DFG-Forschergruppe 524

Teilprojekt 2

Diskontinuierliches Induktionsschweißen von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden

 

Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang

Bearbeitung: Dr.-Ing. Rudi Velthuis (Promotion 2007), M. Eng. Mirjia Didi

Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) GmbH

 

Zusammenfassung
Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung einer innovativen Fügetechnik für thermoplasti­sche Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit Metallen. Zum Fügen der Werkstoffe soll das In­duktionsschweißen eingesetzt werden. Die Induktionserwärmung bietet aufgrund des sehr hohen Energieeintrags und der großen Flexibilität bezüglich der realisierbaren Fügenahtformen und somit realisierbarer Bauteilgeometrien ein enormes technologisches und wirtschaftliches Poten­zial. Schwerpunkt der Arbeiten sind grundlegende Untersuchungen zum Aufheizverhalten des FKV im Kontakt mit dem metallischen Fügepartner, der Ausbildung und Modellierung opti­mierter Induktorgeometrien sowie in der ersten Phase die Konzeption und Umsetzung einer dis­kontinuierlichen Induktionsschweißtechnik. Hierzu müssen die Verfahrensschritte evaluiert und ein optimierter Prozesszyklus für typische Verstärkungsaufbauten entwickelt werden. Einen weite­ren Schwerpunkt bildet die Prozesskontrolle als Voraussetzung für den Übergang auf eine auto­matisierbare Fügetechnik.

 

Stand der Forschung
Hybridverbindungen: Im BMBF-Verbundprojekt "FügeKunSt" [1] wird das mechanische Fügen, Kleben und die Kombination dieser Verfahren für den Einsatz bei FKV untersucht. [2] berichtet über den Einsatz der Widerstands- und Induktionserwärmung für das Kleben von CF/PEEK-Aluminium-Verbunden. Das Hybridfügen von CFK und Magnesium durch Stanznieten und Kleben wird in [3] beschrieben. Eine Kombination aus Kleben und Nieten für CFK und Aluminium wird in [4] dargestellt. Zum Umspritzen von Metallstrukturen (Insert/Outsert-Techniken) liegen einige Veröffentlichungen vor (siehe auch SFB 396) [5, 6, 7, 8]. Im Bereich des Punktschweißens von verstärkten Thermoplasten gibt es erste Ansätze in [9]. Schweißen von FKV: Ein Prozessmodell zum Widerstandsschweißen wird in [10] beschrieben. Untersuchungen zum Vibrationsschweißen von kurz- und glasmattenverstärkten FKV werden in [11] und zum Heizelementschweißen in [12, 13] vorgestellt. In [14] wurde die erziel­bare Zug­scherfestigkeit mikrowellengeschweißter glasfasergewebeverstärkter Thermo­plaste untersucht. Bisherige Untersuchungen zum Induktionsschweißen von thermoplastischen FKV beschränken sich auf Parameterstudien [15].

 

Eigene Vorarbeiten und Ziele
Bisherige Arbeiten befassten sich unter anderem mit dem Imprägnierverhalten in der Doppelbandpresstechnik [16] und dem Schweißen von kontinuierlich faserverstärkten Hochleistungsthermoplasten (CF/PEEK, CF/PPS) sowie technischen Thermoplasten (CF/PA12, GF/PA12, GF/PP) [17, 18]. Um eine technologische und wirtschaftliche Alternative zum Vibrationsschweißen zu erhalten, wurde ein neuartiger kontinuierlicher Induktionsschweißprozess entwickelt, sowie die notwen­dige Anlagentechnik im Labormaßstab aufgebaut, der Prozess analysiert und modelliert. Durch diese Entwicklung besitzt der Antragsteller umfangreiche Kenntnisse auf dem Gebiet der Induktionserwärmung von thermoplastischen FKV [19, 20]. Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, dass Größe und Form der Erwärmungszone sowie der Wärmeeintrag von der Induktorgeometrie aber auch vom verwendeten Verstärkungsgewebe beeinflusst werden. Für kohlenstofffasergewebeverstärkte Thermoplaste wurde festgestellt, dass die Erwärmungsgeschwindigkeit und das erwärmte Laminatvolumen von der Gestalt des Magnetfeldes, d.h. der Feldstärkeverteilung im Raum, bestimmt werden. Durch Vorversuche mit nicht optimierten Prozessparametern zur Induktionsschweißung von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden konnte eine Anhaftung des Organobleches an den metallischen Fügepartner erreicht und so die grundsätzliche Machbarkeit aufgezeigt werden.

 

Literatur (stark gekürzt)

[1] Lübbers, R., Kordisch, Th., Härtel, W., Rostek, W.: Fügetechnologie im Leichtbau: Tagungsband Karlsruher Arbeitsgespräche 2002, Karlsruhe, 2002, S. 205 - 213.

[2] Chan-Park, M. B., Ngew, H.-S., Yip, D. C.F., Er, Ch.-J., Zee, S.-W.: Heating methods for bonding thermo­plastics to aluminium alloy, Journal of Advanced Materials, Vol 33, No. 4, October 2001, S. 52-61

[3] N.N.: FuE für die industrielle Klebtechnik. Konstruktion, 4 April 2001, S. 53-54.

[4] Rosselli, F., Carbutt, P.: Structural Bonding Applications for the Transportation Industry, SAMPE Journal, Vo. 37, No. 6, November/December 2001, S. 7-13.

[5] Goldbach, H., Hoffner, J.: Hybridbauteil in der Serienfertigung. Kunststoffe 87, 9/97, S. 1133-1138.

[6] Koch, B., Knözinger G., Pleschke, T., Wolf, H.: Hybrid-Frontend als Strukturbauteil. Kunststoffe 89, 3/99, S. 82-86.

[7] G. Zhao, G. W. Ehrenstein: Tragende Metall-Kunststoff-Bauteile geben Leichtbau Impulse. Maschinenmarkt 30/31/2000, S. 40 - 41.

[8] G. W. Ehrenstein, G. Zhao: Investigation of Thin-Walled Thermoplastic Metal Hybrid. ANTEC 99, 2-6, Mai, New York.

[9] Eifler, D., Wagner, G., Krüger S.: Ultraschallschweißen textiler Strukturen. Tagungsband 8. Nationales Sy­sposium SAMPE Deutschland e.V., Kaiserslautern, 2002.

[10] Holmes , S.T., Don, R.C., Gillespie Jr., J.W.: Application of an Integrated Process Model for Fusion Bonding of Thermoplastic Composites. Proceedings "ANTEC `94", San Francisco/USA (1994), S.1334-1340.

[11] Giese, M.: Fertigungs- und werkstofftechnische Betrachtungen zum Vibrations­schweißen von Polymerwerk­stoffen. Dissertation an der Universität Erlangen-Nürnberg 1995.

[12] Potente, H., Brüßel, A.: Heizelementschweißen von gefüllten und verstärkten Thermoplasten. Schweißen & Schneiden, 50 (1998), 3, S. 172-179.

[13] Potente, H.: Zur Theorie des Heizelement-Stumpfschweißens. Kunststoffe 67 (1977), 2, S. 98-102.

[14] Jauss, M., Emmerich, R., Eyerer, P.: Joining of Thermoplastic Composites by Bolts and Microwave Welding. Proceedings "ICCM-11", Gold Coast/Australien (1997), S. VI-65 - VI-73.

[15] Leatherman, A.F.: An Introduction to Induction Bonding of Reinforced Thermoplastics. Proceedings "ANTEC ´83", (1983), S. 214-216.

Liste der eigenen Veröffentlichungen zum Thema (stark gekürzt)

[16] Wöginger, A., Blinzler, M., Mitschang, P., Neitzel, M.: Novel Processing Technique for Semi-Finished Con­tinuous Fibre Reinforced Thermoplastic Sheets. Proceedings ,Materials Week 2001', München, Deutschland (2001)

[17] Rudolf, R.: Entwicklung einer neuartigen Prozess- und Anlagentechnik zum Fügen von thermoplastischen Fa­ser-Kunststoff-Verbunden; Kaiserslautern: IVW GmbH, IVW-Schriftenreihe, Band 10, 2000.

[18] Rudolf, R., Mitschang, P., Neitzel, M.: Induction heating of continuous carbon-fibre-reinforced thermoplastics. Composites Part A 31 (2000), 11, S. 1191-1202.

[19] Rudolf, R., Mitschang, P., Neitzel, M., Rückert, C.: Welding of High-Performance Thermoplastic Composites. Polymers & Polymer Composites 7 (1999), 5, S. 309-315.

[20] Mitschang, P., Rudolf, R., Neitzel, M.: Continuous Induction Welding Process, Modelling and Realisation. Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol. 15, März (2002), S. 127-153

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