Ein Überblick über die Vor- und Nachteile verschiedener Fügeverfahren für Kohlefasermaterialien

Es gibt verschiedene Verfahren zum Verbinden von Verbundwerkstoffen, und die Wahl hängt unter anderem von den Lastbedingungen im jeweiligen Verbindungsbereich ab. Derzeit existieren fünf Methoden zur Verbindung von Kohlefaserverbundwerkstoffen: mechanische Verbindung, Klebeverbindung, Vernähung, Z‑Stiftverbindung sowie hybride Verbindungsverfahren.

(Derzeit sind mechanische Verbindungen und Klebeverbindungen die am häufigsten angewandten Verfahren zur Lastübertragung in Strukturverbindungen. Nahtverbindungen und Z‑Stiftverbindungen werden vor allem als ergänzende Methoden eingesetzt, um die Beständigkeit der Verbindung gegen Schälspannungen zu erhöhen.)

Klebverbindung

Die Klebverbindung beruht auf der Verbindung von zwei oder mehr Bauteilen mithilfe eines Klebstoffs. Heutzutage wird die Klebtechnik im Allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt: Co‑Aushärtung, Co‑Verklebung und Sekundärverklebung. Wenn jedoch im alltäglichen Sprachgebrauch von „Klebverbindung“ die Rede ist, ist in der Regel die Sekundärverklebung oder die Co‑Verklebung gemeint; die Leistungsfähigkeit der durch Co‑Aushärtung vorgefertigten Verbindung übertrifft die der Co‑Verklebung bei Weitem.

Klebverbindungen lassen sich grob in zwei Haupttypen einteilen: In‑Ebene‑Überlappverbindungen und Orthogonale Verbindungen. In‑Ebene‑Überlappverbindungen nehmen vor allem Zugbelastungen in der Ebene auf, wobei die Klebschicht Scherkräfte aufnimmt; sie werden überwiegend zur Verbindung plattenförmiger Bauteile in Flugzeugstrukturen eingesetzt. Orthogonale Überlappverbindungen widerstehen hauptsächlich Zugbelastungen senkrecht zur Ebene – häufig als Ausziehbelastungen bezeichnet – und dienen vor allem der Verbindung plattenförmiger Bauteile mit Trägern, Rippen und Stringern.

Mechanische Verbindungen

Mechanische Verbindungen beruhen auf mechanischen Verfahren – in der Regel Schrauben und Nieten –, um zwei oder mehr Bauteile miteinander zu verbinden. Zu den gängigen mechanischen Verbindungen in Flugzeugstrukturen zählen Schraubverbindungen, Nietverbindungen, Blindverschlüsse sowie Ring-Nut-Nietverbindungen. Mechanische Verbindungen in Kohlefaserverbundwerkstoffstrukturen weisen vielfältige Ausprägungen auf. Nach den tragenden Eigenschaften der Befestigungselemente lassen sie sich in Einfachscherr- und Doppel­scherrverbindungen unterteilen; je nachdem, ob zur Herstellung der Verbindung eine Übergangsplatte eingesetzt wird, werden sie als Überlappverbindungen oder Stumpfverbindungen klassifiziert; jeder Verbindungstyp entspricht einer spezifischen Konfiguration der abgeschrägten Fügefläche.

Bei der Auswahl mechanischer Verbindungstypen für Kohlefaserverbundstrukturen sind folgende Aspekte zu beachten: Einseitig scherbelastete Überlappverbindungen unterliegen Biegeverformungen, was die Verbindungsfestigkeit und die Effizienz der Verbindung verringert; daher werden im Entwurf zweiseitig scherbelastete Verbindungen bevorzugt. Aufgrund von Biegespannungen sollten bei asymmetrischen Einzelüberlappverbindungen mehrreihige Schraubverbindungen eingesetzt werden, wobei der Abstand zwischen den Reihen vergrößert werden sollte. Bei mehrreihigen Schraubverbindungen in Kohlefaserverbundwerkstoffen auf Harzbasis kommt es zu einer starken Ungleichmäßigkeit der Lastverteilung; daher ist darauf zu achten, Konfigurationen mit einer übermäßig hohen Anzahl von Schraubreihen zu vermeiden.

Bei Verbindungsstrukturen mit mehreren Befestigungselementen sollten zur Erhöhung der strukturellen Verbindungsfestigkeit – insbesondere der Ermüdungsfestigkeit – die Bolzenlöcher nach Möglichkeit parallel angeordnet werden, wobei versetzte Anordnungen zu vermeiden sind; sorgfältig ausgelegte abgeschrägte Verbindungen für Bleche unterschiedlicher Dicke können die Tragfähigkeit der Verbindungsstruktur verbessern, während unsachgemäß konstruierte abgeschrägte Verbindungen deren Tragfähigkeit verringern können.

Vor- und Nachteile der Klebeverbindung

Vorteile:

1. Verhindert die Rissausbreitung und bietet einen hohen Sicherheitsgrad gegen Versagen.

2. Keine Festigkeitsminderung durch das Bohren von Löchern

3. Keine Korrosionsprobleme; erzeugt eine glatte, aerodynamische Oberfläche

4. Ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, Schwingungsdämpfung, Dichtungs- und Isoliereigenschaften

5. Keine Befestigungselemente erforderlich; leichte Konstruktion; niedrige Herstellungskosten

Nachteile:

1. Erfordert eine spezielle Vorbehandlung der Klebeflächen; zwischen den zu verklebenden Teilen ist hohe Präzision erforderlich; für die Aushärtung sind Heiz- und Druckvorrichtungen notwendig; Reparaturen sind schwierig.

2. Das Fügen erzeugt eine dauerhafte Verbindung; einmal verbunden, lässt sich die Verbindung nicht mehr trennen, was das Recycling der Materialien erschwert.

3. Die Festigkeitsverteilung ist ungleichmäßig, die Schälhaftfestigkeit ist gering, und es ist schwierig, dicke Strukturen zu verkleben oder große Lasten zu übertragen.

4. Die Verbindungsqualität ist schwer zu steuern, was zu einer geringen Zuverlässigkeit führt.

Vor- und Nachteile mechanischer Verbindungen

Vorteile:

1. Kann während der Fertigung, Wartung und beim Austausch wiederholt montiert und demontiert werden