Widerstandsschweißen thermoplastischer Faserverbundbauteile - Einfluss des Strukturdesigns (Masterarbeit)

Kurzfassung

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger in zukünftigen Flugzeuggenerationen erfordert die Integration eines entsprechenden Tanks in die Flugzeugzelle. Hierzu sind an der Außenseite der Tanks Verbindungselemente notwendig, welche die Montage an der Flugzeugstruktur ermöglichen. Untersucht wird hier der Einsatz des thermoplastischen Widerstandsschweißens als Fügeverfahren zur Generierung der Verbindung zwischen dem Speicher und dem Verbindungselement. Beide Fügepartner bestehen dabei aus thermoplastischen faserverstärkten Materialien. Mit dem Ziel der Identifizierung einer optimalen Geometrie dieses Verbindungselements werden zunächst generische Bauteilgeometrien theoretisch betrachtet, welche mithilfe des genannten Fügeverfahrens verbunden werden. Im Fall ebener Verbindungen resultiert die Empfehlung des Einsatzes einfacher und doppelter Überlappgeometrien. Werden winklige Verbindungen analysiert, so sind L- und T-Geometrien als optimal zu betrachten wobei letztere zu bevorzugen sind. Die Übertragung der Erkenntnisse auf das Anbindungselement des Wasserstofftanks ergibt ein solches in Form einer T-Geometrie, wobei die beiden Füße mit der Oberfläche des Tanks verschweißt werden. Der zweite Themenkomplex umfasst den Aufbau und die Inbetriebnahme des neuen Widerstandsschweißstands am DLR Stuttgart. Ersteres beinhaltet sowohl den Zusammenbau der mechanischen Struktur als auch die Integration der Elektronik- und Pneumatikkomponenten. Die darauffolgende Inbetriebnahme dient der Einrichtung des Schweißstands mit dem Ziel, optimale Bedingungen zur Generierung hochbelastbarer Schweißverbindungen zu ermöglichen. Ein Aspekt ist die homogene Verteilung des über das gesamte Interface wirkenden Anpressdrucks während des Fügeprozesses. Das Hinzufügen zweier elastischer Schichten im Aufbau des Prüfstands führt zu der gewünschten homogenen Verteilung dieses Drucks. Außerdem ist bei einer Erhöhung dieses Drucks eine nur geringe Latenz festzustellen. Ein weiterer zu betrachtender Aspekt ist die Homogenität der Temperaturverteilung entlang der Oberfläche der die Laminate berührenden Bauteile des Schweißstands. Diese Bauteile sind mittels eingebauter Heizpatronen erwärmbar und weisen direkt nach Beendigung des Aufheizvorgangs eine inhomogene Temperaturverteilung auf. Erst durch das Hinzufügen einer daran anschließenden Abkühlphase ist im Bereich der Auflage der zu verbindenden Laminate eine gleichmäßige Temperaturverteilung der Bauteiloberfläche erreichbar. Zuletzt ist die Wärmegenerierung durch die im Interface zwischen den zwei Fügepartnern platzierte Schicht zu betrachten. Diese dient der Plastifizierung des Materials während des Schweißprozesses und ist damit essenziell zur Generierung der geschweißten Verbindung. Aus den entsprechenden Untersuchungen folgt eine homogene Temperaturverteilung dieser Schicht, welche als ideal zu interpretieren ist. Im letzten Abschnitt erfolgt die Untersuchung des Einflusses der Generierung eines stetigen Übergangs an den Enden einfacher Überlappgeometrien. Diese werden als Zwickel bezeichnet und mithilfe des während des Schweißprozesses aus dem Interface herausquellenden plastifizierten Materials gebildet. Hierzu ist ein modifizierbarer Aufbau, welcher zu diesem Zweck konstruiert wurde, im Schweißstand notwendig. Die experimentellen Untersuchungen ergeben einen positiven Einfluss der Zwickel auf die mechanischen Kennwerte. Es ist zu beobachten, dass von einer zunehmenden Effektivität mit steigender Größe der Zwickel ausgegangen werden kann. Als kritisch ist deren Anbindung an den Fügepartner einzustufen. Als ideal wird der Einsatz einer Silikonlippe eingestuft, welche an den Endbereichen anliegt und die Generierung eines solchen Zwickels infolge der Verformung des Materials ermöglicht. Hier sind hohe mechanische Kennwerte bei gleichzeitig geringen Schwankungen zu identifizieren. Letzteres resultiert aus einer guten Anbindung der damit generierten Zwickel an die Fügepartner.