Further Development of an End-Effector for Continuous Ultrasonic Welding (Masterarbeit)

Abstract

Zur Senkung der Emissionen und Steigerung der Kraftstoffeffizienz von zukünftigen Flugzeugen werden effizientere Triebwerke und leichtere Strukutren benötigt. Leichtere Strukturen können mittels Faserverbundwerkstoffe und neuen Fügeverfahren erzielt werden Ultraschallschweißen bietet einen schnellen Schweißprozess mit hohen Schweißfestigkeiten. Der aktuelle kontinuierliche Ultraschallschweißprozess ist beschränkt auf gerade und ebene Schweißnähte. Neue Strukturen in der Luftfahrt erfordern das Weiterentwickeln der Ultraschallschweißprozesses, um kurvige, ansteigende und abfallende Schweißnähte von freien Strukturgeometrien zu verschweißen. Der End-Effektor besteht aus einer Druckrolle, einer Sonotrode und einer Konsolidierungseinheit. Die Konsolidierungseinheit wird in dieser Thesis weiterentwickelt um das Schweißen von kurvigen Schweißnähten zu ermöglichen. Das Ziel ist die Konstruktion einer Konsolidierungseinheit, die kurvige Schweißnähte mit der gleichen hohen Qualität wie aktuelle gerade und ebene Schweißnähte schweißen kann. Die Konstruktion der Konsolidierungseinheit basiert auf den Anforderungen des bestehenden Schweißprozesses und zukünftiger Anwendungsfelder. Die Konsolidierungseinheit besteht aus einer Verbindungssektion, einer Wellensektion und einer Schlittensektion. Die Verbindungssektion verbindet die beiden anderen Sektionen mit dem End-Effektor und übertragt die vertikalen und horizontalen Kräfte. Die Wellensektion verbindet die Verbindungssektion mit der Schlittensektion. Die Wellensektion erlaubt die Verkippung der Schlittensektion, überträgt horizontale Kräfte und erlaubt die Rotation der Schlittensektion. Die Schlittensektion bringt Druck auf die Schweißnaht auf. Die vertikalen Kräfte werden über eine Kugelrolle von der Schlittensektion auf die Verbindungssektion übertragen. Die Schlittensektion rotiert um ihre vertikale Achse zur Abdeckung der kurvigen Schweißnaht während des Konsolidierungsprozesses. Die Auslenkung wird über die Rückstellkräfte kontrolliert. Die neue Konsolidierungseinheit wird mit zwei Versuchsreihen validiert. Die erste Versuchsreihe soll die Bewegungs-, Auslenkungs- und Verkippungsfähigkeiten nachweisen. In der zweiten Versuchsreihe werden zwei kurvige Geometrien verschweißt. Die erste kurvige Geometrie ist eine Kreissektion. Die zweite kurvige Geometrie ist eine Wellensektion bestehend aus zwei Kreissektionen mit gegensätzlicher Ausrichtung. Die zweite Versuchsreihe soll die Qualitätsfähigkeit von kurvigen Schweißnähten mit der neuen Konsolidierungseinheit nachweisen. Die Resultate beider Versuchsreihen werden mit zerstörenden und nicht-zerstörenden Prüfverfahren sowie Schliffproben und Aufzeichnungen ausgewertet. Die Überlappungsfestigkeit der Schweißnaht in den Tests mit kurvigen Schweißnähten hat vergleichbare oder größere Werte im Vergleich zu Referenzproben mit geraden Schweißnähten. Faktoren und Effekte mit Wirkung auf die Qualität der Schweißnaht werden beschrieben. Die Konsolidierungseinheit kann durch die passive Auslenkung der Schlitteneinheit die Schweißnaht komplett abdeckenn während des Schweißprozesses und erfüllt die Anforderungen. Zur Vermeidung eines Abrutschennund einer schräg stehenden Schlitteneinheit wird ein Breitenkriterium zwischen Kufe und Überlappung aufgestellt. Die Druckverteilung ist gleichmäßig während des Schweißprozesses und der Konsolidierungsdruck ist größer als die minimale Anforderung, Die Kippanforderungen an die Konsolidierungseinheit sind mit der neuen Konsolidierungseinheit erfüllt. Der End-Effektor mit der neuen Konsolidierungseinheit ist in der Lage anforderungsgemäß kurvigenSchweißnähte mit der gleichen Qualität zu schweißen wie gerade Schweißnähte. Die Überlappungsfestigkeit kurviger Schweißnähte ist vergleichbar mit geraden Schweißnähten. Die Schweißnaht ist gleichmäßig geschweißt und enthält keine Schweißnahtdefekte.