Seite - 177 - in Induktionsfügen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen
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8 Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige Fügetechnik zur Herstellung einer stoffschlüssigen
Verbindung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen für die industrielle Anwendung in der
automobilen Karosseriefertigung entwickelt und analysiert. Untersucht wurde das Schweißverfahren
an artgleichenFügepartnern aus carbonfaserverstärktenPolyamid 66 inKöperbindung.Das Schweiß-
verfahrenzeichnet sichdurcheineflächigeAnbindungaus,beiderenHerstellungdieFaser imVerbund
nicht geschädigt wird. Darüber hinaus ist vor der Verschweißung der Bauteile keine spezifische Vor-
behandlung der zu fügenden Flächen notwendig. Zur Herstellung einer belastbaren Verbindung ist
lediglich ein Schutz vor starker Verschmutzung durch Stäube undÖle nötig, sowie die üblichenAn-
forderungen an die Bauteiltoleranzen von±0,3mm, um dieMaßhaltigkeit der Zusammenbauten zu
gewährleisten.DieSpaltüberbrückungwirddurchdenappliziertenFügedruckderKonsolidierungsrolle
realisiert.
Voraussetzung fürdieHerstellung einer stoffschlüssigenVerbindungderMatrixwerkstoffebeiderBau-
teile, besteht in der homogenenPlastifizierung durch eine temperaturgeregelte induktiveErwärmung
der vorhandenenCarbonfasern ohne zusätzliche Schweißhilfsmittel. Durch denNachweis eines repro-
duzierbaren Zusammenhangs der Oberflächentemperatur und der Fügezonentemperatur konnte die
Voraussetzung für die Ist-Wert-Betrachtung nachgewiesenwerden.Hierzumusste zunächst dieMess-
eignungderCFRTP-WerkstoffedurchpyrometrischeTemperaturmessungbelegtwerden.DerZusam-
menhang und dieMessgenauigkeit wurden hierbei ermittelt und derGültigkeitsbereich entsprechend
eingeschränkt. Durch die Einflussanalyse der System- und Prozessparameter kann dieWirksamkeit
der Stell- undRegelgrößen nachgewiesenwerden. ImSinne der technischenUmsetzungwird der Pri-
märspulenstrom als fähige Stellgröße und die Oberflächentemperatur als Regelgröße verwendet. Die
frequenzabhängigeTiefenwirkungder induktivenErwärmungwird fürGelege- undGewebe-Laminate
mit Carbonfasern untersucht. Der Einfluss der Faserkreuzungspunkte innerhalb des Laminates wird
hinsichtlichderglobalenund lokalenHeizleistunguntersuchtundderZusammenhangzwischenzuneh-
menderHäufigkeitvonKreuzungspunktenundderHeizratebelegt. ImRahmendiesesUntersuchungs-
schwerpunkteskonntenachgewiesenwerden,dassdieFaserorientierungEinfluss aufdieWärmeleitung
innerhalb des Laminates besitzt. Die Untersuchungen werden durchMessreihen mit einer Thermo-
grafiekameradurchgeführt.DerMessablauf unddieMessmittelfähigkeitwurde zuvor anProbeplatten
durchgeführt, in welcheThermoelemente InSitu eingebracht wurden. Es konnte so derAbgleich zwi-
schen taktiler und berührungsloserTemperaturmessung durchgeführtwerden.
Zur Reduzierung des Aufwandes der Erstparametrierung und Einrichtaufwände wurde eine semi-
analytischeMethode entwickelt. Das auf die physikalischen Beziehungen nachMaxwell undBiot &
Savart basierende Modell wird iterativ durch die Radial-Basis-Funktion gelöst. Zur Befüllung der
Initialwerte sowie der Validierung werden dieMessungen der Oberflächentemperatur, mittels Ther-
mografiekamera,undderFügezonentemperatur,durchdie InSitueingebrachtenThermoelemente,ver-
wendet.
Der festigkeitsgebendeProzessschrittwährenddes kontinuierlichen Inudktionsschweißens von carbon-
faserverstärktenThermoplastenwirddurchdie lokaleKonsolidierungdesplastifiziertenFügeflansches
realisiert. Durch eine einstellbare Flüssigkeitskühlung derRolle, welche aus austenitischemEdelstahl
gefertigt ist, ermöglicht sich die gezielte Beeinflussung des Abkühlgradienten. Neben dem Abkühl-
Induktionsfügen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen
Inhaltsverzeichnis
- Abkürzungen XIV
- Symbolverzeichnis XVI
- 1 Einleitung 1
- 2 Stand derTechnik 11
- 2.1 ThermoplastischeKunststoffe 11
- 2.1.1 Grundlagen undEinteilung derKunststoffe 11
- 2.1.2 Werkstoffeigenschaften vonThermoplasten 12
- 2.1.3 FaserverstärkteThermoplaste 16
- 2.1.4 Herstellverfahren vonHalbzeugen undBauteilenmit thermoplastischerMatrix 21
- 2.1.5 Konsolidierung vonThermoplasten 22
- 2.1.6 Betrachtung des Schmelzschweißprozesses bei Thermoplasten 23
- 2.1.7 Prüfmethoden 23
- 2.1.8 Ermüdungsverhalten 29
- 2.1.9 ThermischeKunststoffkennwerte 31
- 2.1.10 BildgebendeAnalyseverfahren 32
- 2.1.11 Schadensanalyse 33
- 2.2 Grundlagen der induktivenErwärmung 33
- 2.3 Erwärmung carbonfaserverstärkterKunststoffe 44
- 2.4 Schweißbarkeit 48
- 2.5 Modelle zurmathematischenBeschreibung 51
- 2.1 ThermoplastischeKunststoffe 11
- 3 Aufgabenstellung 53
- 4 Systemtechnik undVersuchsaufbau 55
- 5 Plastifizierung derMatrix 97
- 6 Rekonsolidierung und Schweißnahteigenschaften 151
- 7 FertigungstechnischeUmsetzung 171
- 8 Zusammenfassung 177
- Literaturverzeichnis 178
- Abbildungsverzeichnis 189
- Tabellenverzeichnis 197
- A Zeichnungen, Tabellen undErklärungen 199
- A.1 Werkstoffeigenschaften undDatenblätter 199
- A.2 Numerische Lösungsverfahren 213
- A.3 Datenblätter und Spezifikation derAnlagentechnik 215
- A.4 Berechnungen zu den Strömungszuständen in derKonsolidierungsrolle 224
- A.5 Komponenten undProgrammumgebung derVersuchs-anlage 231
- A.6 Optimierungsmethode 234
- A.7 Festigkeitsuntersuchung 245
- A.8 Prozessfenster 246
- A.9 Prozessfähigkeitsuntersuchung 247
- B Veröffentlichungen 249