Prozessoptimierung des Induktionsschweißens von kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten (CFK) mit Hilfe der Prozesssimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zum werkstoffgerechten Fügen von Komponenten aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) bieten sich insbesondere Schweißverfahren an. Speziell für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) kann das Induktionsschweißen als sehr vorteilhaft angesehen werden, da sich CFK-Komponenten direkt induktiv aufheizen lassen. Beim Induktionsschweißen werden über eine wechselstromdurchflossene Induktionsspule Wirbelströme in das elektrisch leitfähige Laminat induziert. Diese Wirbelströme resultieren in einer intrinsischen Aufheizung des Laminats. Beim kontinuierlichen Induktionsschweißen wird die Induktionsspule relativ zu den Fügepartnern entlang der Fügezone bewegt. Dies ermöglicht ein dem Schweißweg folgendes kontinuierliches Aufschmelzen der Matrix. Um eine sichere Verschweißung der in der Fügezone aufgeschmolzenen Matrix zu ermöglichen, bringt eine hinter der Induktionsspule nachgeführte Anpressrolle einen Konsolidierungsdruck auf. Um das Aufschmelzen der Laminatoberfläche zu verhindern, und somit die Krafteinleitung über die Konsolidierungsrolle zu gewährleisten, wird die induktorzugewandte Seite der Schweißgeometrie aktiv (z.B. über eine Luftkühlung) gekühlt. Aufgrund der hohen Anzahl an Einflussfaktoren und möglichen Stellgrößen sind empirische Optimierungen des Induktionsschweißprozesses mit einem sehr hohen Aufwand verbunden. Die Zuhilfenahme von Prozessmodellen des kontinuierlichen Induktionsschweißens von CFK kann dabei helfen, den experimentellen Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren. Kern des Vorhabens war die numerische Modellierung des induktiven Aufheizens und des kontinuierlichen Induktionsschweißprozesses von CFK mittels analytischen und numerischen Ansätzen. Grundlage dafür war die Untersuchung des Zusammenhangs des induktiven Aufheizens von textilverstärkten Laminaten mit der projizierten Kontaktfläche der überkreuzenden Rovings. Aufbauend auf den generierten Erkenntnissen konnte ein grundlegendes analytisches Modell des statischen induktiven Aufheizprozesses erstellt werden. Unter Zuhilfenahme dieses Modells konnte der Einfluss unterschiedlicher Laminatparameter auf das induktive Aufheizverhalten untersucht werden. Das entwickelte analytische Modell wurde in ein numerisches Modell für das statische induktive Aufheizverhalten von CFK übertragen und umfassend validiert. Damit konnten nicht nur der Einfluss unterschiedlicher Laminataufbauten auf die Aufheizrate, sondern auch der Einfluss des Laminataufbaus auf die qualitative Ausprägung des Aufheizmusters erfolgreich modelliert werden. In der finalen Phase des Projektes wurde ein numerisches Modell für kontinuierliche transiente Simulation des Induktionsschweißprozesses erstellt und ebenfalls erfolgreich validiert. Mit der hier entwickelten entkoppelten Simulationsmethodik konnte eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber konventionellen Ansätzen bei gleichzeitiger Verwendung hochauflösender elektromagnetischer Materialmodelle erreicht werden. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse konnte die Anlagentechnik weiter optimiert werden. Der Einsatz einer elektrisch nichtleitenden Konsolidierungsrolle erlaubt eine räumlich deutlich vorteilhaftere Temperatur-Druckverteilung in der Fügezone. Die mit der optimierten Prozesstechnik geschweißten Probekörper zeigten eine Zug-Scher-Festigkeit oberhalb der im Autoklav gefertigten Referenzproben. Dieser Fortschritt ermöglicht zukünftig die effiziente Nutzung der Prozesssimulation bei der Auslegung und Umsetzung des Induktionsschweißprozesses für thermoplastische CFK-Bauteile. Die Projektergebnisse wurden in 4 Artikeln in Fachzeitschriften mit Peer-Review und 9 Konferenzbeiträgen mit Proceedings veröffentlicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influences of Textile Parameters on the Induction Heating Behavior of CFRPC. in 21st International Conference on Composite Materials, Xi’an, 2017
S. Becker & P. Mitschang
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Influences of Laminate Parameters on the Induction Heating Behavior of CFRPC. in 18th European Conference on Composite, Athen, 2018
S. Becker & P. Mitschang
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Beeinflussung der Induktionserwärmung von textilverstärktem CFK durch Laminatparameter. Zeitschrift Kunststofftechnik, 1, 210-244.
Becker, Stephan
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Influence of thread count of carbon twill textile-reinforced polyamide 66 laminates on the inductive heating behavior. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 34(8), 1135-1161.
Becker, Stephan & Mitschang, Peter
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Optimization of the Temperature Distribution in Thickness Direction at Induction Heating of CFRPC Laminates”, in 22. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Kaiserslautern, 2019
S. Becker & P. Mitschang
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Process Optimization of Continuous Induction Welding of CFRPC, in EUROMAT 2021, 13.-.17. September 2021, Online
S. Becker & P. Mitschang
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Simulating the Induction Heating Behavior of CFRTPC Laminates, 13th European LS-DYNA Conference, Ulm, 05. – 06.10.2021
T. Hoffmann, S. Becker, M. Duhovic & P. Mitschang
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Influence of polymer matrix on the induction heating behavior of CFRPC laminates. Composites Part B: Engineering, 231, 109561.
Becker, Stephan; Michel, Marc; Mitschang, Peter & Duhovic, Miro
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Process Improvement of Continuous Induction Welding of Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites. Journal of Materials Engineering and Performance, 31(9), 7049-7060.
Becker, S. & Mitschang, P.
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Towards Faster 3D Simulations of CFRTP Induction Welding, 16th LS-DYNA Forum 2022, 11. – 13.10.2022, 16th LS-DYNA Forum, p.160-163, 11.-13.10.2022, Bamberg / DIGITAL
M. Duhovic, S. Cassola, T. Hoffmann & P. Mitschang
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Untersuchung und Optimierung des induktiven Aufheizverhaltens von textilverstärkten CFK-Organoblechen, Dissertation RPTU Kaiserslautern-Landau, IVW Schriftenreihe 151, 2022, ISBN 978-3-944440-48-4
Stephan Becker
