Schweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen

Im Gegensatz zu Verbundwerkstoffen, die mit einem Duroplast hergestellt wurden Matrix, thermoplastisch Composites (TPCs) erfordern weder komplexe chemische Reaktionen noch langwierige Aushärteprozesse. Thermoplastische Prepregs benötigen keine Kühlung und bieten praktisch unbegrenzte Haltbarkeit. Die in Luft- und Raumfahrt-TPCs verwendeten Polymere – Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) und Polyarylketon (PAEK) – bieten eine hohe Schadenstoleranz in Fertigteilen sowie Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit und daher unter heißen/nassen Bedingungen nicht zersetzen. Und sie können wieder eingeschmolzen werden, was Vorteile bei der Reparatur und der Recyclingfähigkeit am Ende ihrer Lebensdauer verspricht. Aber der vielleicht größte Treiber für den Einsatz von TPC in der Entwicklung von Flugzeugen ist die Möglichkeit, Komponenten durch Schmelzkleben/Schweißen zu verbinden. Es stellt eine attraktive Alternative zu den herkömmlichen Methoden – mechanische Befestigung und Kleben – dar, die zum Verbinden von Teilen aus duroplastischem Verbundwerkstoff (TSC) verwendet werden.

Wie in dem viel zitierten Papier „Fusion Bonding/Welding of Thermoplastic Composites“ von Ali Yousefpour, National Research Council Canada (Ottawa, ON, Kanada) definiert, „beinhaltet der Prozess des Fusionsbondens das Erhitzen und Schmelzen des Polymers auf der Bindung Oberflächen der Bauteile und anschließendes Zusammenpressen dieser Oberflächen zur Polymerverfestigung und -verfestigung.“ Das Ergebnis unterscheidet sich stark vom Duroplastfügen.

„Sie schaffen eine einheitliche Struktur, wie zum Beispiel eine Rippe, die an eine Haut geschweißt ist“, erklärt Arnt Offringa, Leiter des Bereichs Aerostructures R&T bei GKN Fokker (Hoogeveen, Niederlande). „Unter dem Mikroskop sieht man nur homogenes Polymer, also etwas anderes als Kleben. Es gibt keine Trennlinie, keinen Spalt, kein erkennbares Verbindungsmaterial wie Klebstoff. Es gibt nur ein Material, weshalb Sie auf beiden Seiten der Schweißnaht das gleiche Polymer verwenden. Daher werden die Behörden eine solche Verbindung ohne mechanische Befestigungselemente akzeptieren.“ (Offringa verwendet hier das Wort „verbinden“, weil das Ergebnis des Schweißprozesses keine Verbindung, sondern ein festes Stück ist.)

Tatsächlich fliegen solche geschweißten TPC-Strukturen seit Jahrzehnten. Und obwohl Widerstandsschweißen und Induktionsschweißen die beiden am weitesten verbreiteten Verfahren sind, werden andere, einschließlich Ultraschallschweißen, Laserschweißen und Konduktionsschweißen, für den Einsatz bei Verbundwerkstoffen weiterentwickelt. Die Entwicklung dieser Verfahren wird fortgesetzt, da Schweißbefürworter die erforderliche Zuverlässigkeit in prädiktiver Prozesssimulationssoftware, einer verbesserten Inline-Steuerung von Schweißprozessvariablen und einer Ausweitung der Schweißprozesse auf die Produktion von Flugzeugprimärstrukturen suchen.

Widerstandsschweißen

Zusammen mit der KVE Composites Group (Den Haag, Niederlande) ist GKN Fokker ein anerkannter Marktführer in der Entwicklung des TPC-Schweißens (siehe CW 's Tour durch Fokker Aerostructures). „Wir haben Anfang der 90er Jahre mit dem Widerstandsschweißen angefangen“, sagt Offringa. „Die Eleganz dieser Methode liegt darin, dass die Wärme genau an der Nahtstelle entsteht.“ Elektrischer Strom, der durch ein Widerstandselement an der Schweißgrenzfläche geleitet wird, erzeugt Wärme und schmilzt das thermoplastische Polymer (Abb. 1). Dieses Widerstandselement – ​​ein Metall oder eine Kohlefaser (CF) – verbleibt jedoch im fertigen Teil. „Wir haben eine Methode entwickelt, bei der ein PPS-beschichtetes Metallgewebe als Widerstandselement verwendet wird, und dann zertifizierte und geflogene widerstandsgeschweißte CF/PPS-Hauptfahrwerkstüren an der Fokker 50 Turboprop-Flugzeuge im Jahr 1998“, sagt Offringa. „Dies führte dann zu Gesprächen mit Airbus UK (Broughton, Chester, UK) und zur Entwicklung von Glasfaser/PPS-festen Vorderkanten für die A340/A350 und dann A380 Großraumflugzeuge.“ GKN Fokker hat seine Forschung zum Widerstandsschweißen fortgesetzt, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) liegt.

Die Technologie hat sich weiterentwickelt. Premium AEROTEC (Augsburg, Deutschland) präsentierte auf der ILA Berlin Air Show 2018 einen A320-Demonstrator für das hintere Druckschott von Airbus (Toulouse, Frankreich). Die Stirnwand besteht aus acht formgepressten CF-Gewebe/PPS-Segmenten, die durch Widerstandsschweißen zusammengefügt werden. „Wir setzen seit einiger Zeit das Widerstandsschweißen ein“, sagt Dr. Michael Kupke, Leiter des Zentrums für Leichtbau-Produktionstechnik (ZLP) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Augsburg. „Für den Premium AEROTEC Demonstrator haben wir die Bindenahtlänge auf 1,5 m verlängert.“

ZLP entschied sich für ein Widerstandselement aus Kohlefaser im Vergleich zu einem herkömmlichen Edelstahlgewebe. „Beim Induktionsschweißen ist es schwierig, die Temperatur und Energie dorthin zu bringen, wo man sie haben möchte und nicht woanders im Teil“, sagt Kupke. „Beim Widerstandsschweißen ist das von Natur aus gelöst, aber der Nachteil war bisher, dass der Widerstand im Teil verbleibt.“ Die Verwendung eines Kohlefaserwiderstands lindert diesen Nachteil.

Die grundlegende Methode bleibt jedoch dieselbe. „Man legt eine Spannung an und übt Druck auf beide Teile aus, um eine gute Konsolidierung zu erreichen“, fügt er hinzu. „Bei kleineren Teilen übt der Roboter-Endeffektor den Druck aus, aber bei größeren Teilen braucht man eine Spannvorrichtung, um den Spanndruck bereitzustellen.“ Die Vorrichtung für das hintere Druckschott des A320 ist eine gebogene „Schweißbrücke“ aus Metall von Premium AEROTEC (Abb. 2). Es dreht sich in Position über jeder der acht Bindenähte und bringt den erforderlichen Druck über 10 pneumatische Zylinder im Inneren auf.

Neben PPS hat das DLR-ZLP-Team von Kupke validiert, dass dieses Verfahren auch für Kohlefasergewebe/PEEK funktioniert. „Wenn Sie PEEK verwenden können, können Sie sich an PEKK, PAEK und PEI anpassen“, fügt er hinzu. „Wir sollten auch in der Lage sein, unidirektionales (UD)-Band zu schweißen“, bemerkt er auch (Herausforderungen beim Schweißen von UD-Bändern werden unten erläutert). Kupke sagt, dass es keine Begrenzung für die zu schweißende Teiledicke gibt, „sie könnte 3 mm oder 30 mm betragen, aber beim Wärmemanagement an der Schweißlinie ist Vorsicht geboten.“

Er sagt, der nächste Schritt sei die Entwicklung einer Reihe optimierter CF-Widerstandselemente. „Wir haben vorerst nur Standardmaterialien verwendet.“ Kupke weist darauf hin, dass dies nur ein Demonstrator war, kein industrieller Prozess. „Um zu industrialisieren, würden wir es ein bisschen anders machen. Der Schweißprozess für jede Verbindung in der A320-Schottwand dauerte 4 Minuten, jedoch wurden nur 90 Sekunden Schweißstrom angelegt. Die verbleibende Zeit war für das Erwärmen und Abkühlen des PPS-Thermoplasten an der Bindenaht vorgesehen. Mit der Industrialisierung glauben wir, dass die Gesamtzeit schneller wäre und das Schweißen immer noch nur 60-90 Sekunden pro 1,5-m-Verbindung dauern würde.“

Induktionsschweißen

KVE begann Anfang der 2000er Jahre mit Induktionsschweißen zu arbeiten. Die grundlegende Technik besteht darin, eine Induktionsspule entlang der Bindenaht zu bewegen. Die Spule induziert im inhärent leitfähigen CFK-Laminat Wirbelströme, die Wärme erzeugen und den Thermoplast aufschmelzen. „Wir begannen mit einlagigen Schercoupons, folgten dem Baukastenprinzip und gingen über L-Gelenke, T-Gelenke, dann Grundstrukturen und schließlich Aufzüge und Seitenruder“, erinnert sich KVE-Geschäftsführer Harm van Engelen.

Parallel dazu entwickelte das Unternehmen Computersimulationen. „Simulation hilft Ihnen, die Temperatur an der Außenfläche und an der Bindenaht vorherzusagen“, erklärt er. „Sie müssen die Wärme in der Bindenaht konzentrieren, aber die angrenzenden Abschnitte nicht überhitzen. Die Oberfläche erwärmt sich schneller als die Oberfläche, also muss man diese Hitze loswerden.“ KVE patentierte nicht nur die resultierende Wärmemanagementtechnologie und Werkzeugmaterialien, sondern auch seinen werkzeugbasierten Ansatz zur Aufrechterhaltung des Drucks während des Schweißens und seine Robotersteuerung der Induktionsspule und des Schweißkopfs, die es 2005 entwickelt hat.

„Dies bot eine Alternative zum Widerstandsschweißen für CFK, die keinen Suszeptor oder Schweißstreifen erforderte“, sagt Offringa von GKN Fokker. „Wir haben die KVE-Technologie lizenziert und auf der Gulfstream G650 implementiert Höhen- und Seitenruder, die seit 2008 fliegen.“ KVE war ein wichtiger Partner bei der Entwicklung und Industrialisierung des Roboter-Induktionsschweißverfahrens. Für die Höhen- und Seitenruder der Dassault Falcon 5X wird eine raffinierte Technik der zweiten Generation verwendet . Van Engelen stellt fest, dass Schweißen für die G650 wurde automatisiert, aber in mehreren Schritten abgeschlossen. „Für den Dassault ist es in einem Schuss erledigt“, fügt er hinzu. „Alle Teile werden in die Werkzeuge gelegt und dann werden in einer Schicht über Nacht zwei Höhenruder und ein Seitenruder geschweißt.“

Bis 2008 hatte KVE mit den Einzellappen-Schertests (SLS) von UD CF/PEKK-Band begonnen und produzierte Demonstratoren für das Programm Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS). Bis 2010 wurden 3D-Simulationen von induktionsgeschweißten UD-CF-Laminaten mit Blitzschutz (LSP) abgeschlossen und mit dicken Laminaten (≤5 mm für UD PEEK und PEKK, ≤15 mm für Kohlefasergewebe/PPS) gearbeitet. KVE hatte auch ein TPC-Ruder für das Phantom Eye von The Boeing Co. (Chicago, IL, USA) entworfen und gebaut UAV, mit der Boeing 2011 mit der Produktion begann. Bis 2014 hatte das Unternehmen induktionsgeschweißte UD CF/PEKK-Demonstratoren hergestellt und arbeitet nun mit mehreren OEMs und Tier-1-Zulieferern zusammen, um diese Technologie für andere Flugzeugstrukturen zu qualifizieren.

Umstellung von Stoff auf UD-Band

Induktionsschweißen eignet sich gut für Kohlefasergewebe, sagt Offringa, „aber mit UD-Band ergeben sich neue Herausforderungen, um Produktionsgeschwindigkeiten zu erreichen.“

Wie Dr. Michel van Tooren, Direktor des SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, das zum McNair Center an der University of South Carolina (Columbia, SC, USA) gehört, erklärt:„Für die Induktion in CFK-Laminaten braucht man Fasern bei zwei verschiedene Winkel – am besten möglichst weit weg – um Wirbelströme zu erzeugen.“ Die senkrechte 0°- und 90°-Faserorientierung im Gewebe ist ideal, wodurch Wirbelströme in jeder Lage des Laminats erzeugt werden können. Bei UD-Laminatstapeln ist es jedoch üblich, dass 45°-Lagen durchsetzt sind, damit der Winkelunterschied geringer ist. „Der Wirbelstrom-Heizmechanismus wird beeinflusst, weil diese Richtungen nicht senkrecht sind , fügt Maarten Labordus, Leiter F&E bei KVE, hinzu. „Außerdem gibt es keine deutliche Faserüberkreuzung zwischen den Lagen, sie sind nur geschichtet. Daher benötigen Sie im Vergleich zu Stofflaminaten mehr Leistung, um Strom zu induzieren.“

Das Hinzufügen von mehr Leistung macht den Schweißprozess jedoch nicht einfacher. Der Ausgleich von elektrischer Leistung und Temperatur an der Schweißlinie ist nicht einfach, da sich der Induktionsschweißprozess nicht nur mit der Stapelreihenfolge, sondern auch mit der Laminatdicke und der Teilegeometrie ändert. „Also schauen wir uns die Prozessparameter an und wie Wärme in den Materialien erzeugt wird“, sagt Sebastiaan Wijskamp, ​​technischer Direktor von TPRC. „Wir wollen Richtlinien und Konstruktionstools haben, um die Schweißleistung im Voraus vorhersagen zu können. Wenn Sie von Fabric zu UD wechseln möchten, wie können Sie dies schnell tun, ohne einen Trial-and-Error-Prozess durchlaufen zu müssen? Im Idealfall ermöglichen Simulationen auf Basis der elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften von Fasern und Polymeren, auch für ein bestimmtes Layup, sowie unter Berücksichtigung der Teilegeometrie, Ihren Schweißprozess pro Teil auszulegen. Wir führen gemeinsame Forschungen mit KVE und Michel van Tooren am McNair Center durch, um das grundlegende Verständnis für diese Richtlinien und Werkzeuge zu entwickeln.“

„Wir quantifizieren all diese Faktoren – UD vs. Gewebe, Stapelreihenfolge, Bereiche mit mehr Harz und weniger Harz – und stellen ihre Beziehung her, dann fügen wir dies wieder in das allgemeine Schweißmodell ein“, erklärt Labordus (Abb. 3) . Bereiche mit hohem Harzgehalt wirken als Isolator und verzögern die Hitze, während Bereiche mit niedrigerem Harzgehalt (und höherem Fasergehalt) die Erwärmung erleichtern. „Zuerst lagen wir mit UD 40 % unter unseren Schweißprognosen, aber jetzt liegen wir innerhalb von 10 % und nähern uns unseren hohen Genauigkeitswerten für CF-Gewebe/PPS“, fügt Labordus hinzu.

Van Tooren ist auch fast in der Lage, vorherzusagen Induktionsschweißleistung für UD-Laminate. „Bis Ende 2018 werden wir über ein Simulationstool verfügen, das für relativ einfache Geometrien funktioniert und dabei hilft, die erforderliche Spulenform, Leistung, Robotergeschwindigkeit und das Heizprofil für eine bestimmte Anwendung zu identifizieren.“ Diese Vorhersagefähigkeit wird parallel zu physikalischen Tests entwickelt, um den Einsatz von geschweißten TPC-Komponenten in größeren Primärstrukturen für zukünftige Flugzeuge zu unterstützen. Van Toorens Labor ist ein Forschungspartner von KVE und einer von vier Standorten – zusammen mit der KVE-Einrichtung in Den Haag, dem Niederländischen Luft- und Raumfahrtzentrum (NLR, Amsterdam) und dem ThermoPlastic Composites Research Center (TPRC, Enschede, Niederlande) – das ein von KVE entwickelter standardisierter Induktionsschweißaufbau (Abb. 4) zur Unterstützung der Prozessqualifizierung bei OEMs und Tier-1-Zulieferern (siehe „Neue Horizonte beim Schweißen thermoplastischer Verbundwerkstoffe“).

Induktionsspulen nach Maß

Ein alternativer Induktionsschweißansatz wurde von Composite Integrity (Porcelette, Frankreich) verwendet, um den Prozess des „dynamischen Induktionsschweißens“ zu entwickeln, der verwendet wird, um CF/PEKK UD-Bandstringer und Rumpfschalen in der Arches TP-Strukturdemonstration von STELIA Aerospace (Toulouse, Frankreich) zu verbinden Projekt, das auf der Paris Air Show 2017 vorgestellt wurde (Abb. 5). Composite Integrity ist die Composites-Abteilung des Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, Frankreich). „Wir greifen auf mehr als 100 Jahre Erfahrung der IS Groupe im Schweißen von Metallen zurück, um unsere eigenen Induktionsspulen zu entwickeln und zu bauen, die für jedes Material, jede Dicke und jede Teileform optimiert sind, einschließlich spezifischer Spulen für Gewebe, Gelege und UD“, erklärt das Composite Integrity-Geschäft Entwicklungsleiter Jérôme Raynal. „Das Hauptproblem bei UD besteht darin, dass es keine Schweißknoten gibt, um Induktionsstrom zu erzeugen, daher benötigen wir eine spezielle Spule – in diesem Fall eine Mehrfachspule.“

Composite Integrity wurde vor 25 Jahren als Pôle de Plasturgie de l’Est (PPE) gegründet und ist bei französischen Luft- und Raumfahrtunternehmen führend in den Bereichen Resin Transfer Moulding (RTM) und Epoxidharz-infundierte Flugzeugstrukturen. Das Unternehmen wurde 2016 in die IS Groupe aufgenommen und hat mit Aviacomp (Launaguet, Frankreich) zusammengearbeitet, um eine Co-Consolidation-Schweißtechnologie zu entwickeln, die in TPC-Kraftstoffzugangstüren für Airbus A350-Flugzeuge verwendet wird. „Widerstandskomponenten auf der Oberfläche der geformten inneren und äußeren Verbundteile bringen Wärme in die Bindenaht“, sagt Raynal.

Composite Integrity begann 2015 mit der Arbeit am Projekt STELIA Arches TP, das das Induktionsschweißen von rumpfgroßen, gebogenen Teilen ermöglicht. Der Prozess wird als „dynamisch“ bezeichnet, da der Roboter die Stringer entlang des Rumpfes schweißt und nimmt 3D-Formen auf, einschließlich Bewegungen in z-Richtung während des Schweißens. „Sowohl die Stringer als auch die Haut des STELIA-Demonstrators weisen eine Dickenänderung auf“, erklärt Raynal. Eine Aluminiumschiene dient als Fixiervorrichtung, um ein Verschieben des Stringers auf der Haut beim Schweißen zu verhindern. Beim Demonstrator wurde der Druck über zwei Rollen im Schweißkopf aufgebracht. Diese sitzen über der Spule. Beim Schweißen laufen die Rollen entlang des Stringers, neben der Fixierschiene, während das Coil über die Bindenaht fährt.

„Wir haben jetzt einen neuen, zum Patent angemeldeten Schweißkopf entwickelt, der eine einzige Rolle verwendet und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht verbessert“, bemerkt Raynal. „Wir haben auch eine Kühlvorrichtung, die Luft unter Druck auf die Schweißfläche bläst, um sicherzustellen, dass wir unterhalb der Kristallisationstemperatur sind, sodass keine Gefahr einer Dekompaktierung besteht, sobald der Druck abgelassen wird.“

Das Kühlen beeinflusst auch die Kristallinität der thermoplastischen Matrix an der Bindenaht. „Wir testen, ob die Kristallinität den Luft- und Raumfahrtstandards entspricht, und legen dann die entsprechenden Parameter für den Schweißprozess fest“, erklärt Raynal. Geschwindigkeit ist auch ein Faktor. „Für den Demonstrator betrug die Geschwindigkeit 2 m/min, aber unser Ziel sind jetzt 5 m/min“, sagt er. „Das Abkühlen und die Kristallinität von PEEK und PEKK sind komplizierter zu handhaben, was sich auf die globale Schweißgeschwindigkeit auswirkt, aber wir haben mit beiden gute Ergebnisse erzielt, wenn wir von Airbus qualifiziertes konventionelles Organoblech verwenden.“ Die maximale Dicke der bisher geschweißten Teile beträgt 5 mm. „Wir haben dies gezeigt, was ungefähr der Dicke entspricht, die man bei Strukturbauteilen haben würde“, beobachtet Raynal. „Für STELIA haben wir die Kohlefaser als Leiter ohne Metall in der Schnittstelle verwendet, aber jetzt entwickeln wir eine Technologie, um jede Faser – zum Beispiel Glasfaser – auch ohne Metallgewebe zu schweißen. Wir fügen kein Material an der Schnittstelle hinzu, können aber problemlos UD an Gewebe und UD an UD schweißen“, behauptet er.

Ultraschallschweißen

Das dritthäufigste Verfahren, das Ultraschallschweißen, ist eine weitere Technologie, mit der GKN Fokker umfangreiche Erfahrungen gesammelt hat. Das Verfahren verwendet eine Sonotrode, um hochfrequente (20-40 kHz) Schwingungen zu erzeugen, die Reibungswärme und Schmelzen an den Schweißoberflächen verursachen.

„Das ist gut für Punktschweißungen“, sagt Offringa und bemerkt, dass wir für Gulfstream-Flugzeuge „Ultraschallschweißen zum Verbinden von mehr als 50.000 spritzgegossenen TPC-Teilen mit Bodenplatten verwendet haben. Es ist sehr schnell und hochautomatisiert, aber es ist ein Schweißpunkt, an nur einer Stelle.“ Dennoch sieht er Potenzial für diese Methode in der Herstellung eines integrierten Rumpfes, wie er im Multifunctional Fuselage Demonstrator des Clean Sky 2-Programms vorgeschlagen wird (siehe „Neue Horizonte beim Schweißen thermoplastischer Verbundwerkstoffe“). „Rumpfhalterungen werden oft an aktuelle Rumpfstrukturen aus Duroplast-Verbundwerkstoff geklebt, genietet oder geschraubt“, beobachtet Offringa. „Beim Ultraschallschweißen erreicht man eine sehr gute Verbindung mit Brackets, die oft aus unverstärktem Thermoplast bestehen.“

Ultraschallschweißen wird seit mehreren Jahrzehnten bei Kunststoffen eingesetzt, typischerweise bei Energiedirektoren an der Schweißschnittstelle. Diese dreieckigen oder rechteckigen Rippen aus reinem Harz, die in die zu schweißenden Oberflächen eingeformt sind, erhöhen die lokale Wärmeentwicklung. Irene Fernandez Villegas von der Technischen Universität Delft (TU Delft, Delft, Niederlande) hat jedoch gezeigt, dass stattdessen 0,08 mm dicke, unverstärkte thermoplastische Folien verwendet werden können. „Sie arbeitet an der Entwicklung des kontinuierlichen Ultraschallschweißens“, sagt Offringa, und diese Arbeit wird innerhalb von Clean Sky 2 fortgesetzt.

In ihrem 2016 erschienenen Artikel mit dem Titel „Smart Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen“ stellt Villegas fest, dass es möglich ist, den Ultraschallschweißprozess durch sequentielles Schweißen zu vergrößern, d Schweißraupe. Sequenzielles Punktschweißen im Labormaßstab wurde in der TPC-Flugzeugzelle des Clean Sky EcoDesign-Demonstrators verwendet, wobei flache Energierichter verwendet wurden, um ein CF/PEEK-Scharnier und CF/PEKK-Clips an CF/PEEK-C-Rahmen zu schweißen (Abb. 6). Experimentelle Vergleiche mit mechanisch befestigten Verbindungen in zweilagigen Scher- und Durchziehversuchen zeigten vielversprechende Ergebnisse. Der Prozess wird von Tian Zhao, einem Teammitglied von Villegas an der TU Delft, in Artikeln aus dem Jahr 2018 weiter untersucht.

Kupke berichtet, dass auch das DLR ZLP am roboterbasierten kontinuierlichen Ultraschallschweißen arbeitet. „Punktschweißen ist der aktuelle Stand der Technik, aber unserer ist wirklich kontinuierlich“, sagt er. „Wir optimieren den Prozess auf einem rund 1 Meter langen Prüfstand und führen Parameterstudien mit unterschiedlichen Materialien und Konfigurationen durch. Obwohl die Schweißmaschine und die digitale Steuerung für einen Robotermanipulator ausgelegt sind, untersuchen wir immer noch, wie der Kopf verfeinert werden kann und welche Geschwindigkeit und Energie für jedes Material und jede Laminatdicke am besten geeignet sind. Unser Ziel ist es, zu zeigen, dass man sehr lange Schweißarbeiten durchführen kann, wie zum Beispiel die Verbindungen eines Rumpfes.“

Laserschweißen

Obwohl das Laserdurchstrahlschweißen in Yousefpours 2004er Review zu TPC-Schweißtechnologien diskutiert wurde, wurde es seitdem vom Laser Zentrum Hannover e.V. maßgeblich weiterentwickelt. (LZH, Hannover, Deutschland). Dabei wird Laserlicht zunächst durch ein im nahen infraroten Spektralbereich transparentes oder teiltransparentes Teil (z. B. einen unverstärkten Thermoplast oder Glasfaser-TPC) geleitet. Das Licht wird dann in einem zweiten angrenzenden Teil von Kohlefasern oder leitfähigen Additiven absorbiert, wodurch die Laserenergie in Wärme umgewandelt wird, wodurch die Schweißung zwischen den beiden Materialien entsteht.

Offringa von GKN Fokker weist darauf hin, dass viele spritzgegossene Flugzeughalterungen lasertransparent sind. Großes Potenzial sieht er darin, durch Laserschweißen eine loch-, staub- und befestigungsfreie Montage dieser Halterungen an CFK-Rumpfstrukturen zu erreichen. Obwohl sowohl der Verstärkungstyp als auch die Laminatdicke die Schweißnaht beeinflussen, hat das LZH im Projekt Laser Transmission Welding of Thermoplastic Composite Structures (LaWoCS, 2010-2013) gute Ergebnisse mit glasfaser- und kohlefaserverstärkten PPS- und Polyetherimid (PEI)-Laminaten gezeigt. umfassten auch KVE, TenCate Advanced Composites (Nijverdal, Niederlande), Unitech Aerospace (Yeovil, Großbritannien) und Element Materials Technology (Hitchin, Großbritannien). Das LZH hat diese Technologie patentiert und war Finalist des JEC World Innovation Award 2018 in der Kategorie Luft- und Raumfahrtanwendungen für „Modulare Thermoplastische Versteifungsplatten“, bei denen ein stanzgeformtes CFRTP-Versteifungsgitter auf eine Verbundhaut lasergeschweißt wird. Projektpartner waren die deutschen Firmen Fraunhofer ICT (Pfinztal), Airbus Operations (Hamburg), ElringKlinger (Dettingen an der Erms) und KMS Automation (Schramberg) sowie TenCate.

Leitungsschweißen

Nach der Industrialisierung des Induktionsschweißens entwickelte GKN Fokker das Konduktionsschweißen (Bild 7). „Das ist eine neue Technologie“, sagt Offringa. „Eine Art heißes Bügeleisen wird verwendet, um die Wärme durch mindestens eines der zu fügenden Teile zu leiten. Wie beim Widerstandsschweißen ist die Prozesszeit unabhängig von der Schweißnahtlänge – egal, ob die Verbindung einen halben Meter oder 10 m beträgt, die Prozesszeit ist für beide gleich.“ Dies liegt daran, dass beide Techniken Strom verwenden, um innerhalb von Sekunden Wärme entlang der Länge zu liefern. Das auf der JEC 2014 gezeigte TPC-Orthogrid-Rumpfpaneel war mit Konduktionsschweißen ausgestattet. „Die Rahmen wurden in einem zweiten Schritt mit einem Roboter mit Schweißendeffektor verschweißt“, sagt Offringa. „Die Rumpfplatte war gebogen und die Spanten waren ziemlich kurz. Diese Methode könnte jedoch gut funktionieren, um 6-10 m lange Stringer an Rumpfhaut zu schweißen.“

Inline-Prozesskontrolle und darüber hinaus

Ein wichtiger Schritt beim Reifen des TPC-Schweißens für Rumpfstrukturen ist die Möglichkeit, den Prozess vor Ort zu überwachen und zu steuern. „Derzeit ist unser Induktionsschweißprozess vorkonfiguriert“, sagt van Engelen von KVE. „Wir verwenden Thermoelemente in der Schweißlinie, um den Prozess zu kalibrieren. Aber wir ziehen es vor, die Temperatur in der Schweißnaht zu messen und diese zurückzugeben, um den Strom an die Spule zu steuern.“

„Unsere Schweißprozesse werden digital gesteuert und alle Prozessdaten werden gespeichert“, sagt Offringa von GKN Fokker, „aber wir bewegen uns in Richtung einer Inline-Prozesssteuerung, die auf Echtzeit-Temperaturmessung basiert.“ Für das Induktions- und Widerstandsschweißen hält er dies in wenigen Jahren für möglich, während das Ultraschallschweißen schon ziemlich nah dran ist. Villegas von der TU Delft gibt an, dass eine in-situ-Prozessüberwachung des sequentiellen Ultraschallschweißens basierend auf den von der Schweißmaschine bereitgestellten Leistungs- und Wegkurven möglich ist, die es ermöglichen, schnell optimale Bearbeitungsparameter zu definieren.

Neben der Prozesskontrolle arbeitet KVE auch an der Inline-Inspektion. „Wenn die Schweißnaht ein Problem zeigt, gehen wir einfach zurück und schweißen sie neu“, sagt van Engelen.

„Deshalb sind thermoplastische Verbundwerkstoffe so gut“, sagt Raynal von Composite Integrity. „Nachschweißen schadet ihnen nicht. Wir verfügen über eine spezielle Technologie zum Schweißen und Entschweißen mit Widerstandsschweißen, um sie durch Strominjektion zu demontieren.“ Sein Unternehmen entwickelt auch die Inline-Inspektion. „Wir werden eine Thermografiezelle direkt nach dem Induktionsschweißkopf haben und die Schweißnaht mit Live-Thermografie überprüfen“, sagt Raynal. Van Tooren verfolgt auch die Prozessüberwachung und -inspektion vor Ort, verwendet jedoch faseroptische Sensoren, darunter das ODiSI-System von Luna (Roanoke, VA, USA), das mehr als 1.000 Sensorpunkte pro Meter bietet.

TPRC und van Tooren haben jeweils laufende Projekte zur Entwicklung einer Inline-Prozesskontrolle für das Induktionsschweißen großer, gekrümmter Strukturen und unterschiedlicher Dicken, einschließlich Lagenaufbau und -abfall in Stringern. Van Tooren entwickelt auch das Induktionsschweißen unter einem Vakuumbeutel. „Es wird wie ein weiches Werkzeug zum Komprimieren der beiden zu schweißenden Oberflächen“, sagt er und zielt derzeit auf potenzielle Reparaturanwendungen ab (siehe „Neue Horizonte beim Schweißen thermoplastischer Verbundwerkstoffe“). Van Engelen’s list of KVE future developments also includes TPC repair, induction welding of glass fiber TPCs, nonaerospace applications and flux concentrators. “We are developing reflective materials to concentrate the electromagnetic field at the weldline,” he explains. “You want to put the energy here instead of at the part’s outer surface. With these flux concentrators, you direct the energy, similar to how you direct fiber where you want, using automated placement.”

“We are still developing all of the welding technologies,” Offringa sums up, “and exploring new ones. Most importantly, we don’t think there is a single technology with the most promise, but that each has its place.”

Wijskamp notes that with the recent Clean Sky 2 calls for proposals, it has become clear that Airbus wants to use welded TPCs in large airframe structures. “But we have seen this already in our 19 partners that have joined since 2009,” he adds.

Van Tooren believes that a welded, fastenerless, large component, if not a full fuselage, is within reach. “Preferably, on the Boeing New Midsize Airplane, but definitely the next aircraft.”