Finite-Elemente-Analyse (FEA) für 3M™ Klebebänder und Klebstoffe
Was ist eine Finite-Elemente-Analyse (FEA/FEM)?
Die FEA bietet Ingenieuren eine Reihe von Vorteilen, einschließlich der Möglichkeit, das Verhalten komplexer Systeme wie beispielsweise die Spannungen, Dehnungen und Deformationen bei verschiedenen Belastungen präzise vorherzusagen.
Dadurch können die Ingenieure mögliche Probleme identifizieren und Konstruktionsänderungen umsetzen, bevor ein physischer Prototyp erstellt wird.
Zudem kann die FEA eine kostengünstige Lösung darstellen, um die Anzahl der erforderlichen physischen Prototypen sowie die Zeit bis zur Markteinführung zu reduzieren. Das Tool ist überaus flexibel und in der Lage eine große Bandbreite an Systemen zu analysieren, einschließlich komplexer Baugruppen. Dabei kann auch nichtlineares Materialverhalten einbezogen werden.
Ingenieure können die FEA zur Optimierung des Systemdesigns verwenden, indem sie mit ihrer Hilfe die Materialauswahl, die Geometrie und die Belastungsbedingungen optimieren, um die gewünschte Performance sicherzustellen.
Und zu guter Letzt bietet die FEA auch detaillierte Visualisierungen des Systemverhaltens, mit deren Hilfe die Ingenieure zusätzliche Erkenntnisse gewinnen und Bereiche für mögliche Verbesserungen identifizieren können.
Relevante Materialien definieren
Ein Ingenieur erstellt eine Darstellung einer Baugruppe mit der Finite-Elemente-Software und definiert jedes Material von Interesse. Um mittels Simulationen eine Leistungsvorhersage durchführen zu können, definiert das Modell die Geometrien der Bauteile, ihre Beziehung zueinander und ihre Materialeigenschaften. Die Materialeigenschaften werden mittels eines Materialmodells definiert, welches das Verhalten wie die Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Materials beschreibt. Materialmodelle gehören zu den wichtigsten Eingabedaten einer FEA und beeinflussen direkt die Genauigkeit der abschließenden Ergebnisse der FEA des Anwenders.
Klebebänder
Bei Klebebändern handelt es sich um weiche, flexible, nicht-reaktive Klebstoffe, die eine Verbindung aufbauen, sobald Druck ausgeübt wird. Deren Materialverhalten ist viskoelastisch, was bedeutet, dass neben einer typischen Dehnraten- und Temperaturabhängigkeit deren Festigkeit auch proportional zur Rate der Deformation ist. Aufgrund viskoser Effekte wie der Spannungsrelaxation, können herkömmliche mechanische Eigenschaften wie der Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl, selbst wenn sie bei relevanten Dehnraten und Temperaturen erfasst werden, das physikalische Verhalten der Viskoelastizität und damit auch von Klebebändern nicht darstellen.
Strukturklebstoffe
Bei Strukturklebstoffen handelt es sich um reaktive Systeme, die hohen Belastungen standhalten können (>7 MPa Scherfestigkeit). Die Eigenschaften von Strukturklebstoffen reichen von flexibel bis zu sehr steif. Einige duktile Klebstoffe können sich stark plastisch verformen, bevor sie versagen. Die mechanische Reaktion von Strukturklebstoffen muss sowohl im elastischen wie auch im plastischen Bereich charakterisiert werden und sollte die Sensitivitäten gegenüber der Dehnrate und der Temperatur beinhalten.
3M ist einzigartig aufgestellt, um Klebstoffe zu charakterisieren
Klebstoffe zeigen andere Arten von mechanischen Verhaltensweisen als typische Konstruktionswerkstoffe wie Metalle, wenn sie anderen Belastungsbedingungen ausgesetzt sind. Das Erfassen dieser Effekte mit einem Materialmodell erfordert fortgeschrittene Test- und Kalibrierungsmethoden. 3M ist einzigartig positioniert, um diese Klebstoffe zu charakterisieren und um fortschrittliche Materialmodelle in einem Format bereitzustellen, das mit einer Vielzahl von Finite-Elemente-Software kompatibel ist.
Klebebänder und Strukturklebstoffe weisen unterschiedliche Materialeigenschaften auf, wodurch sie sich für unterschiedliche Anwendungen eignen. Es ist daher wichtig, zu verstehen, wie diese Eigenschaften sich auf die Anwendung auswirken. Die FEA-Modellierung ist ein Werkzeug, um das richtige Klebstoffsystem für die jeweiligen Anforderungen der Anwendung zu bestimmen.
Materialdatenkarte
Mithilfe sogenannter Materialkarten (Material Data Cards, MDC) kann das Materialverhalten in eine FEA integriert werden. Die Kalibrierung bestimmter Modelle zur Charakterisierung des Verhaltens von Klebstoffen erfordert bis zu fünf verschiedene Arten von Experimenten (Wiederholversuche nicht mitgerechnet) pro Dehnrate und Temperatur. Für die Validierung sind zusätzliche Experimente erforderlich. Da das Erstellen von MDCs eine Menge Knowhow, Software-Infrastruktur und umfassende experimentelle Tests erfordert, hat 3M MDCs zu häufig verwendeten 3M Klebstoffen und Klebebändern entwickelt, die für zahlreiche im Handel erhältliche FEA-Softwareanwendungen zur Verfügung stehen.
Die Materialmodelle, die bei handelsüblicher FEA-Software zur Verfügung stehen, können im Allgemeinen nicht sämtliche physikalischen Effekte wie Viskoelastizität, Schädigung und die damit einhergehende Entfestigung, das Dämpfungsverhalten, die Plastizität usw. für kleine und finite Deformationen abdecken. Daher bietet 3M verschiedene MDCs an, die sich für unterschiedliche Anwendungen eignen. Zu diesem Zweck würden wir gerne einige grundlegende Informationen zu Ihrer Anwendung erfragen, um Ihnen die am besten geeignete MDC zur Verfügung stellen zu können.
3M MDCs wurden bereits erfolgreich bei einer Reihe von Anwendungen eingesetzt wie etwa bei Festigkeitsprüfungen unter quasi-statischen sowie unter Crash- und Stoßbelastungen, bei Anpressdruckanalysen, bei Analysen hinsichtlich der Diskrepanz aufgrund von thermischer Ausdehnung oder bei Analysen von Geräuschen und Schwingungen (Noise, Vibration Harshness, NVH).
Wenn Sie Ihre Anwendung mit einem der FEA-Experten von 3M besprechen möchten, helfen wir Ihnen gerne weiter. Sprechen Sie uns an.
Ihr Ansprechpartner
Bei technischen Fragen zu Ihrer Anwendung oder unseren Produkten wenden Sie sich gerne an:
Philipp Dengel
Technischer Berater / Labor
Häufige Fragen
Die Finite-Elemente-Analyse ist ein numerisches Berechnungsverfahren, mit dem sich Bauteile, Baugruppen und Verbindungen unter realen Belastungen untersuchen lassen. Dabei wird ein Modell in viele kleine Elemente unterteilt, um Spannungen, Dehnungen, Verformungen oder thermische Einflüsse sichtbar zu machen. Für die Entwicklung von Klebeverbindungen ist FEA ein wichtiges Werkzeug, um das Verhalten einer Konstruktion frühzeitig bewerten zu können.
FEA wird genutzt, um Lastpfade, Spannungsverteilungen und kritische Bereiche innerhalb einer Klebfuge zu analysieren. So lässt sich erkennen, ob Geometrie, Werkstoffpaarung und Belastung zur geplanten Anwendung passen. Das ist besonders relevant, wenn Bauteile aus unterschiedlichen Materialien verbunden werden oder wenn Gewicht, Bauraum und Dauerhaltbarkeit eine zentrale Rolle spielen.
FEA unterstützt dabei, Konstruktionen schon in einer frühen Phase belastbar zu bewerten. Das kann helfen, Entwicklungszeiten zu verkürzen, Varianten schneller zu vergleichen und die Anzahl physischer Prototypen zu reduzieren. Außerdem liefert die Methode wertvolle Erkenntnisse für die Auslegung von Klebeverbindungen, etwa zur Lastübertragung, zur Gestaltung der Fügezone oder zur Vermeidung lokaler Spannungsspitzen.
Nein. FEA ist ein sehr leistungsfähiges Werkzeug, ersetzt aber keine anwendungsbezogene Validierung. Simulationen sind immer so belastbar wie die zugrunde liegenden Randbedingungen, Materialdaten und Modellannahmen. In der Praxis ist die Kombination aus Berechnung, Laborprüfung und Erfahrung entscheidend, um eine Kleblösung sicher und wirtschaftlich auszulegen.
Wesentlich sind genaue Materialkennwerte, realistische Lastfälle, Randbedingungen, Temperaturbereiche und Informationen zur Bauteilgeometrie. Bei Klebeverbindungen kommen zusätzliche Faktoren hinzu, etwa Schichtdicke, Fügeteildesign, Steifigkeitsunterschiede der Werkstoffe und das Verhalten des Klebstoffs unter statischer, dynamischer oder thermischer Belastung. Je präziser diese Daten vorliegen, desto besser lässt sich das reale Verhalten abbilden.
Ergebnisse sollten nie isoliert betrachtet werden. Entscheidend ist, ob Modell, Lastannahmen und Materialdaten zur realen Anwendung passen. Hohe Spannungen im Modell müssen zum Beispiel nicht automatisch einen Ausfall bedeuten, wenn die Randbedingungen unvollständig angesetzt wurden oder das Materialverhalten vereinfacht dargestellt ist. Deshalb ist Erfahrung bei der Bewertung der Resultate ebenso wichtig wie die reine Berechnung.