Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Widerstandsschweißen endlosfaser- und kurzfaserverstärkter thermoplastischer Hochleistungsstrukturen

Abstract

Der Anteil von faserverstärkten Leichtbau-Kunststoffen hat über die letzten Jahre in nahezu allen industriellen Bereichen zugenommen. Die vergleichsweise junge Werkstoffklasse der faserverstärkten Kunststoffe zeichnet sich unter anderem durch ein großes Leichtbaupotenzial, hohe Steifigkeiten, gute Schlagzähigkeit, gute Medienbeständigkeit und ein hohes Potential an integrativer Gestaltung aus [6, 9]. Zu dem aktuellen Forschungsstand sind die Automatisierbarkeit, die NDT-Qualifizierung sowie die Fügeproblematik offene Themenfelder, die den industriellen Einsatz von FVKs einschränken. Das Motivation dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines Fügeverfahrens für CFK-Strukturen mit dem Schwerpunkt einer ingenieursmäßig Applizierung. Die Erkenntnisse und Einflüsse werden auf vereinfachte Modelle reduziert, um gesamtheitlich berücksichtigen werden zu können. Wesentliche, aus dieser Motivation resultierende Aspekte sind die Fertigungsparameter, Vertrauensbereiche und die Kontrolle der auftretenden Fügephänomenen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag im Bereich der Grundlagenforschung des Widerstandsschweißens für thermoplastische, faserverstärkte Hochleistungskunststoffe. Dies umfasst die phänomenologische Analyse des Verfahrens sowie den Aufbau eines makroskopischen Modells für eine numerische Applikation in ANSYS. Die Problemformulierungen resultieren aus den experimentell identifizierten Verhalten und Phänomenen sowie deren numerischen Beschreibung. Die Basis dieser Arbeit sind eine umfassende experimentelle Analyse des Widerstandsschweißprozesses über mehreren Skalen sowie eine systematische Prozessoptimierung. Die identifizierten Phänomene wurden numerisch abgebildet, bewertet und verifiziert. Die empirischen und numerischen Analysen zeigen, dass der Fügeprozess wesentlich durch zwei Effekte, den „Randeffekt“ sowie den „Stromkurzschlusseffekt“ beeinflusst wird. Diese Effekte sind auf die Interaktion zwischen Beschränkungen aus dem Prozessaufbau mit dem anisotropen Materialverhalten der faserverstärkten Kunststoffe zurückzuführen. Analysen zeigen, dass die Gestaltung des Schweißelementes und der Prozessaufbau einen wesentlichen Einfluss auf die Prozesssicherheit haben. Basierend auf den Erkenntnissen wurde ein mit Glasfaserisolierungsgewebe vorkonsolidiertes Edelstahlgitter basiertes Element entwickelt. Die Präparation der Schweißelemente in einem Konsolidierungsprozess verbessert die Fasermatrixanbindung und verhindert Lufteinschlüsse in dem Schweißelement, die zu lokalen „Hot Spots“ führen können. Weitere Vorteile dieser Konfiguration sind das Handling, die gute Prozessierbarkeit sowie die Homogenisierung der Temperaturverteilung über die Fügefläche. Über eine vollfaktorielle Prozessanalyse wurde für APC2-APC2 und APC2-450CA30 Werkstoffpaarungen ein Prozessoptimum, sowie der Vertrauensbereich ermittelt. In dem numerischen Modell sind die Phasen des Fügeprozesses sowie alle identifizierten prozessualen Einflüsse wie die Wärmeentwicklung, die Oberflächenrauheiten, die Mirkokontaktierung in der Schmelphasenausbildung oder die Konsolidierung und Rekristallisation berücksichtigt. Dies umfasst die Bewertung unterschiedlicher Wärmeübergangsmodelle, Konvektionseinflüsse und Materialmodelle. Die Modelle wurden sukzessive über mehrere Skalen aufgebaut und evaluiert. Die verifizierten Modelle wurden final auf ein makroskopisches Modell abstrahiert. Am Beispiel eines generischen Vorflügels wurde die Verschweißung numerisch simuliert. Die Erkenntnisse flossen in den Prozessaufbau, sowie die Gestaltung des Schweißprozesses für einen Prototypen ein. Dadurch konnte der experimentelle Aufwand reduziert werden. Die experimentelle Umsetzung zeigte eine gute Konkordanz zu den numerischen Ergebnissen.

During the past decade, the amount of fiber reinforced plastics for secondary and primary parts within nearly all industrial branches has been raising. This comparatively young class of materials is characterized among others by a potential for lightweight design, high strength and rigidness as well as integrative design [6, 9]. Concerning the current state of research, the automation, the non destructive qualification and the part joining are still not completely answered topics which limit the industrialization of FVKs. Motivation for this work are the enhancements of a joining technology for CFK structures with the main focus on an engineering application. the results, insights and influences were adapted on reduced models, to ensure that the entire process with its phenomena is considered. main aspects are the engineering process, the confidence ranges and the control of the occurring joining phenomena. This work makes a contribution to the resistance welding technology for thermoplastic fiber reinforced high performance plastics. This implies the phenomenological analysis of the process and the evolution and configuration of a numeric model of the welding process in ANSYS. The formulation of the problem results in the phenomena of the process and the numeric description of the experimentally identified characteristics. The analysis contain a detailed process analysis and an iterative and systematic process optimization on several scales. The empirical and numerical analysis showed, that the process is fundamentally affected by two effects, called the “edge effect” and the “current short-circuit”. These effects occur due to interactions between the anisotropic material behavior and restrictions caused by the process structure and the welding rig. The experimental studies showed, that the configuration of the welding element and the process assembly have a substantial influence on the reliability of the welding process reliability. Based on the analysis and scientific expertise, a stainless steel welding element was engineered. The heating element was pre-consolidated with a fiber glass isolation layer within a vacuum consolidation process. The consolidation process improves the fiber matrix interconnection and prevents cavities within the welding element, which can lead to local hot spots. Further advantages of this configuration of the welding element are an easy processing, good handling and a homogenized temperature distribution and heating up over the joining area. For this configuration a full factorial process analysis for APC2-APC2 and APC2-450CA30 material combination were determined to identify the process optimum and dependencies. The numerical model contains the identified phases of the process as well as characteristic influences like the heat development and distribution, influences of the surface roughness, the mikrocontact and the melt development, the consolidation or the re-crystallization. Therefore different heat transition models, convection influences and material models were analyzed and rated. The models were gradually evaluated over several scales. The verified models were finally abstracted and combined within a macroscopic model. A numerical model, the welding of a rib within a slat structure, was build up, analyzed and evaluated. The insights, affecting the setup and the processing were integrated in the hardware of the prototype. The numeric results helped to reduce the experimental efforts. The numeric output attested a high accordance with the real process data.