Fortschritte beim Schweißen thermoplastischer Verbunde: Von der Forschung zum kommerziellen Einsatz

Dieser Blog begleitet den Sep-2018-Feature-Artikel „Schweißen thermoplastischer Verbunde“. Er ist eine Zusammenstellung von Bildern und Details, die nicht in den Print-Artikel passten, einschließlich eines Zeitstrahls der Induktionsschweiß-Entwicklungen und Details zur Qualifizierung für zukünftige Verkehrsflugzeuge, sowie kurze Abschnitte zu Reparatur, Entwicklungen für Automotive und Thermoplast-zu-Duroplast-Schweißen (TS-TP).

Um noch einmal zu betonen, warum geschweißte thermoplastische Verbundbaugruppen (TPC) für Luftfahrt- und Automobil-Leichtbaustrukturen von Interesse sind, vergleichen Sie die beiden Bilder unten des Airbus A320 Heckdruckschotts. Das obere Bild zeigt die aktuelle Aluminiumversion. Beachten Sie die große Anzahl an Nieten. Vergleichen Sie das nun mit dem geschweißten TPC-Demonstrator, den Premium Aerotec auf der ILA 2018 in Berlin präsentierte. Beachten Sie das Fehlen von Nieten. Für Verbunde eliminiert dies nicht nur Gewicht, Zeit und Kosten der Befestigungselemente, sondern auch Zeit und Kosten für Positionieren und Bohren von Löchern sowie Reinigen und Prüfen dieser Löcher. Es bedeutet auch viel leichtere Strukturen ohne die Lagenaufdopplungen, die erforderlich sind, um Schnitte durch lasttragende Fasern auszugleichen.

Induktionsschweiß-Entwicklungen

KVE Composites entwickelt Induktionsschweißen für TPCs seit 2001. Frühe Anwendungen nutzten Kohlefasergewebe/PPS-Laminate, einschließlich Höhen- und Seitenruder für Gulfstream G650 und Dassault Falcon 5X Business Jets.

Weitere induktionsgeschweißte TPC-Anwendungen umfassen Tankzugangstüren, die von AVIACOMP S.A.S. (Launaguet, Frankreich, jetzt Teil der Sogeclair Group) für den Airbus A220-Flügel (zuvor Bombardier CSeries) produziert werden. (Aviacomp produzierte auch die Stringer für STELIAs geschweißtes TPC-Rumpfsegment, das auf der Paris Air Show 2017 gezeigt wurde.)

Diese allgemeine Kategorie von Zugangstüren ist eine Chance für TPC-Schweißen, Kosten zu sparen, wie in einer Design- und Fertigungsstudie von KVE Composites gezeigt. Selbst kleinere Flugzeuge können bis zu 60 dieser Zugangspanels haben, alle unterschiedlich geformt, und typischerweise mit Sandwichkonstruktion mit bearbeitetem Wabenkern hergestellt. „Wenn man geschweißte Thermoplast-Montage nutzt, kann man alle verschiedenen Zugangspanels für ein Flugzeug mit nur 100.000 $ Werkzeugkosten herstellen, was eine dramatische Ersparnis ist“, sagt KVE Composites Geschäftsführer Harm van Engelen. „Wir müssen keinen Kern bearbeiten, wir nutzen einfach ‚lego-ähnliche‘ Komponenten – flache Bleche und gestanzte Steifen – die zusammen geschweißt werden, um die verschiedenen Formen zu bilden. Auch unser Werkzeug ist eher eine Schweißvorrichtung, also relativ kostengünstig im Vergleich zu dem, was heute genutzt wird. Alle Zugangspanels für ein Flugzeug könnten in einer einzigen Schweißzelle gefertigt werden.“

KVE Composites setzt seine Entwicklung von TPC-Schweißtechnologien fort, wie in den Zeitstrahlen unten illustriert. Die 2019 gezeigte Produktionszelle ist die Falko ATL (Automated Tape Laying) Maschine, produziert von Boikon (Leek, Niederlande) mit einem Ultraschallschweiß-Endeffektor, entwickelt von GKN Fokker. „Diese Roboterzelle ermöglicht einen effizienteren Prozess und Steuerung für das nächste Level der TPC-Serienteile-Produktion vs. den Pick-and-Place-Methoden, die heute genutzt werden“, erklärt KVE Composites F&E-Leiter Maarten Labordus. „Zum Beispiel kann man Haut- und Rippenlaminate für ein Regionaljet-Steuerflächenbauteil (ca. 60 mm × 3 m) vollautomatisch legen, einen Out-of-Autoclave-Konsolidierungs- und Formschritt anwenden und dann die Montage in einer angrenzenden Schweißzelle abschließen.“ Die Falko ATL Maschine demonstriert auch die bereits von GKN Fokker für Ultraschallschweißen entwickelte Closed-Loop-Steuerung. „Die Maschine kann den Energielevel bedarfsgerecht pro Materialtyp, Dicke und Form steuern, jedoch ist eine vollständige Schmelzkonsolidierung des flachen Preforms nachträglich beim Formen des fertigen TPC-Bauteils erforderlich“, erklärt Arnt Offringa, Leiter Aerostructures F&E für GKN Fokker.

Qualifizierung

Als Schlüsselentwicklungsinitiative 2017 gezeigt, ist die Qualifizierung von Induktionsschweißprozessen für TPC-Aerostrukturen eine laufende Priorität. Laut Abstract für KVE Composites' bevorstehende Präsentation auf der 4. Int. Conf. and Exhibition on Thermoplastic Composites (ITHEC, 30.–31. Okt 2018 in Bremen, Deutschland) hat sich TPC-Schweißen in den letzten Jahren von Polymeren wie PPS und PEI hin zu höherwertigen Polymeren wie PEEK, PEKK und nun Low Melt PAEK (LM PAEK) verschoben, sowie zu automatisch gelegten UD-Bändern und dickeren Laminaten für höherbelastete Strukturen. Als Reaktion hat KVE Composites angestrebt, Werkzeuge und Ausrüstung sowie FEA-basierte Simulationsmodelle zu verbessern und zu standardisieren.

Zur Unterstützung der Reifung und Qualifizierung des Induktionsschweißprozesses mit diesen neuen Verbundlaminaten hat KVE Composites einen standardisierten Aufbau für das Schweißen von Einfach-Überlapscherben und auch L- und T-Abreißprüfkörpern entwickelt. Dieser Aufbau umfasst:

• Einen starren Rahmen, um Lasten vom Anpressdruck auf das Laminat während des Schweißens aufzunehmen.
• Einen unteren Werkzeugblock, der unter dem Rahmen positioniert werden kann, um reproduzierbares Schweißen von Standardpanels zu ermöglichen.
• Einen aufblasbaren Dorn (Druckbalg in der Abbildung) im unteren Werkzeugblock, der sich nur in eine Richtung ausdehnen kann, um das zu schweißende Laminat gegen einen speziellen Wärmesenker („KVE-Material“ in der Abbildung) zu pressen, um die Wärme an der Schweißnaht zu konzentrieren.

Durch Austauschen der unteren Werkzeugblöcke können verschiedene Standardprüfkörper geschweißt und dann ultraschallgeprüft werden, wonach kleinere Proben geschnitten und mechanisch getestet werden können. Dieser standardisierte Aufbau wurde bereits installiert bei:

• Thermoplastic Research Centre (TPRC, Enschede, Niederlande)
• McNair Center an der University of South Carolina (Columbus, SC, USA)
• Netherlands Aerospace Centre (NLR, Marknesse, Niederlande)

Reparatur

Ein weiterer Schlüsselentwicklungsbereich ist die Reparatur von TPC-Aerostrukturen. „Wir fokussieren uns zuerst auf CF-Gewebe/PPS-Strukturen, die qualifiziert und fliegend sind“, sagt Labordus. „Der Prozess ist im Grunde derselbe wie bei Duroplast-Reparaturen: beschädigtes Material entfernen, den Bereich mit einem Schrägschnitt (Taper Scarf) vorbereiten und dann einen Prepreg-Reparaturflicken einbinden. Labordus sagt, eines der Probleme sei, dass thermoplastisches Prepreg bei Raumtemperatur steif und nicht klebrig sei, „sodass es schwer ist, die Geometrie passend zu machen.“ Er glaubt jedoch, dass die robotischen Reparatursysteme, die von Airbus, Lufthansa und anderen entwickelt werden, eine Lösung bieten.

Solche Systeme nutzen Metrologie, um robotisch bearbeitete Taper-Scarfs präzise zu vermessen und dann einen vorgefertigten Flicken einzubinden, der robotisch taper-bearbeitet wurde, um zu passen. „Wir wollen Induktionsschweißen nutzen, um einen Thermoplast-Flicken an die Originalstruktur anzuschweißen“, sagt Labordus, aber es gibt noch Probleme zu lösen. „Abhängig von der Form von Bauteil und Flicken bilden sich Wirbelströme nicht überall, sodass wir Bereiche von Kälte oder Überhitzung bekommen können. KVE Composites hat dies durchgearbeitet und einen 2D-linearen Taper-Joint in CF-Gewebe/PPS-Laminaten mit gleichmäßiger Dicke und perfekter Schweißnaht erreicht. „Wir lagen innerhalb von 10 % der Jungmaterialeigenschaften“, sagt Labordus.

Der nächste Schritt wird sein, zwei rechteckige Teile jeweils mit geschrägter Kante zu induktionsschweißen und dann einen getaperten Flicken an ein kreisförmiges/elliptisches Loch mit getapertem Scarf zu schweißen, was im Wesentlichen die Methode für Duroplast-Reparaturen ist. „Wenn das funktioniert, werden wir dann zu UD-Laminaten mit PEEK und PEKK übergehen“, sagt Labordus. Er merkt an, dass ein System für die Nutzung einer Induktionsspule für Reparaturen im Feld noch nicht demonstriert wurde, „aber im Labor geht es.“ Ein weiteres Problem ist, wie man Druck für ausreichend engen Kontakt zwischen Reparaturflicken und getaperter Oberfläche anwendet. „Im Laborwerkzeug werden derzeit 5 bar Druck genutzt. Ich bin mir nicht sicher, ob Druck nur durch Vakuumbeutel ausreicht, aber bei flacherem UD-Material könnten 1 bar vom Vakuumbeutel allein okay sein.“

Diese Arbeit bei KVE Composites wird von Michel van Tooren, Direktor des SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, Teil des McNair Center an der University of South Carolina (Columbia, SC, USA), erweitert. „Wir induktionsschweißen Thermoplastverbunde unter einem Vakuumbeutel, was sehr ähnlich ist wie heutige In-Feld-Verbundreparaturen mit Hot Bonder und Heizdecke“, erklärt er. „Der Vakuumbeutel verhält sich wie weiches Werkzeug für die Kompression der beiden Teile. Man legt Induktionsstrom an und erreicht eine Schmelzreparatur. Man braucht nur die Prozessgrenzen und Parameter definiert. In gewisser Weise ist es einfacher als Duroplast-Reparatur, weil man die Reparatur immer wieder aufschmelzen kann, wenn nötig, sogar auf der anderen Seite der Welt oder nach 20 Jahren Dienst. Und das Ergebnis ist keine Klebeverbindung, sondern ein kohäsives Teil, somit eliminiert man alle Probleme mit Kleben und wie man weiß, ob man eine gute Klebeverbindung bei einer Duroplast-Reparatur hat.“ Er glaubt auch, dass mit den jetzt entwickelten automatisierten robotischen Reparaturtechnologien „Induktionsschweißen einer Reparatur relativ unkompliziert wäre.“

Duroplast-zu-Thermoplast-Schweißen

Van Tooren entwickelt auch Induktionsschweißen zum Verbinden von Duroplast- und Thermoplastverbunden. „Wir führen Thermoplast an ein Duroplast-Verbund ein, aber nur dort, wo wir schweißen wollen“, erklärt er. „Wir graften ein Nanopartikel auf und machen eine kleine Kreuzpolymerisation. Das Ergebnis ist eine Insel von Thermoplast, implantiert in und chemisch ko-geschmolzen mit dem Duroplast-Verbund. Ich kann dann auf die Thermoplast-Insel schweißen.“ Wieder ist die Vision alternative Methoden für Verbundfügung und -montage, die Bohren von Löchern und Probleme konventionellen Klebens vermeiden.

Automotive

Fast alle im Thermoplastschweißen-Printartikel genannten Unternehmen schauen auch auf Automotive-Anwendungen. „Schweißen hilft, Verbunde wettbewerbsfähig vs. Aluminium zu machen“, sagt Offringa bei GKN Fokker. „Automotive schaut auch auf Schweißen als schnelle Alternative zum Kleben. Wir haben mit mehreren Automobilfirmen über schnelle Verarbeitung von Verbunden gesprochen.“ Er weist darauf hin, dass Kohlefaser-Autokarosserien meist Duroplast sind, mit einer spezifizierten Klebstoffdicke geklebt. „Wenn man diese Teile aus Thermoplastverbunden herstellen und Lücken zwischen Komponenten durch Schweißen der Montage eliminieren könnte, dann kann man eine steifere Karosseriestruktur bauen, was Gewichts-, Kosten- und Performance-Vorteile bringt.“

Jérôme Raynal, Business Development Manager bei Composite Integrity, sieht ebenfalls Potenzial. Seine Firma arbeitete mit STELIA Aerospace an der Entwicklung des dynamischen Induktionsschweißprozesses, der CF/PEKK UD-Tape-Stringer und Rumpfhaut im TP-Demonstrator verbindet, der auf der Paris Air Show 2017 enthüllt wurde. „Wir haben Widerstandsschweißen für Automotive mit sowohl Polyamid [PA, Nylon] als auch Polypropylen [PP] Verbunden entwickelt“, sagt Raynal. „Wir haben eine Vielzahl verschiedener Technologien dafür. Zum Beispiel können wir einen MetallDraht in einem Teil einbetten, es mit einem anderen Teil in Kontakt bringen und Strom einspeisen. Wir können auch einen Kohlefaser-Widerstandsflicken an der Schweißnaht platzieren, um die erforderliche Schweißwärme zu erzeugen.“ In einer Entwicklung wurden zwei CF/PA-Komponenten mit einem speziell entwickelten Widerstandsflicken aus demselben Polymer und einem Glasfaservlies zur elektrischen Isolation des angrenzenden Laminats und Konzentration der Energie an der Schweißnaht geschweißt. Was ist mit Metalleinsätzen, die in Autoteilen sehr typisch sind? „Teile mit Metalleinsätzen sind kein Problem beim Widerstandsschweißen, und beim Induktionsschweißen würde man eine speziell entwickelte Spule nutzen oder die elektromagnetischen Felder und Ströme anderweitig modifizieren“, antwortet Raynal. „Das müsste entwickelt werden, aber es ist ähnlich zu dem, was wir bereits für automatisierte Produktion von Flugzeugstrukturen demonstriert haben.“

Weitere Entwicklungen und andere Projekte

Ein Hinweis zum Eingangsbild: Es zeigt eine CAD-Darstellung des automatisierten Prozesses, entwickelt vom DLR Center for Lightweight Production Technology (DLR ZLP, Augsburg, Deutschland) mit einem Ultraschallschweiß-Kopf auf einem KUKA Quantec KR210 Industrieroboter, um acht TPC-Segmente zu einem Heckdruckschott (RPB) für ein A320-Typ-Flugzeug zu verbinden. Im begleitenden Printartikel zum TPC-Schweißen diskutierte ich DLR ZLPs Entwicklung einer Widerstandsschweiß-Methode, die auf Premium Aerotecs A320 RPB Demonstrator auf der ILA 2018 in Berlin ausgestellt wurde. Laut Lars Larsen, Gruppenleiter für Montage- und Fügetechnologien am DLR ZLP, „haben wir parallel zum Widerstandsschweißprozess mit einer ‚Schweißbrücke‘ auch einen robotisch betätigten Ultraschallschweißkopf entwickelt. Wir haben vorläufige Tests abgeschlossen, um relevante Schweißprozessparameter zu bestimmen, und in den nächsten Monaten werden wir die Integration dieses Ultraschallschweiß-Endeffektors in unseren Roboter verfeinern. Unser Ziel ist es, einen einzigen industriellen Prozess für das Schweißen sowohl von Flugzeug-Rumpfstringern als auch Heckdruckschotten aus Thermoplastverbunden zu entwickeln.“

Weitere Projekte, die ich diesmal nicht abdecken konnte, umfassen EireComposites und deren Teilnahme an den Ybridio- und Innova-Projekten, die das Potenzial von Schweißen zur Kostenreduktion und Automatisierungssteigerung verfolgen. Das Unternehmen berichtet Induktions- und Widerstandsschweißfähigkeit für CF/PEEK, CF/PEKK und GF/PP Verbunde und dass Thermoplastschweißen für den Bombardier CSeries (jetzt Airbus A220) Flügel evaluiert wurde.

Tods Aerospace, jetzt Teil von Unitech Aerospace, nahm an einem National Aerospace Technology Exploitation Programme (NATEP) teil, gesponsert von Rolls-Royce, das die Entwicklung einer Widerstandsschweißtechnik ohne metallische Einbettungen untersuchte. TenCate-Toray und das National Composites Centre (Bristol, UK) waren ebenfalls Partner.

Bleiben Sie dran, ich plane, Laser Zentrum Hannovers (LZH) Entwicklungen beim Laserschweißen thermoplastischer Verbunde in naher Zukunft abzudecken.