Induktives Schweißen von thermoplastischen Faser-Kunststoff- Verbunden und hybriden Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden

Abbildung 1

Abbildung 1

Mirja Didi und Martina Hümbert, Peter Mitschang Faserverstärkte Thermoplaste erfreuen sich in vielen Bereichen steigender Beliebtheit. Sie vereinen Vorteile wie eine hohe Energieabsorption, unbegrenzte Lagerbarkeit und kurze Zykluszeiten, welche zum Beispiel für die Automobilindustrie einen Vorteil gegenüber den Duroplasten darstellt. Die Komplexität von kontinuierlich faserverstärkten thermo- plastischen Bauteilen ist allerdings häufig eingeschränkt, da sie meist in Press- und Umformverfahren hergestellt werden. Daher spielen Fügetechnologien eine wichtige Rolle. Am Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) wird das Induktionsschweißen genutzt um Bauteile effizient und berührungslos zu Fügen. Grundsätzlich stehen zwei Verfahren zur Verfügung: das kontinuierliche Induktionsschweißen zum Fügen von artgleichen faserverstärkten Thermoplasten und das induktive Punktschweißen zur Herstellung hybrider Verbindungen mit Metallen. In der Regel beruht ein Schweißprozess für faserverstärkte Thermoplaste darauf, dass das Polymer in der Fügezone aufgeschmolzen und anschließend konsolidiert und abgekühlt wird. Induktionsschweißen nutzt dazu ein elektromagnetisches Wechselfeld, das durch eine wassergekühlte Spule erzeugt wird. Dieser sogenannte Induktor ist Teil eines Schwingkreises, der von einem Generator mit einem hochfrequenten Wechselstrom angeregt wird. Das durch den Induktor erzeugte Feld induziert Wirbelströme in ein elektrisch leitfähiges Bauteil [1]. Dieses erwärmt sich aufgrund von Wärmeverlusten und führt durch Wärmeleitung zu einem Aufschmelzen des Polymers. An Anschließend werden die Fügepartner unter Druck verbunden und konsolidiert, um eine hohe Qualität der Fügung sicherzustellen.

Kontinuierliches Induktionsschweißen

Beim kontinuierlichen Induktionsschweißen wird der Konsolidierungsdruck durch eine Rolle aufgebracht, die direkt im Anschluss an den Induktor über die Fügezone bewegt wird [2]. Rolle und Induktor sind dazu in einen Kopf integriert, wie er in Abbildung 1 zu sehen ist. Da viele faserverstärkte Kunststoffe, wie z. B. glasfaserverstärkte Laminate, nicht leitfähig sind, wird in der Fügezone ein induktiv erwärmbarer Schweißzusatz, ein sogenannter Suszeptor, eingesetzt. Dieser kann zum Beispiel aus einem feinen Metallgitter oder auch magnetischen Partikeln bestehen. Metalle erwärmen sich aufgrund ohmscher Verluste [3], während Partikel die Energie durch magnetische Hystereseverluste umsetzen. Die entstehende Wärme wird durch Wärmeleitung in die Polymermatrix übertragen. Suszeptoren stellen jedoch meist Fremdkörper in der Fügezone dar, die den Verbund durch Spannungsspitzen und Korrosion schwächen können [4]. Um diese, durch den Suszeptor versuchten Probleme zu vermeiden, wurde am IVW das intrinsische Erwärmen des Bauteils untersucht. Da Kohlenstofffasern leitfähig sind, können diese direkt zum Induktionsschweißen genutzt werden. Erforderlich ist, dass geschlossene Leiterschleifen vorliegen, wie dies zum Beispiel bei Geweben der Fall ist [2]. Grundsätzlich kann man zwei verschiedene Erwärmungsmechanismen beobachten. Widerstandsverluste in den Fasern und an ihren Kreuzungspunkten erwärmen die Verstärkungsstruktur [3; 5]. Dielektrische Hystereseverluste dagegen erwärmen das Polymer zwischen zwei Fasern an Faserkreuzungen [3]. Dennoch stellt das Schweißen von kohlenstofffaserverstärkten Laminaten eine Herausforderung dar. Aufgrund der physikalischen Mechanismen, die beim Induktionsschweißen wirken, erwärmt sich das Laminat auf seiner dem Induktor zugewandten Seite in der Regel deutlich stärker.

Abbildung 2

Abbildung 2

Dies ist in Abbildung 2 qualitativ dargestellt. Verantwortlich dafür ist die Kombination aus zwei Effekten, die den Temperaturverlauf beim induktiven Erwärmen bestimmen. Zum einen der Skin- Effekt, der besagt, dass die Dichte eines Wechselstroms in einem Leiter immer an seiner Außenseite maximal ist [1]. Zum anderen die Stärke des elektromagnetischen Feldes, deren Abnahme überproportional zum Abstand vom Induktor ist [6]. Beim Erreichen der Schmelztemperatur in der Fügezone wird daher das Laminat immer über seine komplette Dicke aufgeschmolzen sein, was zu Poren, Dekonsolidierung, Polymerdegradation auf

der Oberseite und einem schwierigen Konsolidierungsprozess der Fügezone führen kann. Um dem entgegenzuwirken, wurde am IVW eine Vorrichtung zum Kühlen der induktornahen Seite entwickelt [7]. Durch eine Düse wird ein Luftstrom durch die Mitte des Induktors auf das Laminat gerichtet. Die Temperaturverteilung in Dickenrichtung wird dadurch umgekehrt und nicht die Induktorseite sondern die Fügezone wird zum heißesten Bereich im Bauteil. Der Einfluss der Kühlung wurde sowohl in Aufheizversuchen als auch in Simulationen mit der Software COMSOL Multiphysics untersucht. So konnten das Dekonsolidieren des Laminats erfolgreich reduziert und das Verbrennen der Oberseite verhindert werden.

Abbildung 3

Abbildung 3

Abbildung 3 zeigt eine ungekühlte und eine gekühlte Probe im Vergleich. In Zugversuchen wurde nachgewiesen, dass diese Verbesserungen bei mindestens gleichbleibend hoher Zugscherfestigkeit erreicht werden [8].

Induktives Punktschweißen für Hybridbauteile

Neben dem kontinuierlichen Induktionsschweißen wurde am IVW ein induktives Punktschweißverfahren entwickelt, welches das Schweißen von kleinen Bereichen unter Druck ermöglicht. Das Einsatzgebiet für dieses Fügeverfahren ist die Verbindung von Metallen mit faserverstärkten Thermoplasten. Der Induktor ist hierbei in einen ringförmigen Druckstempel integriert. Der Druckstempel zum Werkstück hin durch ein Inlay verschlossen. Der umschließende Druckstempel enthält eine Kühlkammer.

Abbildung 4

Abbildung 4

Abbildung 4 zeigt den Aufbau des Druckstempels mit dem Induktor. Das Inlay besteht aus einer Keramik und ist für das elektromagnetische Feld durchlässig. Der Schweißstempel wird auf den metallischen Fügepartner aufgesetzt und das Metall im Bereich des Schweißpunkts mittels eines elektromagnetischen Feldes erwärmt. Über Wärmeleitung gelangt die Wärme zum Thermoplast, der im Kontaktbereich aufgeschmolzen wird. Ist das Polymer im gesamten Fügebereich aufgeschmolzen, wird das elektromagnetische Feld abgeschaltet und die Verbindung unter Druck abgekühlt. Die Kühlung im Druckstempel erfüllt mehrere Aufgaben gleichzeitig. Zum einen verhindert die Kühlung das Aufheizen des umliegenden Materials. Da bei der Verschweißung von Metall und faserverstärkten Thermoplasten ein Wärmeeintrag in zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten stattfindet, kommt es nach dem Schweißen zu Verzug und es entstehen Spannungen im Bauteil. Durch die Kühlung wird das großflächige Aufheizen des Bauteils durch Wärmeleitung verhindert, was zu einer Minimierung des Verzugs und der dadurch auftretenden Spannungen führt. Somit ist auch die Größe des Schweißpunktes genau definiert. Durch das Zurückkühlen auf die Ausgangstemperatur im Anschluss an den Schweißprozess werden bei mehreren Schweißpunkten an einem Bauteil reproduzierbare Anfangsbedingungen geschaffen. Nachdem im Labormaßstab die Anlage entwickelt und einfach überlappte Zugscherproben verschweißt wurden, wurde dieses System an einen Industrieroboter adaptiert, um Demonstratorbauteile zu verschweißen. Abbildung 5 zeigt den Roboterkopf mit dem Demonstratorbauteil.

Abbildung 5

Abbildung 5

Es handelt sich um ein Hutprofil aus kohlenstofffaserverstärktem Polyamid 6.6, auf das eine Metallplatte bestehend aus einer Aluminium-Magnesium Legierung (AlMg3) mit mehreren Punkten verschweißt wurde. Die gute Verbindungsqualität wird auch durch Fasern, die nach einer Zugscherprüfung auf dem Metallblech verbleiben, dokumentiert. Das induktive Punktschweißen für Hybridbauteile ist im Rahmen der DFG Forschergruppe 524 „Herstellung, Eigenschaftsanalyse und Simulation geschweißter Leichtbaustrukturen aus Metall/Faser- Kunststoff-Verbunden“ im Teilprojekt 2 „Diskontinuierliches Induktionsschweißen von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden“ entwickelt worden [9].

Zusammenfassung

Mit dem induktiven Punktschweißen und dem kontinuierlichen Induktionsschweißen stehen am IVW zwei Verfahren zur Verfügung, mit denen die wichtigsten Materialkombinationen im Thermoplast- und Hybridbereich gefügt werden können. In den letzten Jahren wurden insbesondere beim effektiven Wärmeeintrag ins Bauteil und der Qualität der Fügung deutliche Fortschritte erzielt. Gleichzeitig konnten unerwünschte Nebeneffekte eines thermischen Fügeverfahrens, wie zum Beispiel Überhitzen und innere Spannungen, deutlich reduziert werden. Da beide Verfahren ein großes Potential für zukünftige Anwendungen von thermoplastischen FKV besitzen, werden am IVW auch weiterhin Forschungsaktivitäten in dem Bereich durchgeführt.

Literaturverzeichnis

1. Rudnev, V.; Loveless, D.; Cook, R.; Black, M.: Handbook of induction heating. ASM International, Ohio, USA, 2003.

2. Mitschang, P.; Rudolf, R.; Neitzel, M.: Continuous Induction Welding Process, Modelling and Realisation. Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol. 2, (2002), 127–153.

3. Yarlagadda, S.; Fink, B. K.; Gillespie, J. W.: Resistive Susceptor Design for Uniform Heating during Induction Bonding of Composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol. 4, (1998), 321–337.

4. Border, John; Salas, Rik: Induction Heated Joining of Thermoplastic Composites Without Metal Susceptors. In: Tomorrow’s materials: Today, May 8-11, 1989, 2569–2578.

5. Miller, A. K.; Chang, Calvin; Payne, Alexander Gur Micha; Menzel, Erik; Peled, Ady: The nature of induction heating in graphite-fiber, polymer-matrix composite materials. Sampe Journal, Vol. 4, (1990), 37–54.

6. Marinescu, Marlene: Elektrische und magnetische Felder. 3, Springer, Berlin, Heidelberg, 2012.

7. Moser, Lars: Experimental Analysis and Modeling of Susceptorless Induction Welding of High Performance Thermoplastic Polymer Composites. Institut für Verbundwerkstoffe, Kaiserslautern.

8. Mitschang, Peter; Hümbert, Martina; Moser, Lars: Susceptorless continuous induction welding of carbon fiber reinforced thermoplastics. In: 19th International Conference on Composite Materials, July 28 -August 2, 2013.

9. Didi, Mirja; Emrich, Stefan; Mitschang, Peter; Kopnarski, Michael: Characterization of Longterm Durability of Induction Welded Aluminum/ Carbon Fiber Reinforced Polymer-joints. Sonderheft Advanced Engineering Materials „Welded Metal/CFRP-structures: Mechanical properties, microstructures and simulation“, September, 2013.

 

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