IVW entwickelt neue Ansätze zum kontinuierlichen Induktionsschweißen von CFK

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Das kontinuierliche Induktionsschweißen bietet ein enormes Potential zur Steigerung des industriellen Einsatzes von thermoplastischen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Aufgrund der schnellen und kontaktlosen Wärmeeinbringung können mit diesem Schweißverfahren komplexe und großflächige Strukturen aus thermoplastischen CFK effizient gefügt werden. Bislang stellte jedoch die komplexe Wärmeverteilung, die sich in Dickenrichtung des Laminats infolge der induktiven Erwärmung einstellt, eine prozesstechnische Herausforderung dar. Aufgrund der Abnahme der magnetischen Feldstärke mit zunehmenden Abstand zum Induktor, liegt auf der induktorzugewandten Laminatoberfläche typischerweise das Temperaturmaximum vor. Für einen idealen Schweißprozess wäre es allerdings wünschenswert, wenn dieses Temperaturmaximum in der Fügezone liegen würde.

Im Rahmen eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts werden am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) in Kaiserslautern die Grundlagen der induktiven Erwärmung von CFK intensiv erforscht. Ziel dieser Arbeiten ist die Prozessoptimierung des kontinuierlichen Induktionsschweißens von CFK-Organoblechen. Basierend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen konnten bereits zwei voneinander unabhängige Ansätze entwickelt werden, die es ermöglichen, das Temperaturmaximum in Richtung der Fügezone zu verschieben.

Der erste Ansatz sieht eine für den induktiven Erwärmungsprozess optimierte Anpassung des Laminataufbaus der Organobleche vor (Abbildung 1). Im Bereich der späteren Fügezone wird der Laminataufbau feinschichtig gestaltet. Die Winkeldifferenz der Faserorientierungen zwischen benachbarten Lagen soll in diesem Bereich 90° betragen. Hierdurch liegen im Laminat geringe elektrische Widerstände vor, wodurch die Stromstärke der induzierten Wirbelströme maximiert wird. Im Gegenzug wird im induktornahen Laminatbereich ein Aufbau gewählt, der dicke Einzellagen vorsieht, die nur geringe Winkelunterschiede zur Faserorientierung der benachbarten Lagen aufweisen. Die Folge ist eine Reduktion der Stromstärke der Wirbelströme im induktornahen Laminatbereich aufgrund hoher elektrischer Widerstände. Da die dissipierte Wärme quadratisch von der Stromstärke der induzierten Wirbelströme abhängt, liegt folglich das Temperaturmaximum im Bereich der Fügezone vor.

Der zweite Ansatz findet Anwendung bei einer einfach überlappenden Schweißnaht. Mit Hilfe dieses Ansatzes ist es möglich, das Temperaturmaximum in der Fügeebene zu generieren – somit müssen keine zusätzlichen Materialien eingesetzt und der Laminataufbau der Organobleche nicht speziell angepasst werden (Abbildung 2). Möglich ist dies durch eine am IVW entwickelte und zum Patent angemeldete neuartige Methode zum kontinuierlichen Induktionsschweißen von thermoplastischen CFK. Durch die Verwendung eines speziellen Induktors und durch dessen geschickte Positionierung kann gezielt das Fließen von Wirbelströmen im oberen Fügeteil und somit die dort entstehende Erwärmung unterbunden werden. Es findet lediglich eine Erwärmung im unteren Fügeteil statt. Da im unteren Fügeteil die magnetische Feldstärke auf der induktorzugewandten Laminatoberfläche maximal ist, stellt sich dort ein Temperaturmaximum ein. Hierdurch ist es möglich, auch dickwandige Laminate aus thermoplastischen CFK mittels Induktionsschweißen miteinander zu fügen. Ebenfalls verfügt diese Methode über ein großes Potential hinsichtlich einer signifikanten Steigerung der Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zum konventionellen kontinuierlichen Induktionsschweißen. Bei beiden Prozessvarianten wird eine Verbindungsfestigkeit auf Autoklavniveau angestrebt. In weiterführenden Arbeiten wird die dafür notwendige Prozessgestaltung am IVW optimiert.

Weitere Informationen:

Stephan Becker
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Press- & Fügetechnologien
Erwin-Schrödinger-Straße 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017-446
E-Mail: stephan.becker@ivw.uni-kl.de

 

Optimierter Laminataufbau und Wärmeverteilung in Dicken

Statisch-induktives Aufheizen einer einfach überlappten Verbindung mittels der neu entwickelten Methode zum induktiven Erwärmen