Prozessmodellierung des Induktiven Erwärmens von CFK

Neben dem Widerstands- und Ultraschallschweißen gilt das Induktionsschweißen als eines der bedeutendsten Verfahren für das Schweißen von thermoplastischen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Durch die kontaktlose, intrinsische Erwärmung in Kombination mit hohen Aufheizraten können komplex geformte und großflächige Strukturen effizient gefügt werden. Eine Herausforderung bezüglich der resultierenden Fügequalität beim kontinuierlichen Induktionsschweißen ist die Ausprägung der Wärmeverteilung im Laminat, die nicht nur von elektromagnetischen Effekten, sondern auch maßgeblich von zahlreichen Laminatparametern abhängt.

Beim induktiven Erwärmen von CFK werden elektrische Wirbelströme mittels eines elektromagnetischen Wechselfelds in ein elektrisch leitfähiges CFK-Laminat induziert. Grundsätzlich lassen sich drei Erwärmungsmechanismen bei der induktiven Erwärmung von tapebasiertem CFK unterscheiden: Innerhalb der Laminatlagen treten joulesche Verluste in den elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasern auf. Wechselt der elektrische Strom die Laminatlage, führen Kontaktverluste zwischen überkreuzenden Fasern und dielektrische Verluste der Matrix zu einer interlaminaren Erwärmung.

Das komplexe Erwärmungsverhalten und die daraus resultierende Temperaturverteilung in der Fügezone sind mit experimentellen Ansätzen nur schwer in ausreichendem Umfang zu erfassen. Eine vollumfängliche experimentelle Optimierung des kontinuierlichen Induktionsschweißprozesses ist deshalb nur mit einer Vielzahl aufwändiger Experimente möglich. Am IVW entwickelte numerische Prozesssimulationen können dabei helfen, die Anzahl der benötigten Experimente zu minimieren und neue Einblicke in den Prozess zu gewinnen.

Eine Herausforderung beim Modellieren des induktiven Erwärmungsverhaltens von CFK ist die Wahl des Homogenisierungsgrades des Simulationsmodells (Abbildung 1). Bisherige Modelle am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe lassen sich der Makro- und Mesoebene zuordnen.

Makroskalige Modelle, bei denen das Laminat vollständig homogenisiert wird, sind nicht in der Lage, zwischen den unterschiedlichen Erwärmungsmechanismen zu unterscheiden und können das materialspezifische Aufheizverhalten oft nicht in ausreichender Genauigkeit nachbilden. Aufgrund der geringen Komplexität können sie jedoch für eine Prozessvorauslegung dienlich sein.

Mesoskalige Modelle, bei denen einzelne Laminatlagen mit orthotropen Materialmodellen diskret modelliert werden, sind zwar in der Lage, das layup-spezifische Aufheizmuster abzubilden, eine Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Aufheizmechanismen ist aber auch auf dieser Skalenebene nur beschränkt möglich.

Ein Ansatz zur Lösung dieser Problematik ist die diskrete Modellierung des Kontaktwiderstandes zwischen benachbarten Laminatlagen. Abbildung 2 zeigt, dass die Faserverluste in den Lagen und die Kontaktverluste in der Zwischenschicht damit diskret berechnet und untersucht werden können. Dieser Ansatz erlaubt die direkte Verwendung von messtechnisch erfassten elektrischen Eigenschaften der Einzellagen und des Mehrschichtverbundes.

In den nächsten Schritten sollen die elektrischen Leitfähigkeiten von Einzeltapes sowie die Kontaktwiderstände zwischen zwei Laminatlagen abhängig von Winkeldifferenz und Konsolidierungsdruck messtechnisch erfasst werden. Ziel dieser Arbeiten ist es, das Aufheizverhalten beliebiger Laminataufbauten abhängig von grundlegenden Prozessparametern ohne die bisher notwendige aufwändige experimentelle Kalibrierung des elektromagnetischen Materialmodells zu ermöglichen.