Bild 1: Aufbau von Sandwichelementen für das Chassis oder das Dach von Bussen aus der Serienfertigung von Comsol Composites AG und Konzept für das XChassis eDeck mit integrierten Batterieelementen.

er neuentwickelte Klebstoff der Kisling AG hat eine Epoxid-Basis («entwickelter EP»). Zugscherversuche zeigen auch bei 80 °C eine Zugscherfestigkeit von deutlich über 30 MPa auf Stahlsubstraten. Sowohl auf Stahl- als auch auf Aluminiumsubstraten tritt ein kohäsiver Bruch in der Klebschicht auf. Im direkten Vergleich zum aktuell verwendeten Polyurethan-Klebstoff («PU Referenz») und einem herkömmlichen Klebstoff auf Epoxid-Basis («EP Referenz») wird die aussergewöhnliche Temperaturstabilität des neuentwickelten Klebstoffs deutlich: Die Zugscherfestigkeit der beiden Referenzklebstoffe fällt deutlich unter die geforderten 16 MPa bei 80 °C, während die Neuentwicklung nur minimale Festigkeitseinbussen aufweist (Bild 2A).

Auch nach 4 Wochen Alterung der Zugscherproben bei einem Umweltzyklus, der extreme Witterungsbedingungen mit Temperaturwechseln zwischen -40 und 80 °C sowie Luftfeuchtigkeit von bis zu 80 % relativer Feuchte simuliert (VW-PV 1200) bleiben mehr als 80 % der ursprünglichen Zugscherfestigkeit erhalten [1] (Bild 2B).

Bild 2: Zugscherfestigkeit der untersuchten Klebstoffe bei RT und 80 °C (A), Entwicklung der Zugscherfestigkeit des neu entwickelten EP-Klebstoffes unter Alterung (B), Spannungs-Dehnungskurven des neu entwickelten Klebstoffs bei einem TAST- (Thick Adherend Shear Test) Versuch unter Schubbelastung (C).

Für die Auslegung der Sandwichstrukturen bei der Comsol Composites AG sind Tests auf Komponentenlevel sehr wichtig, um Rechenmethoden und Materialmodelle für die FE-Simulation zu validieren und das Versagensverhalten der Komponenten besser zu verstehen. Normalerweise werden dabei einzelne Lastfälle (Zug, Druck, Biegung) nach Norm-Prüfungen getestet. Im Falle des Umkippens eines Busses liegt jedoch am verklebten Übergang von Seitenprofilen zur Sandwichstruktur ein komplexer Lastfall vor, bei dem sich Druck und Biegung bzw. Zug und Biegung überlagern. Daher wurde im Rahmen des Innosuisse-Projekts am IWK eine Vorrichtung für Sandwich-Tests unter kombinierter Zug/Druck-Biegebelastung entwickelt. Das Grundprinzip stammt aus einer Forschungsarbeit der Universität Stuttgart [2], die Vorrichtung wurde am IWK jedoch für die Verwendung in einer Temperierkammer und für den Tests des Übergangs zum Seitenprofil angepasst [3].

Die Vorrichtung besteht aus zwei drehbar gelagerten Hebelarmen, die in einer Universalprüfmaschine eingebaut sind. Zwischen den Hebelarmen können die Sandwichproben mithilfe von Montageelementen montiert werden. Dabei werden die Stirnseite des Schaums und die beiden Deckschichten der 200 mm langen Sandwichprobe mit dem zu untersuchenden Klebstoff an zwei Montageelemente geklebt – analog zu den Seitenprofilen im Chassis oder in der Decke des Busses (Bild 3). Durch Verschieben der Lagerpunkte der Hebelarme in Zugrichtung werden die Sandwichprobe und der Übergang zu den Montageelementen unter Zug und Biegung belastet (= öffnender Lastfall). Dabei kann das Verhältnis von Zug- zu Biegebelastung durch die unterschiedliche Länge A der Hebelarme gesteuert werden. Bei einem kleinen A-Wert, wie z.B. A = 80 mm, überwiegt die Zugbelastung, bei einem grossen A-Wert von z.B. A = 170 mm überwiegt die Biegebelastung. Gleiches gilt für eine Druck-Biegebelastung (= schliessender Lastfall).

Bei den Versuchen haben zwei unterschiedliche Versagensmechanismen gezeigt:

• Knick-Versagen der Deckschicht unter Druckspannungen: Dies ist der bevorzugte Versagensmechanismus, da hierbei viel Energie absorbiert, die Integrität der Gesamtstruktur aber nicht gefährdet wird.

Bild 3: Vorrichtung für die kombinierte Zug/Druck-Biegeprüfung im öffnenden Lastfall und die dazugehörige FE-Simulation als digitaler Zwilling. Dargestellt ist die Vergleichsspannung von Mises in MPa.

• Klebstoff-Versagen zwischen Deckschicht und Montageelement: Dieses Versagen weist auf eine nicht ausreichende Festigkeit des Klebstoffes hin und muss in der Praxis unbedingt vermieden werden. Im Labor kann dieses Versagen jedoch dazu dienen, das Materialmodell des Klebstoffes in einer FE-Simulation des Versuchs zu validieren.

Vergleicht man die Performance der Sandwichproben bei Verklebung mit den unterschiedlichen Klebstoffen, treten deutliche Unterschiede auf (Bild 4). Bei Raumtemperaturprüfungen (RT) mit langem Hebelarm A = 170 mm, öffnender Lastfall, zeigen die Sandwichproben mit allen drei geprüften Klebstoffen dieselbe Steifigkeit gegenüber elastischer Verformung. Proben mit dem PU-Referenzklebstoff versagen dann jedoch in der Klebschicht. Proben mit dem EP-Referenzklebstoff und dem entwickelten EP-Klebstoff versagen dagegen erst nach deutlicher plastischer Deformation durch Knicken der Deckschicht. Noch deutlicher werden die Unterschiede bei der Prüfung bei 80 °C. Hier zeigen die Proben mit den beiden Referenzklebstoffen eine deutlich geringere Steifigkeit und versagen bei niedrigen Kräften in der Klebschicht. Der neu entwickelte EP-Klebstoff punktet mit überlegener Festigkeit auch bei 80 °C und versagt nicht. Hier knickt die Deckschicht.

Die explizite FE-Simulation des kombinierten Zug/Druck-Biegeversuchs wurde mit LS-Dyna durchgeführt. Das FE-Modell der Sandwichprobe nutzt die vorhandenen Symmetrien aus (Bild 3). Die Aluminiumdeckschichten werden mit einem elasto-plastischen Materialmodell und der Schaum mit einem bilinearen Materialmodell abgebildet. Für die Klebstoffelemente wird das zuvor entwickelte Kohäsivzonenmodell verwendet.

Mit dem Modell lassen sich sowohl das Knicken der Deckschicht als auch das Versagen der Klebstoffschicht bei RT und bei 80 °C präzise und mit hoher Übereinstimmung abbilden.

Bild 4: Kraft-Verschiebungskurven bei RT und 80 °C für einen öffnenden Lastfall mit A = 170 mm für alle drei getesteten Klebstoffe. Die gestrichelten Kurven zeigen die Ergebnisse der FE-Simulation.

Nach Abschluss des Innosuisse-Projekts wurde bei der Comsol Composites AG ein erstes Busdach mit dem neu entwickelten Klebstoff verklebt. Aktuell wird die Verwendung des Klebstoffes für die Serienproduktion im Bereich Road und Rail geprüft. Hier bieten die FE-Simulationen aus dem Projekt die Grundlage für die FE-Simulation der Gesamtstruktur, um die Sicherheit der zukünftigen Generation Elektrobusse sicherzustellen.
 
Danksagung
Dieser Artikel wurde in Rahmen des Innovationsprojekts 100.278 IP geschrieben und veröffentlicht. Das Projekt wurde finanziell gefördert von Innosuisse – der schweizerischen Agentur für Innovationsförderung.
 
Referenzen
[1] Bachelorarbeit von C. Oermann, IWK/OST, 2025.
[2] R. M. Sturm, „Untersuchung der Schadensinitiierung doppelschaliger Rumpfpaneele unter crashrelevanter Druck-Biege-Belastung,“ Doktorarbeit., Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart, Regensburg, 2016.
[3] Bachelorarbeit von J. Zehnder, IWK/OST, 2023.

Quelle: Klebstoff für E‑Bus‑Sandwichstrukturen – KunststoffXtra