Fügetechnik für Hybrid-Anwendungen Untersuchung des Ultraschall-Schweißprozesses zur Verbindung von Duroplast-Thermoplast-Faserverbundkunststoff-Hybriden für strukturelle Anwendungen (Bachelorarbeit)

Abstract

Seit dem Einzug der Faserverbundwerkstoffe in die Luftfahrtbranche, nahm auch der Bedarf an leichtbaugerechten Fügemethoden zu. Hierbei rücken faserverstärkte Thermoplaste, aufgrund ihrer Schweißbarkeit immer mehr in den Fokus. Allerdings lassen sich nicht alle Bauteilgeometrien und Fertigungsschritte mit einer thermoplastischen Matrix realisieren. Eine potentielle Lösung bildet die Integration von Thermoplast in Duroplastbauteile. Solche hybriden Werkstoffe könnten dann mit anderen faserverstärkten Thermoplasten verschweißt werden. In dieser Forschungsarbeit wird der kontinuierliche Ultraschallschweißprozesses an hybriden Halbzeugplatten behandelt und optimiert. Hierfür wurden zunächst die Halbzeugplatten in zwei Schritten gefertigt: Als Erstes wurde das CF-PEI-Prepreg, im Vakuumverfahren, konsolidiert. Anschließend wurden die hierbei entstandenen Organobleche im Vakuuminfusionsverfahren mit RTM6-Harz infiltriert. Die Zweiteilung des Prozesses ist einerseits den unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen der verwendeten Materialien geschuldet und zweitens der Tatsache, dass hierdurch eine Diffusion und somit eine Interphasenausbildung möglich wurde. Während der Schweißversuche wurden ausgewählte Schweißparameter variiert. Hierfür wurde mit Design Expert ein statistischer Versuchsplan aufgestellt. Die Zugscherkraft fungierte als zu maximierender Kennwert für die Festigkeit der Fügeverbindung. Zudem wurde qualitativ die Hochwertigkeit und Porenfreiheit der Verschweißung betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die hybride Interphase im Schweißprozess intakt geblieben ist. In der Fügezone konnten Risse und Porositäten vermerkt werden. Diese werden auf die eingebrachte Temperatur, der mechanischen Einwirkung der Sonotrode im Prozess sowie dem zurückgelegten Weg der Sonotrode und der damit verbundenen Prozessstabilität zugeschrieben. Ferner konnte eine Korrelation zwischen einer erhöhten Porositätenbildung und dem Konsolidierungsdruck in der Abkühlphase gezeigt werden.