Ein Qualitätsfaktor beim Schweißen thermoplastischer Faserverbunde mittels Meso-Composite-Modell

Abstract

Faserverbundwerkstoffe ersetzen zunehmend konventionelle Metalllegierungen in Flugzeugstrukturen, wobei der vermehrte Einsatz thermoplastischer Matrixwerkstoffe neue Möglichkeiten im Hinblick auf stoffschlüssige Fügetechnologien eröffnet. Die Entwicklung dieser neuen Fügeprozesse basiert heutzutage meist auf experimenteller Probenherstellung und anschließender Bewertung der Versuchsreihen durch mechanische Prüfung. Dieses sequentielle Vorgehen ist sehr ressourcenintensiv in Bezug auf Zeit, Geld und Material, wobei Prozessalternativen oft nicht betrachtet und mögliche Optimierungspotentiale vernachlässigt werden. Die erzeugte Fügequalität hängt dabei maßgeblich von der thermischen Historie der Fügepartner ab. Diese kann über moderne FEM-Prozesssimulationen sehr gut abgebildet werden, wird bislang aber nahezu nicht zur Vorhersage der mechanischen Festigkeit genutzt. Die Motivation dieser Arbeit liegt darin, diese Lücke zu schließen und einen Beitrag zu verkürzten Entwicklungszeiten mit reduziertem Ressourceneinsatz bei gleichzeitig erhöhtem Digitalisierungsgrad in der Erforschung neuer Fügetechnologien zu leisten. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein neuer thermisch-basierter Qualitätsfaktor – der sog. Sänger-Faktor – eingeführt, der den Temperaturzustand in der Fügezone anhand eines linearen Regressionsansatzes des überwachten Lernens über vier Temperaturcharakteristika quantifiziert. Hiermit wurde die Hypothese einer mechanischen-thermischen Analogie untersucht und eine Korrelation zu mechanischen Kennwerten aus Single Lap Shear-Versuchen nachgewiesen. Im weiteren Verlauf wurden Vorhersagemodelle über den simulierten Temperaturzustand verschiedener Prozesskonfigurationen abgeleitet, trainiert und so die Fügequalität für mechanische Schweißfaktoren ⪆0,75 mit guter bis sehr guter Übereinstimmung vorhergesagt. Simulative Grundlage für die analytische Auswertung des Temperaturzustands ist ein neuer numerischer Modellierungsansatz auf Meso-Ebene für das elektrische Widerstandsschweißen, da die gängige makroskopische Modellierungsform mit homogenisierten Materialkennwerten die spätere Vorhersagegenauigkeit mindert. Dafür wurde das rein mechanische Mosaik-Modell nach Ishikawa um thermische und elektrische Freiheitsgrade erweitert. Die Simulationsergebnisse des so Modifizierten Mosaik-Modells (M³) wurden anhand thermischer und elektrischer Kennwerte validiert und lieferten höher aufgelöste Temperaturverteilungen mit besserer Übereinstimmung zum experimentell beobachteten Erwärmungsverhalten. Dabei wurde auch die Skalierbarkeit und Übertragbarkeit auf andere Matrix- und Druckstückmaterialien gezeigt.