Überblick
Die Verbundfügetechnik ist eine kritisches, aber relativ schwaches Glied bei der Konstruktion und Herstellung von Verbundstrukturen. Aufgrund der Anisotropie, Sprödigkeit und geringen interlaminaren Festigkeit von Verbundwerkstoffen unterscheidet sich deren Verbindungsdesign erheblich von metallischen Strukturen und erfordert besondere Aufmerksamkeit. Die wichtigsten Verbindungsmethoden lassen sich in drei Gruppen einteilen:

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1. Mechanisches Fügen
Prinzip: Verwendet mechanische Befestigungselemente (Bolzen, Schrauben, Nieten usw.), um Verbundwerkstoff-mit-Verbundwerkstoff- oder Verbundwerkstoff-mit-Metall-Komponenten zu verbinden, wofür normalerweise Bohrlöcher erforderlich sind.

Vorteile:
- Hohe Zuverlässigkeit und Überprüfbarkeit: Der Zustand der Verbindung ist sichtbar, was eine einfachere Inspektion und Wartung ermöglicht.

- Lastübertragungsfähigkeit: geeignet für primäre Tragkonstruktionen oder hochbelastete Bereiche.

- Geringere Anforderungen an die Oberflächenvorbereitung im Vergleich zum Kleben.

- Weniger empfindlich gegenüber Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur.

Nachteile:
- Spannungskonzentration: Durch das Bohren wird die Faserkontinuität unterbrochen und es kommt zu Spannungskonzentrationen an den Lochrändern, einer Hauptursache für Ausfälle.

- Zusätzliches Gewicht: Befestigungselemente und Verstärkungen (Unterlegscheiben, Buchsen) erhöhen das Strukturgewicht.

- Schadensrisiko: Durch das Bohren kann es zu Delamination, Faserausrissen oder Mikrorissen in der Matrix kommen.

- Galvanische Korrosion: bei der Verwendung von Metallbefestigungen mit Kohlefaserverbundwerkstoffen, die Titan oder Edelstahl plus Isolierung erfordern.

- Reduzierung der Ermüdungslebensdauer aufgrund von Spannungskonzentrationen am Lochrand.

Wichtige technische Punkte:
- Auswahl der Befestigungselemente: Material (Titanlegierung, Edelstahl, Verbundbefestigungen), Typ (Hi-Lok-Schrauben, Blindnieten, Hi-Lite-Nieten), Kopfform (senkrecht oder vorstehend).

- Bohrlochvorbereitung: Präzisions- und beschädigungsarmes Bohren (diamantbeschichtete Bohrer, Trägerplatten, optimierte Parameter), Wasserstrahl-Laser-Bohren.

- Fit: Spielpassung bevorzugt; Presspassung kann zu Delamination führen.

- Drehmomentregelung: genaue Vorspannungskontrolle, um ein Lösen oder Zerdrücken von Verbundwerkstoffen zu verhindern.

- Gestaltungsregeln: strenge Richtlinien für Randabstand, Teilung und Abstand.

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2. Kleben
Prinzip: Verwendet Klebstoffe, um Verbundteile miteinander zu verbinden.

Vorteile:

- Keine Spannungskonzentration: Die Faserkontinuität bleibt erhalten, die Lastverteilung ist gleichmäßig.

- Leicht: keine Befestigungselemente oder Löcher, wodurch das Gesamtgewicht reduziert wird.

- Hervorragende Ermüdungsbeständigkeit aufgrund gleichmäßiger Spannungsverteilung.

- Dicht- und Dämpfungseigenschaften: Die Klebeschicht bietet beides.

- Geeignet für dünnwandige und komplexe Geometrien .

- Glatte, ästhetische Oberflächen .

Nachteile:
- Hohe Anforderungen an die Oberflächenvorbereitung: Das Entfernen von Trennmitteln und Verunreinigungen ist unerlässlich; Oberflächenbehandlungen (Schleifen, Sandstrahlen, Lösungsmittelreinigung, Grundierung, Plasma) sind obligatorisch.
- Stärkevariabilität: stark abhängig von der Prozessqualität (Oberflächenvorbereitung, Mischen, Aushärten).
- Schwierige Inspektion und Demontage: Ausgehärtete Fugen sind schwierig zu beurteilen und zerstörungsfrei zu entfernen.
- Umweltsensitivität: Die Klebeeigenschaften verschlechtern sich unter heißen/feuchten Bedingungen.
- Schwach bei Schäl- und Spaltbelastungen im Vergleich zu Scherbelastungen.
- Strenge Aushärtungsanforderungen (Temperatur, Druck, Zeit).

Wichtige technische Punkte:
- Klebstoffauswahl: basierend auf Betriebstemperatur, Belastungsart (Scher-, Schäl-, Zugbelastung), Zähigkeit, Aushärtungsbedingungen (Epoxid, Acryl, Polyurethan, Cyanacrylat). Filmklebstoffe vs. Pastenklebstoffe je nach Anwendung.

- Oberflächenvorbereitung: Grundstein für die Zuverlässigkeit von Bondverbindungen, die standardisierte Prozesse erfordert.

- Fugengestaltung: Optimierung für Scherbelastungen (einfache Überlappung, doppelte Überlappung, Schrägung, Stufenverbindungen), Minimierung der Schälspannungen, Kontrolle der Klebstoffdicke.

- Kontrolle des Aushärtungsprozesses: präzise Temperatur, Druck, Heizrate und Verweilzeit.

- Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschall, Radiographie, Thermographie.

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3. Hybridfügen
Prinzip: Kombiniert Kleben und mechanisches Befestigen im selben Verbindungsbereich.

Vorteile:
- Höhere Effizienz und Zuverlässigkeit: Klebstoff sorgt für eine gleichmäßige Lastverteilung, Befestigungselemente sorgen für Ausfallsicherheit.

- Verbesserte Ermüdungsleistung: Befestigungselemente stoppen das Risswachstum.

- Höhere Schadenstoleranz: mehrere Lastpfade.

- Reduzierte Präzision der Befestigungslöcher Anforderungen durch Klebstofffüllung.

Nachteile:
- Schwerer und komplexer als reine Klebeverbindungen.

- Höhere Kosten und Prozesskomplexität .

- Mögliche Wechselwirkungen : Durch das Anziehen von Befestigungselementen kann nicht ausgehärteter Klebstoff beschädigt werden, und das Schrumpfen des Klebstoffs kann die Vorspannung beeinträchtigen.

Anwendungen: Kritische Verbindungen, die höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit erfordern, wie beispielsweise Verbindungen zwischen Flugzeugflügel und Rumpf.

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Wichtige Überlegungen bei der Konstruktion von Verbundverbindungen

- Lastbedingungen: Spannung, Kompression, Scherung, Abschälung, Ermüdung, Aufprall.

- Materialeigenschaften: Lagenausrichtung, Stapelreihenfolge, Dicke, Art der verbundenen Materialien (Verbundwerkstoff-Verbundwerkstoff, Verbundwerkstoff-Metall).

- Umweltfaktoren: Temperatur, Feuchtigkeit, Chemikalien, UV-Belastung.

- Herstellbarkeit: Machbarkeit, Kosten, Produktionszyklus.

- Überprüfbarkeit und Wartbarkeit: Möglichkeit zur zerstörungsfreien Inspektion und einfache Reparatur/Demontage.

- Gewicht: Die Minimierung des Gewichts ist ein zentrales Ziel von Verbundwerkstoffen.

- Kosten: Materialien, Herstellung, Wartung.

- Fehlermodi: Verbindungen sollten für vorhersehbare, nicht katastrophale Ausfallarten (z. B. Bolzenlagerausfall, Kohäsionsklebstoffausfall) ausgelegt sein, wobei Sprödbrüche (z. B. Netzspannung, Delamination, Grenzflächenklebstoffausfall) vermieden werden sollten.

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Trends in der Verbundverbindungstechnologie
- Fortschrittliche Klebstoffe: verbesserte Temperaturbeständigkeit, Zähigkeit und Haltbarkeit; bessere Methoden zur Oberflächenbehandlung (z. B. Plasma); zuverlässigere NDT-Techniken (geführte Wellen, nichtlinearer Ultraschall).

- Fortgeschrittene mechanische Verbindungen: schonendes Bohren, Verbundbefestigungen, intelligente Befestigungselemente mit Sensorfunktionen.

- Hybridgelenkoptimierung: tiefergehende Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Schraube und verfeinerte Design-Tools.

- Integrale/mitgehärtete Strukturen: Reduzierung des Bedarfs an Verbindungen durch Design- und Fertigungsinnovationen (z. B. 3D-Weben, Nähen, Z-Pinning).

- Numerische Simulation: Hochpräzise Finite-Elemente-Modelle, die Schäden, Kontakt und Klebeverhalten erfassen.

- Intelligente Verbindungen / SHM: eingebettete Sensoren in Gelenkbereichen zur Echtzeitüberwachung.

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Abschluss
Es gibt keine universelle Verbindungsmethode für Verbundwerkstoffe. Die Wahl hängt von den Anwendungsanforderungen, den Belastungsbedingungen, der Umgebung, den Kosten, der Herstellbarkeit und den Wartungsanforderungen ab.

- Kleben bietet Vorteile hinsichtlich Gewichtsreduzierung, Spannungsverteilung und Ermüdung, erfordert jedoch eine strenge Prozesskontrolle.

- Mechanische Befestigung zeichnet sich durch Zuverlässigkeit, Prüfbarkeit und Lastübertragung aus, erhöht jedoch die Spannungskonzentration und das Gewicht.

- Hybridgelenke Kombinieren Sie die Vorteile beider und verwenden Sie sie in kritischen Anwendungen, bei denen Sicherheitsmargen von größter Bedeutung sind.

Das Verständnis der Prinzipien, Stärken, Schwächen und technischen Anforderungen jeder Methode ist für die erfolgreiche Konstruktion und Anwendung von Verbundstrukturen von grundlegender Bedeutung.