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Open Access
Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Widerstandsschweißen endlosfaser- und kurzfaserverstärkter thermoplastischer Hochleistungsstrukturen
(2013) Freist, Carsten; Voggenreiter, Heinz (Prof. Dr.-Ing.)
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.