Forschungsberichte

Systematische Untersuchung zur metallischen Klettverbindung

Christoph Karl Hein

Das eingangs formulierte Ziel der Entwicklung einer metallischen Klettverbindung auf Basis der Vorbilder der Klette aus der Natur sowie des Kunststoffklettverschlusses konnte erreicht werden. Die Entwicklung der einzelnen Lösungsvarianten für die lösbare und wiederverwendbare Fügetechnik wurde beginnend mit der Ermittlung grundlegender Funktionsprinzipien über die Optimierung durch Simulationen und Prototypen sowie der entsprechenden Herstellungsverfahren bis hin zum seriennahen Musterbauteil und der Kennwertbestimmung durchgeführt.

Für die Grundlagenuntersuchungen und die einzelnen Entwicklungsschritte fanden je nach Entwicklungsphase unterschiedliche Prüfmethoden Anwendung. In der frühen Entwicklungsphase zur Optimierung der Bauteilgeometrien und der Fertigungsverfahren wurde die FEM-Simulation als Hilfsmittel verwendet. Als Prüfmethoden für die Prototypen kamen dabei Verfahren nach den DIN-Normen, für den Kopfzug, DIN 14272, und für den Scherzug, DIN 14273, zum Einsatz. Für die späteren Entwicklungsphasen und die Ermittlung der Kennwerte zur Auslegung der Fügeverbindung für potentielle Anwender wurde die bauteilähnliche Kopf-Scherzug-Probe des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF), Paderborn, auf die Bedürfnisse der Musterbauteile übertragen und zur Ermittlung der Verbindungsfestigkeit eingesetzt. Mittels des verwendeten Prüfkonzeptes konnten Kennwerte der Fügeverbindungen für die Lastfälle Schäl-, Kopf- und Scherzug dargestellt werden. Zusätzlich wurde der Einfluss einer mechanisch-thermischen Belastung auf die Fügeverbindung untersucht. Hierzu erfolgten Versuche bei Prüftemperaturen von Raumtemperatur bis T = 800°C für unterschiedliche Lastfälle.

Als Ergebnis der Arbeit liegen drei unterschiedliche Lösungsvarianten für eine metallische Klettverbindung vor. Die Handhabung der Varianten weist eine ähnlich hohe Flexibilität wie die des Kunststoffklettverschlusses auf. Mindestens einer der entwickelten Fügepartner ist, wie in der Zielvorgabe festgelegt, aus einem Blech gefertigt. Für die entwickelten Varianten konnte der Einsatzbereich bis zu Prüftemperaturen von T = 800°C nachgewiesen werden. In zyklischen Prüfungen mit zehn aufeinanderfolgenden Füge- und Lösezyklen wurde die Wiederverwendbarkeit belegt. Die Funktionsprinzipien der Schnappverbindung und der Haken-Ösen-Verbindung konnten in den Klettverbindungsvarianten umgesetzt werden. Es wurden die Varianten Schnappverbindung, Haken-Ösen-Verbindung I und Haken-Ösen-Verbindung II entwickelt. Die vorgestellten Lösungsvarianten und die in den Grundlagenuntersuchungen ermittelten Kennwerte zeigen das Potenzial der metallischen Klettverbindung für einen möglichen Einsatz in den verschiedensten Anwendungsbereichen. Insbesondere in Anwendungen, die eine gute Beständigkeit gegen thermische oder chemische Umgebungsbedingungen erfordern, können die Vorteile der metallischen Klettverbindung genutzt werden. Als Beispiel soll hier auf Hitzeabschirmbleche verwiesen werden, die im Bereich der Abgasanlage von Kraftfahrzeugen angebracht sind. Diese dienen zur thermischen Abschirmung des Motorraums vor der Abwärme der Abgasanlage. In diesem Bereich des Motorraums können Temperaturen von bis zu T = 600°C auftreten. Die Hitzeabschirmbleche müssen zum einen bei der Montage in einen meist begrenzten und schwer zugänglichen Bauraum angebracht und zum anderen im Laufe des Lebenszyklus eines Kraftfahrzeuges aufgrund von Verschleißerscheinungen mehrmals gewechselt werden . Zur Montage der Hitzeabschirmbleche werden daher derzeit meist Fügetechniken basierend auf Verschraubungen eingesetzt. Ein Einsatz der metallischen Klettverbindung hätte insbesondere bei den Montage- und Demontagearbeiten im Servicebereich erhebliche Vorteile hinsichtlich des Zeitaufwandes.

Für potentielle Anwendungen müssen allerdings weiterführende Untersuchungen durchgeführt werden, die jeweils von den speziellen Einsatzbedingungen abhängen. Neben den Grundlagen der Kennwerte aus der vorliegenden Arbeit sind daher noch Versuche unter Einsatzbedingungen und Feldversuche zur Bestimmung der Einsatzmöglichkeiten notwendig. Nur unter den jeweiligen Einsatzbedingungen einer spezifischen Anwendung ist es möglich, das Potential der metallischen Klettverbindung abzuschätzen. Die Grundlagenuntersuchungen zur Entwicklung der metallischen Klettverbindung zeigen den Weg der Entwicklung dieser neuartigen Fügetechnologie auf. Für die Abgrenzung des Einsatzbereiches der einzelnen Varianten, Schnappverbindung, HakenÖsen- Verbindung I und Haken-Ösen-Verbindung II, liefern die vorliegenden Untersuchungen die Kennwerte. Die Anwendungsmöglichkeit der Fügetechnik wurde nachgewiesen und in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung mit den spezifischen Testverfahren erprobt.