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

Abstract

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. Richtlinien für ein zielführendes Vorgehen oder effiziente numerische Werkzeuge zur Prognose der Spaltfüllung fehlen. So kommt es oftmals auch zur unnötigen Überfüllung des Klebspalts, was dazu führt, dass überschüssiger Klebstoff austritt. 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 deren Beherrschung führt zur gewünschten Spaltfüllung innerhalb der konstruktiven Toleranzen. Konventionelle Simulationen mit kommerziell verfügbaren Software-Tools 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. Hier setzte dieses Projekt an. Es bediente sich Modellierungsmethoden, die seit 150 Jahren in der Tribologie etabliert sind und die spezifisch für Systeme mit den vorliegenden Längenverhältnissen entwickelt wurden. Eine besondere Form dieser Modellwelt stellt das selbst entwickelte Partially-Filled-Gaps-Modell (PFGM) dar, welches dabei explizit die Phasen „Fluid“ und „Luft“ repräsentiert. Um dieses Modell für klebtechnische Fragestellungen zu validieren, wurden spezielle Versuchsstände auf Grundlage einer Hele-Shaw-Zelle entwickelt und aufwendig kalibriert. Dies war nötig, da das System um die Spalthöhe Null singulär wird und die Kraft in etwa proportional zu 1/ℎ5 ist. Das Modell wurde um unterschiedliche Funktionalitäten erweitert, wie etwa die Betrachtung eingeschlossener Luftblasen, nicht-Newtonsche Fluide und den Einfluss der Gravitation. Zur Validierung dienten neben den gemessenen Kräften und Spalthöhen auch der zeitliche Verlauf der Fließfront sowie die Geschwindigkeitsfelder innerhalb des Fluids, welche mit zugeführten Partikeln und einer anschließenden Particle Image Velocimetry ausgewertet wurden. Sowohl bei den Quetschflussversuchen als auch bei den Injektionsversuchen zeigte sich in Bezug auf alle ausgewerteten Kriterien eine sehr gute Übereinstimmung. Weiterhin wurde das Modell an einfachen Fällen mit kommerziellen CFD-Modellen verglichen. Dabei zeigten sich nahezu identische Ergebnisse und eine um mehrere Größenordnungen performantere Simulation mit dem PFGM. Auf dieser Basis war es möglich, breit angelegte Optimierungsstudien zu idealen initialen Auftragsmustern durchzuführen. Diese konnten anschließend experimentell erfolgreich validiert werden. Das Modell stellt somit ein breites Fundament für ein breites Spektrum an weiterführenden Fragestellungen dar, in denen die Vorhersage des Klebstoffflusses und dessen Endverteilung prozessrelevant sind. Fibre-reinforced polymers, high-strength steels and modern multi-material lightweight construction are leading to a rapid increase in the use of adhesive bonding technology. The final position of the adhesive or sealant is crucial for the quality of the end product. Air pockets or underfilling of the gap can lead to a loss of load-bearing capacity, among other things. There are no guidelines for a targeted approach or efficient numerical tools for predicting gap filling. This often leads to unnecessary overfilling of the adhesive gap, resulting in excess adhesive leakage. In addition to its initial position, the subsequent joining process by placing the second component on top is particularly crucial for the final position of the adhesive. This results in a squeeze flow between the parts being joined in the narrowing gap. Only by controlling this flow can the desired gap filling be achieved within the design tolerances. Conventional simulations with commercially available software tools usually describe multiphase flows based on the Navier-Stokes equations. The geometric conditions of an adhesive joint, which is often only a few tenths of a millimetre high but sometimes several metres long, often lead to numerical instabilities or excessive computing times. This was the starting point for this project. It used modelling methods that have been established in tribology for 150 years and were developed specifically for systems with the given length ratios. A special form of this model concept is the self-developed Partially-Filled-Gaps Model (PFGM), which explicitly represents the ‘fluid’ and ‘air’ phases. In order to validate this model for adhesive bonding problems, special test rigs based on a Hele-Shaw cell were developed and extensively calibrated. This was necessary because the system becomes singular at a gap height of zero and the force is approximately proportional to 1/h^5. The model was enhanced with various functionalities, such as the consideration of trapped air bubbles, non-Newtonian fluids and the influence of gravity. In addition to the measured forces and gap heights, the temporal course of the flow front and the velocity fields within the fluid, which were evaluated with added particles and subsequent particle image velocimetry, were also used for validation. Both the squeeze flow tests and the injection tests showed very good agreement with regard to all evaluated criteria. Furthermore, the model was compared with commercial CFD models in simple cases. This revealed almost identical results and a performance improvement of several orders of magnitude using the PFGM. On this basis, it was possible to carry out a wide range of optimisation studies on ideal initial application patterns. These were then successfully validated experimentally. The model thus provides a broad foundation for a large spectrum of further questions in which the prediction of adhesive flow and its final distribution are relevant to the process.