Entwicklung, Aufbau und Validierung eines Endeffektors zum kontinuierlichen Widerstandsschweißen faserverstärkter Thermoplaste (Masterarbeit)

Abstract

Aufgrund zunehmender Bemühungen thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe (engl. CFR-TP) in Flugzeugstrukturen der kommenden Generationen einzusetzen steht die Untersuchung von Fügeverfahren für diese Werkstoffe im Fokus der aktuellen Forschung. Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zeigen gegenüber duromerer Faserverbundwerkstoffe Vorteile bei der Fügetechnologie, da diese z. B. eine Gewichtsreduktion aufgrund wegfallender Bolzen, kürzere Assemblyzeiten und dünnere Lagenaufbauten der Einzelstrukturen aufgrund einer Neudefinition der Laminatschichtung mit wegfallenden Lochleibungslaminaten ermöglicht. Das elektrische Widerstandsschweißen gilt als vielversprechender Fügeprozess für CFR-TPs, da bei diesem die Wärme direkt in der Fügezone generiert wird, ohne dass die gesamte Struktur aufgeschmolzen werden muss. Um große Strukturen wie Rumpfhalbschalen zu Fügen, bedarf es einer Skalierung von bisherigen Schweißversuchen auf Probenniveau hin zu Prozessen für reale Bauteile. Die Skalierbarkeit des statischen Widerstandsschweißprozesses ist jedoch durch Anforderungen an die elektrische Schweißleistung und den Konsolidierungsdruck begrenzt. Für große Strukturen mit langen Fügenähten ergibt sich deshalb die Notwendigkeit einer Unterteilung des Schweißvorgangs in kleine Teilschritte. Dies kann durch die Verwendung eines kontinuierlich geführten Prozesses, der sich flexibel an die Geometrie der Fügeteile anpassen lässt, erreicht werden. Zu diesem Zweck werden im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche Konzeptansätze zur Umsetzung eines kontinuierlichen Schweißverfahrens erarbeitet sowie durch experimentelle Untersuchungen bewertet und verglichen. Aus den Konzepten wird das Design für einen Endeffektor abgeleitet, der komplexe Fügenähte auf einem Roboter- oder Gantrysystem im kontinuierlichen Verfahren verschweißt. Zum Einsatz kommt dabei eine Kombination aus rollenden Kontakt- und flächiger Konsolidierungseinheiten. Die Einsatzfähigkeit des Endeffektors wird durch Schweißversuche validiert und der Einfluss von Prozessparametern auf die Ergebnisse diskutiert.