Entwicklung einer Vorrichtung zur Herstellung von Kopfzugproben

Abstract

Die mechanischen Eigenschaften von Klebstoffen können auf unterschiedliche Arten ermittelt werden. Eine Möglichkeit ist das Aufbringen einer uniaxialen Zugbelastung mittels Kopfzugproben. Speziell bei Dickschichtklebungen stellt die Herstellung solcher Proben eine Herausforderung dar. Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung einer Vorrichtung, die es gestattet geometrisch exakte Kopfzugproben für Dickschichtklebungen herzustellen wobei die Klebeschichtdicke und der Durchmesser der Fügeteile einstellbar sein soll. Zunächst wurde mittels Finite Elemente Simulationen die Auswirkungen von Abweichungen der Klebeschichtgeometrie vom Nennmaß auf das ermittelten Last-Verschiebungs- bzw. Spannungs-Dehnungs-Verhalten untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass speziell Abweichungen in der Klebeschichtdicke starke Auswirkungen auf die Ergebnisse haben speziell wenn der Durchmesser wesentlich größer als die Klebeschichtdicke ist. Die Möglichkeit der Fertigung von Proben mit exakte Klebeschichtdicke ist daher eine der Grundanforderungen an die Vorrichtung. In einer weiteren Vorstudie wurde dann Gieß- und Aushärteverhalten des, in dieser Arbeit verwendeten, Klebstoffs untersucht. Es hat sich gezeigt, dass sich der Klebstoff mit den vorhanden Mitteln gut gießen lässt, allerdings die verwendete elektrische Kartuschenpistole an ihr Limit kommt. Die Aushärtezeit ergab sich zu rund 2 Wochen für große Klebeschichtdicken, was den zeitlichen Rahmen für eine systematische Untersuchung von Kopfzugproben in dieser Arbeit gesprengt hätte. Aus Druckversuchen an den gegossenen Proben ergab das gleiche Bild wie bei den Finite Elemente Simulationen – Abweichungen der Klebeschichtdicke vom Sollmaß sollten möglichst vermieden werden. Die Ergebnisse der Vorstudien wurden in der Herstellung der Vorrichtung entsprechend berücksichtigt. Um eine gewisse Variabilität der Durchmesser zu gewährleisteten werden die Prüfkörper in Prismen gelagert. Die Einstellung der Klebschicht erfolgt über einen Anschlag und Kaliber. Der Klebstoff selbst wird in eine mehrteilige Form gegossen, die auch die Prüfkörper in der Nähe der Klebeschicht umschließt. Die Gussform ist 3D gedruckt und wird für den jeweiligen Durchmesser entsprechend hergestellt. Die Prüfkörper bleiben während des Aushärtevorgangs des Klebstoffs in der Gussform. Nach dem Entformen kann die Gussform wiederverwendet werben. Proben, die mit der Vorrichtung hergestellt wurden, zeigen eine hohe Maßhaltigkeit und eine homogene Verteilung des Klebstoffs ohne Lufteinschlüsse. Die ermittelten Last-Verschiebungskurven zeigen ebenfalls eine gute Übereinstimmung. Die Vorrichtung stellt damit ein geeignetes Tool zur Herstellung von Kopfzugproben dar.

The mechanical properties of adhesives can be determined in various ways. One option is to apply a uniaxial tensile load using butt joint tests. Manufacturing such specimens is particularly challenging in the case of thick-film bondings. Therefore, the aim of this work is to develop a device that allows geometrically accurate head tensile specimens to be produced for thick-film bonding, whereby the adhesive layer thickness and the diameter of the joined parts should be adjustable. First, finite element simulations were used to investigate the effects of deviations in the adhesive layer geometry from the nominal dimension on the determined load-displacement and stress-strain behavior. It is shown that deviations in the adhesive layer thickness have a significant impact on the results, especially when the diameter is considerably larger than the adhesive layer thickness. The ability to produce samples with an exact adhesive layer thickness is therefore one of the basic requirements for the device. In a further study, the casting and curing behavior of the adhesive used in this work was investigated. The adhesive can be cast well with the available means, but the electric cartridge gun used reached its limits. The curing time was around two weeks for large adhesive layer thicknesses, which would have exceeded the time frame for a systematic investigation of butt joint tests in this work. Compression tests on the cast samples yielded the same results as the finite element simulations – deviations of the adhesive layer thickness from the nominal dimension should be avoided. The results of the preliminary studies were taken into account in the manufacture of the device. In order to ensure a certain variability in diameter, the test specimens are placed in prisms. The adhesive layer is adjusted using a mechanical stop and calipers. The adhesive itself is poured into a multi-part casting mold, which also encloses the test specimens near the adhesive layer. The mold is 3D printed and manufactured for the respective diameter. The test specimens remain in the mold during the curing process of the adhesive. After unforming, the mold can be reused. Samples produced using the device show high dimensional accuracy and homogeneous distribution of the adhesive without air inclusions. The load-displacement curves determined are in good agreement. In conlusion it can be said, that the developed device is a suitable tool for producing butt joint specimens.