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Induktionsfügen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen
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46 2. STANDDERTECHNIK Tabelle 2.5: Arten der induktivenFasererwärmung nach [83]. Ohm‘scheVerluste Rf =ρf · lfAf Übergangswiderstand Rj=Rjc DielektrischeVerluste Rjd= hw·e0·κ·(tanα)·d2f AnPrepregshatMiller [86] bereitsUntersuchungenhinsichtlichderAuswirkungdesÜbergangswider- standes durchgeführt und abgeleitet, dass eine gute elektrischeKontaktierung zwischen denFaserro- vings die Voraussetzung für eine gute induktive Erwärmung darstellen. Bei Studien an gut konsoli- dierten LaminatenmitKohlenstofffasern hat Fink [87] festgestellt, dass trotz isolierter Fasern, durch dielektrischenVerluste eineErwärmungdurch Induktionmöglich ist.Hierfür ist ein polaresPolymere als Isolatornotwendig.AusdiesenErgebnissenunddeneigenenUntersuchungenanbewusst erzeugten LaminatenmitguterundwenigerguterelektrischerKontaktierungzwischendenFaserrovingshatYar- lagadda [83] eingesamtheitlichesModell zur induktivenErwärmungvonüberkreuzendenFaserrovings inThermoplastelaminaten hergestellt. Dieses wird durch die inTabelle 2.5 formuliertenGleichungen für die Einzelwiderstände beschrieben.Die Zusammenführung dieser erfolgt nachGleichung 2.35, die wiederum für die Leistungsberechnung in Gleichung 2.34 eingesetzt werden kann. Der schematische Zusammenhang ist inAbbildung 2.29 zu sehen. RW =Rf+Rj+Rjd (2.35) Aus der Annahme, dass der Einfluss derMenge anKontaktstellen durch Faserkreuzungenwesentli- chen Einfluss auf die induktive Erwärmbarkeit und Leistungseinbringung hat, lässt sich ein Einfluss derFaseranordnungunddesFaservolumengehaltes im labortechnischenUmfeld vermuten. Ferner be- trachtet Yarlagadda in seinen Untersuchungen den Einfluss der einzelnen Erwärmungsmechanismen an normierten Kenngrößen. Hierbei kommt er zu dem Schluss, dass der Anteil der Heizleistung an den Faserkreuzungspunkten höher ist als durch dieOhm‘schen Verluste entlang der elektrisch lei- tenden Fasern. Hierbei werden der Einfluss durch dielektrische Verluste und Verluste aufgrund des Übergangswiderstandes zusammengefasst. Ebenso kommtdiese Studie zu demSchluss, dass eineÄn- derung an den elektrischen undmagnetischen Eigenschaften den Einfluss der Faserkreuzungspunkte
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Induktionsfügen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen
Titel
Induktionsfügen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen
Autor
Thomas Forstner
Verlag
Verlag der Technischen Universität Graz
Ort
Graz
Datum
2020
Sprache
deutsch
Lizenz
CC BY 4.0
ISBN
978-3-85125-770-0
Abmessungen
21.0 x 29.7 cm
Seiten
274
Kategorie
Technik

Inhaltsverzeichnis

  1. Abkürzungen XIV
  2. Symbolverzeichnis XVI
  3. 1 Einleitung 1
    1. 1.1 Faserverbund-Werkstoffe imLeichtbau 1
    2. 1.2 Potential thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde 2
    3. 1.3 FaserverbundgerechteVerbindungstechnik 5
  4. 2 Stand derTechnik 11
    1. 2.1 ThermoplastischeKunststoffe 11
      1. 2.1.1 Grundlagen undEinteilung derKunststoffe 11
      2. 2.1.2 Werkstoffeigenschaften vonThermoplasten 12
      3. 2.1.3 FaserverstärkteThermoplaste 16
      4. 2.1.4 Herstellverfahren vonHalbzeugen undBauteilenmit thermoplastischerMatrix 21
      5. 2.1.5 Konsolidierung vonThermoplasten 22
      6. 2.1.6 Betrachtung des Schmelzschweißprozesses bei Thermoplasten 23
      7. 2.1.7 Prüfmethoden 23
      8. 2.1.8 Ermüdungsverhalten 29
      9. 2.1.9 ThermischeKunststoffkennwerte 31
      10. 2.1.10 BildgebendeAnalyseverfahren 32
      11. 2.1.11 Schadensanalyse 33
    2. 2.2 Grundlagen der induktivenErwärmung 33
      1. 2.2.1 Erzeugung des elektromagnetischenFeldes 33
      2. 2.2.2 Magnetismus 37
      3. 2.2.3 Anlagentechnik 38
      4. 2.2.4 PhysikalischeProzessbeschreibung 42
    3. 2.3 Erwärmung carbonfaserverstärkterKunststoffe 44
      1. 2.3.1 FaserspezifischeErwärmungsmechanismen 45
      2. 2.3.2 Anwendung 47
    4. 2.4 Schweißbarkeit 48
    5. 2.5 Modelle zurmathematischenBeschreibung 51
      1. 2.5.1 NumerischeBerechnungs- und Simulationsmodelle 51
      2. 2.5.2 AnalytischeBerechnungsmodelle 51
  5. 3 Aufgabenstellung 53
    1. 3.1 Problembeschreibung 53
    2. 3.2 Zielsetzung undLösungsansatz 53
  6. 4 Systemtechnik undVersuchsaufbau 55
    1. 4.1 Messtechnik 55
      1. 4.1.1 Taktile Temperaturmessung 55
      2. 4.1.2 Thermografie 57
      3. 4.1.3 Pyrometer 63
      4. 4.1.4 Kraft- undGeschwindigkeitsmessung 63
    2. 4.2 Prozessanalyse 63
    3. 4.3 Auslegung der Systemkomponenten 65
      1. 4.3.1 Systemtechnik zur induktivenErwärmung 67
      2. 4.3.2 Systemtechnik zurRekonsolidierung 70
      3. 4.3.3 Geregelte Prozessführung 82
      4. 4.3.4 Prozessdatenerfassung 87
      5. 4.3.5 Versuchsaufbau 87
    4. 4.4 Diskussion 96
  7. 5 Plastifizierung derMatrix 97
    1. 5.1 Funktionsweise der Erwärmung 97
    2. 5.2 ExperimentelleUntersuchung 98
      1. 5.2.1 PyrometrischeTemperaturmessung 98
      2. 5.2.2 Einfluss der Systemparameter 106
      3. 5.2.3 Einfluss der Prozessparameter 125
      4. 5.2.4 Wärmetransportverhalten 131
      5. 5.2.5 Erwärmungsverhaltenwährend des kontinuierlichen Schweißprozesses 133
    3. 5.3 Optimierung derProzessparameter 139
      1. 5.3.1 Modelle zurBeschreibung derEnergieeinbringung 139
      2. 5.3.2 Verwendetes Lösungsverfahren 141
      3. 5.3.3 Durchführung derOptimierung 144
      4. 5.3.4 Validierung desOptimierungsmodells 144
      5. 5.3.5 DynamischesBerechnungsmodell 145
    4. 5.4 Prozessfenster 145
    5. 5.5 Diskussion 149
  8. 6 Rekonsolidierung und Schweißnahteigenschaften 151
    1. 6.1 Rekonsolidierung teilkristalliner Polyamide 151
      1. 6.1.1 Wärmetransportmechanismenwährend derRekonsolidierung 151
      2. 6.1.2 ExperimentelleUntersuchung derKonsolidierungsparameter 152
      3. 6.1.3 Ablauf derRekonsolidierung 153
    2. 6.2 Eigenschaften der Schweißverbindung 155
      1. 6.2.1 Oberflächeneigenschaften 155
      2. 6.2.2 Bruchflächen 155
      3. 6.2.3 Analyse derVerbindungsfestigkeit 157
      4. 6.2.4 Eigenschaften desGrundwerkstoffs 158
      5. 6.2.5 Einfluss der Schweißrichtung 163
      6. 6.2.6 Schadensanalyse der Induktionsschweißnaht 163
    3. 6.3 Diskussion 169
  9. 7 FertigungstechnischeUmsetzung 171
    1. 7.1 Fügeaufgabe 171
      1. 7.1.1 Zugänglichkeitsuntersuchung 172
      2. 7.1.2 Qualität der Schweißverbindung 172
    2. 7.2 Bewertung derGerätetechnik 173
    3. 7.3 Bewertung derProzesseignung undFähigkeit 173
    4. 7.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 174
  10. 8 Zusammenfassung 177
    1. Literaturverzeichnis 178
    2. Abbildungsverzeichnis 189
    3. Tabellenverzeichnis 197
    4. A Zeichnungen, Tabellen undErklärungen 199
      1. A.1 Werkstoffeigenschaften undDatenblätter 199
        1. A.1.1 ZustandsbereicheThermoplaste 199
        2. A.1.2 Probekörpermit In-Situ-Thermoelemente 202
        3. A.1.3 Kennzahlen zumWärmetransport 203
        4. A.1.4 Prepreg 204
        5. A.1.5 Thermoplaste 207
        6. A.1.6 Vlieswerkstoffe 209
        7. A.1.7 Ermüdungsverhalten und dynamischeWerkstoffauslegung 211
        8. A.1.8 Magnetisums 211
      2. A.2 Numerische Lösungsverfahren 213
      3. A.3 Datenblätter und Spezifikation derAnlagentechnik 215
      4. A.4 Berechnungen zu den Strömungszuständen in derKonsolidierungsrolle 224
      5. A.5 Komponenten undProgrammumgebung derVersuchs-anlage 231
      6. A.6 Optimierungsmethode 234
      7. A.7 Festigkeitsuntersuchung 245
      8. A.8 Prozessfenster 246
      9. A.9 Prozessfähigkeitsuntersuchung 247
    5. B Veröffentlichungen 249
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