Steigerung der Robustheit von strukturellen Verklebungen in der Luftfahrt mittels lokaler Oberflächenzähmodifikation

Abstract

Das globale Ziel der Luftfahrt ist deutlich CO2 einzusparen um die Klimaziele zu erreichen. Dies gelingt nur durch einen reduzierten Verbrauch von Kerosin. Mittels einer besseren Aerodynamik aber besonders durch das Einsparen von Strukturgewicht kann dieses Ziel realisiert werden. Moderne Verkehrsflugzeuge werden daher aus Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen gefertigt und per Klebeverfahren gefügt. Kleben als Verbindungstechnik besitzt eine sehr hohe Leichtbaugüte und ist besonders für Faserverbundstrukturen bestens geeignet. Klebverbindungen besitzen viele Vorteile wie z.B. die hervorragende Lastverteilung im Bauteil, das Toleranzmanagement über die Klebschichtdicke oder allgemein, dass das Bauteil gerade bei Faserverbundstrukturen nicht durch Bohrlöcher wie beim Bolzen oder Nieten beschädigt wird. Da die Herstellung von strukturellen Klebverbindungen jedoch sehr komplex ist, werden diese aus Sicherheitsgründen zusätzlich verbolzt, um Spannungskonzentrationen durch bspw. Defekte vermeiden zu können bzw. schon entstandene Risse in der Klebschicht zu stoppen. Eine verbolzte Klebschicht entspricht jedoch nicht dem Leichtbaugedanken und somit gehen die meisten Vorteile der Klebung wieder verloren. Die Forschungsfrage dieser Arbeit lautet daher: Ist es möglich, durch eine lokale, reproduzierbare und hochratenfähige Oberflächenzähmodifikation die Verbindungsfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit von geklebten Faserverbundstrukturen zu steigern, ohne dabei das Substrat negativ zu beeinflussen oder die Klebschicht zu verändern? Eine solche Technologie würde das volle Leichtbaupotential einer strukturellen Klebverbindung realisieren, Zeit in der Fertigung sparen und somit direkt die Produktionskosten reduzieren. Um diese Frage zu beantworten, wird in dieser Arbeit ein Konzept zur lokalen Oberflächenzähmodifikation ausgearbeitet und erprobt. Die Technologie wird mittels experimentellen Probenprogramm unter statischer und dynamischer Belastung untersucht. Neben dem Einsatzbereich und den Einsatzgrenzen wird auch die hochratenfähige Fertigung mit samt deren Oberflächenvorbehandlung erarbeitet. Es resultiert eine bolzenfreie, spannungsreduzierende Technologie Surface Toughening, welche in strukturellen Klebverbindungen der Luftfahrt in hohem Maße rissstoppend und verbindungsfestigkeitssteigernd wirkt.