projekts fehlt es meist an Klebstoffdaten für eine struktur-mechanische Betrachtung, also eine rechnerische Vordimensionierung der Klebverbindung. Hier kann calcbond mittels der Materialkarten Abhilfe schaffen, da man auf Basis von getesteten Kennwerten direkt vom Hersteller Berechnungen auf der Plattform durchführen kann. Künftig können Anwender außerdem die Materialdatenbank um eigene Klebstoffkennwerte erweitern, die im eigenen Account auf calcbond gesichert werden.
Wie kann calcbond den Arbeitsalltag von Ingenieuren erleichtern und ihre Projekte vorantreiben?
Der einfache Online-Zugriff auf die Plattform sowie das einfache und flexible Lizenzmodell machen den Einstieg leicht. Mit dem Wiki hat jede:r Nutzer:in schnellen Zugang zu klebtechnischem Fachwissen. Ein besonderer Boost für jede:n Ingenieur:in ist die direkte Möglichkeit, Berechnungen online mit wenigen Klicks umzusetzen. Es sind keine hochpreisigen inhouse Lizenzen für kommerzielle FEM-Software erforderlich. Ebenso muss man kein:e speziell ausgebildete:r Berechnungsingenieur:in mit zusätzlicher klebtechnischer Expertise sein, um calcbond zu nutzen. Solche Ressourcen sind selten und teuer.
- Geringe Kostenposition
- Schnelle Lösungsfindung -> Lösungsorientiertes Arbeiten
Großflächige Klebverbindungen in den Rotorblättern von Windkraftanlagen
Inwiefern kann die Plattform den Prozess des Recyclings von Windkraftanlagen optimieren?
Bei Windkraftanlagen kommen vor allem in den Rotorblättern großflächige Klebverbindungen zum Einsatz. Ein fachgerechtes und ressourcenschonendes Recycling dieser Rotorblätter erfordert eine genaue Kenntnis über die verbauten Materalien – das schließt natürlich auch die Klebstoffe mit ein.
Die Materialdatenbank von calcbond liefert nicht nur berechnungsspezifische Informationen zu den jeweiligen Klebstoffen. Auch Angaben zur chemischen Zusammensetzung sowie fertigungsrelevante Angaben sind enthalten, die durchaus relevant für die Planung von Trennvorgängen bei geklebten Komponenten von Rotorblättern der Windkraftanlage sind.
Welche anderen Bereiche könnten von der Plattform calcbond noch profitieren und Ingenieuren Unterstützung bieten?
calcbond bietet Nutzern aus verschiedensten Branchen viele Vorteile. Vor allem im Nutz- und Sonderfahrzeugbau, im Schienenfahrzeugbau aber auch in der Offshore-Industrie wird viel und immer mehr geklebt, weshalb Ingenieur:innen in diesen Bereichen regelmäßig mit klebtechnischen Problemstellungen konfrontiert sind, die bereits heute über die in calcbond integrierten Standardmodelle berechnet werden können. Generell kann man jedoch sagen, dass calcbond in allen denkbaren Industrien einen hohen Nutzen bietet, in denen Klebtechnik angewandt wird und verlässliche Berechnungen zum Sicherheits- oder Performance-Nachweis benötigt werden.
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