Experimentelle und numerische Untersuchung des Schweißens von Faserverbundkunststoffen (Masterarbeit)

Abstract

as Ziel dieser Arbeit ist es, ein Simulationsmodell für einen Schweißprozess zur Fügung komplexer Faserverbundstrukturen zu erstellen. Dafür werden die Grundlagen von Faserverbundkunststoffen mit der Fügetechnologie des Schweißens näher erläutert. Zusätzlich werden die thermodynamisch relevanten Modelle für die Simulation und die Lösung dieser mittels der Finite-Elemente-Methode beschrieben. Die für die Modellbildung wichtigen Materialeigenschaften wurden durch Recherchen herausgearbeitet. Zusätzliche Vorversuche untersuchten den Einfluss der Temperaturänderung auf die elektrischenEigenschaften der Kohlerovinge und ergänzen die Ergebnisse der Recherche. Daraus konnte ein erstes numerisches Simulationsmodell erstellt werden, welches optimiert und erweitert wurde. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden vier Schweißversuche mit drei unterschiedlichen Stromstärken untersucht. Diese erzeugten eine Datenbasis für eine Bewertung der Simulation. Durch einen Vergleich der Simulation mit dem zweiten Schweißversuch wurden Abweichungen in den maximalen Temperaturen, dem Temperaturgefälle entlang des Schweißelementes und im Temperaturgefälle von Roving zur Matrix entdeckt. Deren Ursache wurde untersucht und in Modellanpassungen für die Simulation abgeleitet und implementiert. Damit konnten die Abweichungen der maximalen Temperatur reduziert, jedoch nicht komplett behoben werden. Zum Abschluss der Untersuchungen wurden zwei Validierungsversuche mit 14 A und 16 A Stromstärke untersucht. Der Validierungsversuch mit 14 A Stromstärke erzielte qualitativ gleiche Abweichungen, welche nach der Modellanpassung noch vorhanden sind. Das Temperaturgefälle entlang der Rovinge, die maximale Temperatur der Matrix und das Temperaturgefälle von Roving zu Matrix waren als Abweichungen vorhanden. Trotz der übereinstimmenden Rovingtemperatur konnte keine korrekte Vorhersage der Schweißdauer des Validierungsversuches erzielt werden. Der zweite Validierungsversuch wurde mit einer Stromstärke von 16 A untersucht. Bei diesem Versuch kam es zu einem elektrischen Durchschlag des Schweißelementes in die Laminate und einem Abbruch des Schweißversuches. Ein Vergleich der bis zum Durchschlag gewonnenen Daten zeigt Abweichungen des Simulationsmodells wie vor den Modellanpassungen. Das Simulationsmodell weist höhere Temperaturen der Rovinge und der Matrix in der Schweißelementmitte, ein Temperaturgefälle entlang des Rovings und ein geringeres Temperaturgefälle von Roving zu Matrix als der zweite Validierungsversuch auf. Damit wurde in dieser Arbeit vier Schweißversuche unternommen, welche reproduzierbare Temperaturergebnisse liefern. Des Weiteren wurde ein Simulationsmodell für die Modellierung von Schweißelementen basierend aus einzelnen Rovings in einem Widerstandsschweißprozess erstellt. Es weist leicht höhere Temperaturen als die Versuche auf und besitzt ein Temperaturgefälle innerhalb des Schweißelementes vom Kontaktierungsbereich bis zur Schweißelementmitte. Diese Abweichungen wurden analysiert und Empfehlungen für weitere Untersuchungen aufgeführt.