Prozessintegrierte Qualitätssicherungsverfahren für die klebetechnische Fertigung von Faserverbundwerkstoffen (QualitätsKleben)

Problemstellung
Im Bereich Luftfahrt und auch zunehmend im Automobilbau hat die Verbesserung der Energie- und Materialeffizienz primäre Bedeutung. Mit dem Übergang von metallischen Tragstrukturen zu Konstruktionen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) können neue Leichtbauweisen realisiert und eine wesentliche Reduzierung des Energieverbrauchs während der Produktherstellung und der Produktnutzung erreicht werden.
Um die Leichtbaupotentiale von CFK vollständig auszunutzen, ist die Vermeidung von Bauteilschädigungen durch Nietverbindungen und deren Substitution durch Klebverbindungen notwendig. Mit verbesserten CFK-Werkstoffen allein können nur geringfügig höhere mechanische Bauteileigenschaften erzielt werden (>15 %). Die Umstellung der Fügetechnologie auf geklebte Strukturen aber kann das Potenzial von CFK-Baugruppen um bis zu 100 Prozent steigern!
Die Einführung strukturell geklebter Faserverbundbauteile scheiterte bisher hauptsächlich an verlässlichen Qualitätssicherungsmethoden. Mit bisherigen QS-Methoden konnte z. B. die tatsächlich erzielte Klebfestigkeit nicht hinreichend genau bestimmt werden. Auch Kontaminationen aus dem CFK-Herstellungsprozess (z. B. Trennmittelreste, Feuchtigkeit), die die Qualität der Klebverbindung nachhaltig beeinflussen, ließ sich derzeit nicht zuverlässig nachweisen.

Projektziele
Das übergeordnete Ziel des Projekts war daher die Entwicklung von prozessintegrierten zerstörungsfreien Qualitätssicherungs-Verfahren für die sichere und reproduzierbare Erfassung des Vorbehandlungszustandes der Kontaktflächen und der Eigenschaften von strukturellen Klebverbindungen. Als Voraussetzung für die industrielle Anwendbarkeit klebetechnischer Verbindungen beim Fügen von CFK-Baugruppen musste auch die Prozessintegration und Automatisierung der notwendigen Prüfprozesse gelöst werden.

Vorgehensweise
Es wurden geeignete Verfahren für die Oberflächenüberprüfung der Fügepartner vor dem Kleben ermittelt und zu qualifizier- und zertifizierbaren Systemen für die automatisierte Überwachung weiterentwickelt. Die zerstörungsfreie Festigkeitsprüfung der Klebverbindung und der Fügepartner kann mittels Laserultraschall und Lock-In-Thermografie realisiert werden. Im Projekt wurde die Erzeugung der dazu notwendigen lasergenerierten Druckwelle reproduzierbar realisiert und die zerstörungsfreie Festigkeitsprüfung als industrietaugliches System qualifiziert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Neben daraus erwachsenden enormen Einsparpotentialen können nunmehr Klebeverbindungen mithilfe der automatisierten Qualitätssicherung mit effizienten, schnellen und verlässlichen Verfahren hergestellt werden. Damit wird in der Serienfertigung von Leichtbau-Komponenten die Substitution herkömmlicher Nietverbindungen in vielen Anwendungen und Industriezweigen möglich. Über den Luftfahrzeugbau hinaus werden Anwendungen im Straßen- und Schienenfahrzeugbau erwartet.

• Airbus Defence and Space GmbH
• BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Optoprecision GmbH