Induktionsschweißen

Optimierungen des kontinuierlichen Induktionsschweißprozesses von CFK-Organoblechen mittels FEM

Das kontinuierliche Induktionsschweißen birgt ein hohes Potenzial für die Herstellung komplexer Bauteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) in thermoplastischer Bauweise. Durch seine effiziente und kontaktlose intrinsische Aufheizung ermöglicht das kontinuierliche Induktionsschweißen die Verbindung von komplex gestalteten Fügezonen und großen Bauteilen. Ein maßgeblicher Faktor für die Qualität der resultierenden Schweißverbindung ist die Wärme- und Druckverteilung in der Fügezone. Aufgrund der Vielzahl physikalischer Einflüsse auf diese Zielgrößen geht eine rein auf experimentellen Methoden basierende Prozessoptimierung mit einem sehr großen Ressourceneinsatz einher. Um den experimentellen Anteil von Optimierungsprozessen zu minimieren, wurden im Rahmen eines von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes numerische Modelle für das kontinuierliche Induktionsschweißen von CFK-Organoblechen entwickelt.

Um den Induktionsschweißprozess möglichst umfassend abbilden zu können, wurden drei sequentielle Simulationsmodelle entwickelt (Abbildung 1). Bei herkömmlichen gekoppelten multiphysikalischen Ansätzen werden elektromagnetische, thermische und mechanische Berechnungen abwechselnd durchgeführt. Der dadurch anfallende hohe Rechenaufwand wird durch die Verwendung von hochauflösenden Gitternetzen, die für die elektromagnetischen Berechnungen notwendig sind, nochmals erhöht und resultiert bereits bei kleinen flächigen Schweißgeometrien (400 mm x 100 mm) in Berechnungszeiten von mehreren Tagen. Der am IVW entwickelte Ansatz erfordert lediglich einen einzigen vorgelagerten elektromagnetischen Berechnungsschritt und reduziert die Berechnungsdauer somit um mehr als 90 %:

1. Im ersten Schritt wird das statische elektromagnetische Verhalten der Fügezonengeometrie berechnet. Dazu wurde ein elektromagnetisches Materialmodell für gewebeverstärkte CFK-Organobleche entwickelt. In diesem Materialmodell werden die Gewebelagen vereinfacht als orthotrope unidirektionale Lagen im Kreuzverbund modelliert. Dieser mesoskalige Modellierungsansatz erlaubt im Vergleich zu einer konventionellen vollständig homogenisierten Modellierung des Laminates auch die Abbildung des Einflusses des Lagenaufbaus auf die qualitative Ausprägung des Aufheizmusters.
2. Im zweiten Schritt wird das berechnete Aufheizmuster als volumetrische Wärmequelle auf eine kontinuierliche thermische Simulation des Induktionsschweißprozesses übertragen. Für diese Berechnungen werden verschmierte Laminatkennwerte in Kombination mit einem grob aufgelösten Gitternetz verwendet. Dadurch kann eine weitere Reduktion der Berechnungsdauer realisiert werden.
3. Im dritten Schritt wird die Temperaturverteilung im thermisch stationären Bereich des Induktionsschweißprozesses in eine mechanische Simulation übertragen. Die in diesem Modell stark temperaturabhängige Steifigkeit des Laminats erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Rollenposition auf die qualitative Ausprägung der Druckverteilung in der Fügezone. Durch anschließende analytische Berechnungen lässt sich hier eine Aussage über die Qualität der Schweißverbindung treffen.

Die entwickelte Simulationsmethodik konnte anhand von statischen Aufheizversuchen und Schweißversuchen umfassend validiert werden. Über die Simulation der Druckverteilung konnte weiterhin eine optimierte Positionierung der Konsolidierungsrolle abgeleitet werden. Diese Optimierung konnte durch Schweißversuche mittels Schliffbildern und Zug-Scher-Prüfungen erfolgreich validiert werden. In weiterführenden Arbeiten soll die entwickelte Simulationsmethodik auf komplexe, anwendungsnahe Schweißgeometrien angewendet und für eine fügezonenspezifische Induktorauslegung verwendet werden. Neben einer nahezu vollständigen Eliminierung von ursprünglich auftretenden Dekonsolidierungen konnten interlaminare Scherfestigkeiten erreicht werden, die sogar das Niveau von Autoklavproben überteffen (Abbildung 2).

Weitere Informationen:

Thomas Hoffmann, M.Sc.
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Press- & Fügetechnologien
Erwin-Schrödinger-Straße 58
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Telefon: +49 631 2017-237
E-Mail: thomas.hoffmann@ivw.uni-kl.de