Effiziente Modelle zur Simulation der Strömung hochviskoser Kleb- und Dichtstoffe in Fertigungsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Mayer, seit 11/2020; Professor Dr.-Ing. Michael Müller
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445254897

Faserverstärkte Kunststoffe, hochfeste Stähle und der moderne Multimaterial-Leichtbau führen zu einem stark zunehmenden Einsatz der Fügetechnologie Kleben. Entscheidend für die Qualität des Endproduktes ist die finale Lage des Kleb- oder Dichtstoffs. Lufteinschlüsse oder eine Unterfüllung des Spalts führen dabei unter anderem zu Einbußen in der Lastübertragungsfähigkeit. Die gezielte Optimierung der Klebraupenlage mit dem Ziel einer vollständigen Klebspaltfüllung bei minimalem Materialeinsatz ist derzeit technisch sehr aufwendig. Richtlinien für ein zielführendes Vorgehen oder effiziente numerische Werkzeuge zur Prognose der Spaltfüllung fehlen. Um insbesondere bei sicherheitsrelevanten oder medial belasteten Anwendungen eine nicht-ausreichende Spaltfüllung unbedingt zu vermeiden, wird im Fertigungsprozess mitunter eine deutliche (30-50%) Überfüllung des Spaltes realisiert. Der überschüssige Klebstoff tritt in diesem Fall aus dem Spalt aus, was ökologische und ökonomische Nachteile hat. Entscheidend für die finale Lage des Klebstoffs ist neben seiner initialen Lage besonders der anschließende Fügeprozess durch das Aufsetzen des zweiten Bauteils. Dabei entsteht im sich verengenden Spalt eine Quetschströmung zwischen den Fügeteilen. Erst die Beherrschung dieser Quetschströmung führt zur gewünschten Spaltfüllung innerhalb der konstruktiven Toleranzen und ist ein Kernziel dieses Forschungsprojekts. Explizite Methoden zur Beschreibung der Quetschströmung sind hingehen bisher nicht verfügbar. Aktuelle Simulationen beschreiben in der Regel Mehrphasenströmungen basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen. Die geometrischen Verhältnisse einer, oftmals wenige zehntel Millimeter hohen aber mitunter meterlangen, Klebfuge führen dabei oftmals zu numerischen Instabilitäten oder ausufernden Rechenzeiten. Modellierungsmethoden, die spezifisch für Systeme mit den vorliegenden Längenverhältnissen entwickelt wurden und nur die relevanten Variablen einer Quetschströmung im engen Spalt betrachten, sind zwar speziell für tribologische Anwendungen vorhanden und dort fest etabliert, aber bisher auf das Kleben und Dichten nicht übertragen worden. Eine gemeinsame Vorstudie der Antragssteller konnte aufzeigen, dass die aus der Tribologie bekannten Techniken prinzipiell sehr gut auf die Beschreibung von Fügeprozessen anwendbar sind.Das unmittelbare Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, solche am IDS der TU Braunschweig entwickelten Methoden zur effektiven Beschreibung von Quetschströmungen aus der Tribologie heranzuziehen, auf das Kleben und Dichten zu transformieren und zu erweitern sowie deren Einsatzfähigkeit am Fraunhofer IFAM in Bremen an akademischen und praktischen Systemen experimentell zu validieren. In diesem Kontext soll im Rahmen des Antrages diese Modellierungstechnik auch auf Klebprozesse mit injiziertem Klebstoff angewendet werden, was aus mathematischer Sicht einen Spezialfall dieser Methodik darstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Till Vallée, bis 11/2020