TOLERANZAUSGLEICH BEIM SCHWEIßEN VON FASERVERSTÄRKTEN THERMOPLASTEN

Abstract

Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen hat in den letzten Jahren vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie stark an Bedeutung gewonnen. Durch die Verwendung von großen Bauteilen und hohen Qualitätsanforderungen müssen effiziente Lösungen für den Toleranzausgleich der Komponenten entwickelt werden. Bei der Integration von Versteifungselementen aus faserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischer Matrix bietet die Schmelzbarkeit des Werkstoffs erhebliche Potentiale. Etwaige Toleranzen können hierbei mit Hilfe des 3D-Drucks ausgeglichen werden. In Kombination mit thermoplastischen Schweißverfahren entsteht dabei eine stoffgleiche Verbindung bei dem keine metallischen Verbindungselemente eingesetzt werden müssen. Im industriellen Umfeld werden die zu fügenden Bauteile optisch vermessen und Kavitäten ermittelt. Diese werden mit einem robotergeführten 3D-Druck Verfahren auf der Struktur aufgebracht, sodass die Fügepartner exakt zusammenpassen. Im Anschluss werden die Bauteile mit Hilfe eines thermoplastischen Fügeverfahrens verbunden. Die vorliegende Studie untersucht das Potenzial von 3D-gedruckten Shims, um Toleranzen bei einfachen Überlappverbindungen von faserverstärkten Thermoplasten auszugleichen.Dies wird in Kombination mit dem thermoplastischen Widerstandsschweißen untersucht. Die Studie umfasst eine Variation der Shimdicke und den Einfluss auf die mechanischen Festigkeiten. Die Verbindungen wurden mit wassergekoppeltem Ultraschall zerstörungsfrei (NDT) geprüft. Zusätzliche Mikroschliffe geben ein Bild über die Qualität der Verbindung. Die Studie zeigt, dass sich bei Erhöhung der Shimdicke die Festigkeiten der Verbindung im Zugversuch reduziert. In einem geführten Zugversuch verringert sich der Festigkeitsabfall erheblich. Alle untersuchten Proben versagen in der Erstlage des Laminats auf der Seite des aufgedruckte Shims, was auf eine gute Erstlagenanhaftung des 3D-Druck Verfahrens schließen lässt. Die Mikroschliffe lassen eine Aussage über den aufgeschmolzenen Bereich im kurzfaserverstärkten Shim zu. Dort lässt sich eine Reduzierung des Porengehalts, sowie eine Ausrichtung der Kurzfasern beobachten. Insgesamt zeigt die Studie das erste Mal das große Potential der beiden Verfahren in Kombination auf und gibt einen Ausblick auf weitere Untersuchungen und potentielle Anwendungen.