Expertenleitfaden zum Schweißen thermoplastischer Verbunde

Im Gegensatz zu Verbunden mit Duroplast-Matrix erfordern thermoplastische Verbunde (TPCs) weder komplexe chemische Reaktionen noch langwierige Aushärtungsprozesse. Thermoplastische Prepregs benötigen keine Kühlung und bieten praktisch unbegrenzte Haltbarkeit. Die in Luftfahrt-TPCs verwendeten Polymere – Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) und Polyarylketon (PAEK) – bieten hohe Schadentoleranz in Fertigteilen sowie Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit und degradieren somit nicht in heiß/feuchten Bedingungen. Und sie können aufgeschmolzen werden, was Vorteile bei Reparatur und End-of-Life-Recycling verspricht. Aber vielleicht der größte Treiber für TPC-Einsatz in der Flugzeugentwicklung ist die Fähigkeit, Komponenten durch Schmelzkleben/Schweißen zu verbinden. Es präsentiert eine attraktive Alternative zu den konventionellen Methoden – mechanisches Fügen und Kleben – die zum Verbinden von duroplastischen Verbundteilen (TSC) genutzt werden.

Wie in dem weit zitierten Paper „Fusion Bonding/Welding of Thermoplastic Composites“ von Ali Yousefpour, National Research Council Canada (Ottawa, ON, Kanada), definiert: „Der Prozess des Schmelzfügens beinhaltet das Erhitzen und Aufschmelzen des Polymers auf den Fügeflächen der Komponenten und anschließendes Zusammenpressen dieser Flächen zur Polymererstarrung und Konsolidierung.“ Das Ergebnis unterscheidet sich grundlegend vom Duroplast-Fügen.

„Man schafft eine vereinheitlichte Struktur, wie eine an eine Haut angeschweißte Rippe“, erklärt Arnt Offringa, Leiter Aerostructures F&E für GKN Fokker (Hoogeveen, Niederlande). „Unter dem Mikroskop sieht man nur homogenes Polymer, das ist anders als Kleben. Es gibt keine Trennlinie, keinen Spalt, kein identifizierbares Fügematerial wie Klebstoff. Es gibt nur ein Material, weshalb man dasselbe Polymer auf beiden Seiten der Schweißnaht verwendet. Daher akzeptieren Behörden eine solche Verbindung ohne mechanische Befestigungselemente.“ (Offringa nutzt hier das Wort „Verbinden“, weil das Ergebnis des Schweißprozesses keine Fuge ist, sondern ein massives Stück.)

Tatsächlich fliegen solche geschweißten TPC-Strukturen seit Jahrzehnten. Und obwohl Widerstands- und Induktionsschweißen die zwei etabliertesten Methoden sind, werden andere, einschließlich Ultraschallschweißen, Laserschweißen und Leitungs-schweißen, für den Einsatz mit Verbunden weiterentwickelt. Die Entwicklung dieser Methoden schreitet voran, da Schweißbefürworter die nötige Zuverlässigkeit in prädiktiver Prozesssimulationssoftware, erhöhte Inline-Kontrolle von Schweißprozessvariablen und Erweiterung der Schweißprozesse auf die Produktion von Flugzeugprimärstrukturen anstreben.

Widerstandsschweißen

Zusammen mit KVE Composites Group (Den Haag, Niederlande) ist GKN Fokker ein anerkannter Führer in der TPC-Schweißentwicklung. „Wir begannen mit Widerstandsschweißen in den frühen 1990ern“, sagt Offringa. „Die Eleganz dieser Methode ist, dass Wärme genau an der Schweißnaht erzeugt wird.“ Elektrischer Strom, geleitet durch ein Widerstandselement an der Schweißnaht, erzeugt Wärme und schmilzt das thermoplastische Polymer (Abb. 1). Dieses Widerstandselement – ein Metall oder Kohlefaser (CF) – bleibt im fertigen Bauteil. „Wir entwickelten eine Methode mit PPS-beschichtetem Metallgewebe als Widerstandselement und zertifizierten und flogen widerstandsgeschweißte CF/PPS-Hauptfahrwerkstüren auf dem Fokker 50 Turboprop-Flugzeug 1998“, sagt Offringa. „Dies führte dann zu Gesprächen mit Airbus UK (Broughton, Chester, UK) und der Entwicklung von Glasfaser/PPS-festen Vorderkanten für A340/A350 und dann A380 Großraumflugzeuge.“ GKN Fokker setzte seine Widerstandsschweißforschung fort, fokussiert hauptsächlich auf kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK).

Die Technologie hat sich weiterentwickelt. Premium AEROTEC (Augsburg, Deutschland) präsentierte einen Airbus (Toulouse, Frankreich) A320 Heckdruckschott-Demonstrator auf der ILA Berlin Air Show 2018. Der Schott besteht aus acht pressgeformten CF-Gewebe/PPS-Segmenten, die via Widerstandsschweißen montiert wurden. „Wir nutzen Widerstandsschweißen seit einiger Zeit“, sagt Dr. Michael Kupke, Leiter des Center for Lightweight Production Technology (ZLP) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Augsburg. „Für den Premium AEROTEC Demonstrator erweiterten wir die Schweißnahtlänge auf 1,5 m.“

ZLP wählte ein Widerstandselement aus Kohlefaser vs. herkömmlichem Edelstahlgewebe. „Für Induktionsschweißen ist es schwierig, Temperatur und Energie dorthin zu bekommen, wo man sie will, und nicht anderswo im Bauteil“, behauptet Kupke. „Für Widerstandsschweißen ist dies inhärent gelöst, aber der Nachteil war bisher, dass der Widerstand im Bauteil verbleibt.“ Die Nutzung eines Kohlefaserwiderstands mildert diesen Nachteil.

Die Grundmethode bleibt jedoch dieselbe. „Man legt eine Spannung an und drückt auf beide Teile für gute Konsolidierung“, fügt er hinzu. „Für kleinere Teile übt der robotische Endeffektor den Druck aus, aber für größere Teile bräuchte man eine Vorrichtung für Klemmdruck.“ Die Vorrichtung für das A320 Heckdruckschott ist eine gekrümmte Metall-„Schweißbrücke“, gebaut von Premium AEROTEC (Abb. 2). Sie dreht sich, um über jede der acht Schweißnähte zu positionieren und wendet den nötigen Druck über 10 pneumatische Zylinder im Inneren an.

Zusätzlich zu PPS hat Kupkes DLR ZLP Team validiert, dass dieser Prozess auch für Kohlefasergewebe/PEEK funktioniert. „Wenn man PEEK nutzen kann, kann man auf PEKK, PAEK und PEI adaptieren“, fügt er hinzu. „Wir sollten auch UD-Tape schweißen können“, merkt er auch an (Herausforderungen beim Schweißen von UD-Tapes werden unten erklärt). Kupke sagt, es gibt keine Grenze für die Bauteildicke beim Schweißen, „es könnte 3 mm oder 30 mm sein, aber man muss auf thermisches Management an der Schweißnaht achten.“

Er sagt, der nächste Schritt wird sein, eine Reihe optimierter CF-Widerstandselemente zu entwickeln. „Wir haben bisher nur Standardmaterialien genutzt.“ Kupke weist darauf hin, dass dies nur ein Demonstrator war, kein industrieller Prozess. „Um zu industrialisieren, würden wir es etwas anders machen. Der Schweißprozess für jede Verbindung im A320 Schott dauerte 4 Minuten, jedoch wurden nur 90 Sekunden Schweißstrom angelegt. Die verbleibende Zeit war für Aufheizen und Abkühlen des PPS Thermoplasts an der Schweißnaht. Mit Industrialisierung glauben wir, die Gesamtzeit wäre schneller und das Schweißen würde immer noch nur 60–90 Sekunden pro 1,5 m Verbindung dauern.“

Induktionsschweißen

KVE begann in den frühen 2000ern mit Induktionsschweißen. Die Grundtechnik beinhaltet das Bewegen einer Induktionsspule entlang der Schweißnaht. Die Spule induziert Wirbelströme in dem inhärent leitfähigen CFK-Laminat, die Wärme erzeugen und das Thermoplast schmelzen. „Wir begannen mit Einfach-Überlapscherben, folgend dem Building-Block-Ansatz, und gingen zu L-Verbindungen, T-Verbindungen, dann Basisstrukturen und schließlich Höhen- und Seitenrudern“, erinnert sich KVE Geschäftsführer Harm van Engelen.

Das Unternehmen entwickelte Computersimulationen parallel. „Simulation hilft dir vorherzusagen, wie die Temperatur an der Außeroberfläche und an der Schweißnaht sein wird“, erklärt er. „Man muss Wärme in der Schweißnaht konzentrieren, aber angrenzende Bereiche nicht überhitzen. Die Oberflächentemperatur steigt schneller als die Grenzfläche, also muss man diese Wärme abführen.“ KVE patentierte nicht nur die resultierende Wärmemanagement-Technologie und Werkzeugmaterialien, sondern auch seinen werkzeugbasierten Ansatz zur Druckerhaltung während des Schweißens und seine robotische Steuerung der Induktionsspule und des Schweißkopfs, die es bis 2005 entwickelte.

„Dies bot eine Alternative zum Widerstandsschweißen für CFK, die keinen Suszeptor oder Schweißstreifen erforderte“, sagt GKN Fokkers Offringa. „Wir lizenzierten die KVE-Technologie und implementierten sie auf den Gulfstream G650 Höhen- und Seitenrudern, die seit 2008 fliegen.“ KVE war Schlüsselpartner in Entwicklung und Industrialisierung des robotischen Induktionsschweißprozesses. Eine verfeinerte Technik zweiter Generation wird für Höhen- und Seitenruder der Dassault Falcon 5X genutzt. Van Engelen merkt an, dass Schweißen für den G650 automatisiert, aber in mehreren Schritten abgeschlossen wurde. „Für die Dassault wird es in einem Schuss gemacht“, fügt er hinzu. „Alle Teile werden in die Werkzeuge gelegt und dann werden zwei Höhenruder und ein Seitenruder in einer Nachtschicht geschweißt.“

Bis 2008 hatte KVE Einfach-Überlapscherben (SLS) Tests von UD CF/PEKK Tape begonnen und Demonstratoren für das Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS) Programm produziert. Bis 2010 hatte es 3D-Simulationen induktionsgeschweißter UD CF Laminate mit Blitzschutz (LSP) abgeschlossen und mit dicken Laminaten gearbeitet (≤5 mm für UD PEEK und PEKK, ≤15 mm für Kohlefasergewebe/PPS). KVE hatte auch ein TPC-Seitenruder für The Boeing Co. (Chicago, IL, USA) Phantom Eye UAV entworfen und gebaut, das Boeing ab 2011 produzierte. Bis 2014 hatte das Unternehmen induktionsgeschweißte UD CF/PEKK Demonstratoren produziert und arbeitet nun mit mehreren OEMs und Tier-1-Zulieferern zusammen, um diese Technologie für andere Flugzeugstrukturen zu qualifizieren.

Vom Gewebe zum UD-Tape

Induktionsschweißen eignet sich gut für Kohlefasergewebe, sagt Offringa, „aber mit UD-Tape gibt es eine neue Reihe von Herausforderungen, um Produktionsgeschwindigkeiten zu erreichen.“

Wie von Dr. 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), erklärt: „Für Induktion in CFK-Laminaten braucht man Fasern in zwei unterschiedlichen Winkeln – vorzugsweise so weit auseinander wie möglich – damit Wirbelströme erzeugt werden können.“ Die senkrechte 0° und 90° Faserorientierung in Gewebe ist ideal, ermöglicht Wirbelströme in jeder Lage des Laminats. Bei UD-Laminatstapeln hat man jedoch häufig 45° Lagen dazwischen, sodass der Winkeldifferenz kleiner ist. „Der Wirbelstrom-Heizmechanismus wird beeinflusst, weil diese Richtungen nicht senkrecht sind“, fügt Maarten Labordus, F&E-Leiter bei KVE, hinzu. „Es gibt auch keinen eindeutigen Faserkreuzungspunkt zwischen den Lagen, sie sind nur geschichtet. Daher braucht man mehr Leistung, um Strom zu induzieren im Vergleich zu Gewebelaminaten.“

Mehr Leistung macht das Management des Schweißprozesses jedoch nicht einfacher. Das Ausbalancieren von elektrischer Leistung und Temperatur an der Schweißnaht ist nicht trivial, weil der Induktionsschweißprozess sich nicht nur mit Stapelreihenfolge, sondern auch mit Laminatdicke und Bauteilgeometrie ändert. „Deshalb schauen wir auf die Prozessparameter und wie Wärme in den Materialien erzeugt wird“, sagt Sebastiaan Wijskamp, technischer Direktor der TPRC. „Wir wollen Richtlinien und Designtools, um Schweißperformance vorauszusagen. Wenn man von Gewebe zu UD wechseln will, wie kann man das schnell machen, ohne Trial-and-Error? Idealerweise würden Simulationen basierend auf elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften von Fasern und Polymeren, sogar für einen bestimmten Lagenaufbau, und auch Bauteilgeometrie berücksichtigend, erlauben, den Schweißprozess pro Bauteil zu designen. Wir führen kollaborative Forschung mit KVE und Michel van Tooren am McNair Center durch, um das fundamentale Verständnis für diese Richtlinien und Tools zu entwickeln.“

„Wir quantifizieren all diese Faktoren – UD vs. Gewebe, Stapelreihenfolge, Bereiche mit mehr und weniger Harz – und stellen ihre Beziehung her, dann fügen wir dies zurück in das allgemeine Schweißmodell ein“, erklärt Labordus (Abb. 3). Bereiche mit hohem Harzgehalt wirken als Isolator, verzögern Wärme, während Bereiche mit geringerem Harzgehalt (und höherem Fasergehalt) Erwärmung fördern. „Zuerst waren wir 40 % daneben bei unseren UD-Schweißvorhersagen, aber jetzt sind wir innerhalb von 10 % und kommen nah an unsere High-Accuracy-Level für CF-Gewebe/PPS heran“, fügt Labordus hinzu.

Van Tooren ist auch nahe daran, Induktionsschweiß-Performance für UD-Laminate vorherzusagen. „Ende 2018 werden wir ein Simulationswerkzeug haben, das für relativ einfache Geometrien funktioniert und hilft, die notwendige Spulenform, Leistung, Roboter-Geschwindigkeit und Heizprofil für eine gegebene Anwendung zu identifizieren.“ Diese Vorhersagefähigkeit wird parallel zu physikalischen Tests entwickelt, um den Einsatz geschweißter TPC-Komponenten in größeren Primärstrukturen für zukünftige Flugzeuge zu unterstützen. Van Toorens Labor ist Forschungspartner mit KVE und einer von vier Standorten – neben KVE's Facility in Den Haag, Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam) und ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Enschede, Niederlande) –, der einen standardisierten Induktionsschweiß-Aufbau von KVE (Abb. 4) installiert hat, um Prozessqualifizierung bei OEMs und Tier-1-Zulieferern zu unterstützen.

Maßgeschneiderte Induktionsspulen

Ein alternativer Induktionsschweißansatz wurde von Composite Integrity (Porcelette, Frankreich) genutzt, um den „dynamischen Induktionsschweiß“-Prozess zu entwickeln, der CF/PEKK UD-Tape-Stringer und Rumpfhauten im STELIA Aerospace (Toulouse, Frankreich) Arches TP Struktur-Demonstrationsprojekt verbindet, enthüllt auf der Paris Air Show 2017 (Abb. 5). Composite Integrity ist die Composites-Division innerhalb des Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, Frankreich). „Wir schöpfen aus mehr als 100 Jahren IS Groupe Erfahrung im Metallschweißen, um unsere eigenen Induktionsspulen zu designen und zu bauen, optimiert für jedes Material, jede Dicke und jede Bauteilform, einschließlich spezifischer Spulen für Gewebe, Non-Crimp-Gewebe und UD“, erklärt Composite Integrity Business Development Manager Jérôme Raynal. „Das Hauptproblem bei UD ist, dass es keine Schweißknoten zur Erzeugung von Induktionsstrom gibt, also brauchen wir eine spezifische Spule – in diesem Fall eine Multi-Spule.“

Gegründet als Pôle de Plasturgie de l'Est (PPE) vor 25 Jahren, ist Composite Integrity ein Führer in RTM und Epoxidharz-infundierten Flugzeugstrukturen mit französischen Luftfahrtunternehmen. 2016 in die IS Groupe integriert, arbeitete es mit Aviacomp (Launaguet, Frankreich) an der Entwicklung von Co-Konsolidierungsschweißtechnologie für TPC-Tankzugangstüren für Airbus A350 Flugzeuge. „Widerstandskomponenten auf der Oberfläche der geformten inneren und äußeren Verbundteile bringen Wärme in die Schweißnaht“, sagt Raynal.

Composite Integrity begann 2015 mit dem STELIA Arches TP Projekt, was Induktionsschweißen von rumpfgrößigen, gekrümmten Teilen ermöglichte. Der Prozess wird als „dynamisch“ beschrieben, weil der Roboter die Stringer entlang der Rumpflänge und 3D-Formen einschließlich Bewegung in Z-Richtung während des Schweißens accommodiert. „Sowohl Stringer als auch Haut im STELIA Demonstrator haben eine Dickenänderung“, erklärt Raynal. Eine Aluminiumschiene dient als Fixiervorrichtung, um Bewegung des Stringers auf der Haut während des Schweißens zu verhindern. Für den Demonstrator wurde Druck über zwei Rollen im Schweißkopf ausgeübt. Diese sitzen über der Spule. Während des Schweißens laufen die Rollen entlang des Stringers, neben der Fixierschiene, während die Spule über die Schweißnaht fährt.

„Wir haben nun einen neuen, patentanmeldenden Schweißkopf entwickelt, der eine einzelne Rolle nutzt und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht erhöht“, merkt Raynal an. „Wir haben auch ein Kühlgerät, das Luft auf die Schweißoberfläche unter Druck bläst, um sicherzustellen, dass wir unter der Kristallisationstemperatur bleiben, sodass keine Entkompaktionsgefahr besteht, sobald der Druck freigegeben wird.“

Kühlvorsorge beeinflusst auch die Kristallinität der thermoplastischen Matrix an der Schweißnaht. „Wir testen, um zu messen, dass die Kristallinität Luftfahrtstandards entspricht, und legen dann die entsprechenden Parameter für den Schweißprozess fest“, erklärt Raynal. Geschwindigkeit ist auch ein Faktor. „Für den Demonstrator war die Geschwindigkeit 2 m/min, aber unser Ziel jetzt ist 5 m/min“, sagt er. „Das Management von Abkühlung und Kristallinität von PEEK und PEKK ist komplizierter, was die globale Schweißgeschwindigkeit beeinflusst, aber wir haben gute Ergebnisse mit beiden, unter Nutzung konventioneller Organobleche, qualifiziert von Airbus.“ Die maximal bisher geschweißte Bauteildicke beträgt 5 mm. „Wir haben dies demonstriert, was ungefähr die Dicke ist, die man in Strukturbauteilen hätte“, beobachtet Raynal. „Für STELIA nutzten wir die Kohlefaser als Leiter ohne Metall in der Grenzfläche, aber jetzt entwickeln wir Technologie, um jede Faser – zum Beispiel Glasfaser – ohne Metallgewebe zu schweißen. Wir fügen kein Material an der Grenzfläche hinzu, können aber UD zu Gewebe und UD zu UD schweißen, ohne Problem“, behauptet er.

Ultraschallschweißen

Die dritte gängigste Technik, Ultraschallschweißen, ist eine weitere Technologie, mit der GKN Fokker signifikante Erfahrung gesammelt hat. Der Prozess nutzt einen Sonotrod, um hochfrequente (20–40 kHz) Vibrationen zu erzeugen, die Reibungswärme und Schmelzen an den Schweißflächen verursachen.

„Das ist gut für Punktschweißen“, sagt Offringa, und merkt an, dass für Gulfstream-Flugzeuge „wir Ultraschallschweißen für das Verbinden von mehr als 50.000 spritzgegossenen TPC-Teilen mit Bodenpaneelen genutzt haben. Es ist sehr schnell und hochautomatisiert, aber es ist ein Punktschweiß, an nur einer Stelle.“ Dennoch sieht er Potenzial für diese Methode in der Produktion eines integrierten Rumpfes, wie im Clean Sky 2 Programms Multifunctional Fuselage Demonstrator vorgeschlagen. „Rumpfhalterungen werden oft geklebt, genietet oder geschraubt an aktuellen Duroplast-Rumpfstrukturen“, beobachtet Offringa. „Mit Ultraschallschweißen kann man sehr gute Verbindung mit Halterungen erreichen, die oft unverstärkte Thermoplaste sind.“

Ultraschallschweißen wird seit mehreren Jahrzehnten mit Kunststoffen genutzt, typischerweise mit Energielenkern an der Schweißnaht. Diese dreieckigen oder rechteckigen Stege aus reinem Harz, in die zu schweißenden Flächen eingeformt, erhöhen lokale Wärmeerzeugung. Irene Fernandez Villegas an der TU Delft (Delft, Niederlande) hat jedoch gezeigt, dass 0,08 mm dicke, unverstärkte Thermoplastfilme an ihrer Stelle genutzt werden können. „Sie arbeitet an der Entwicklung von kontinuierlichem Ultraschallschweißen“, sagt Offringa, und diese Arbeit geht innerhalb von Clean Sky 2 weiter.

In ihrem 2016 Paper „Smart ultrasonic welding of thermoplastic composites“ stellt Villegas fest, dass es möglich ist, den Ultraschallschweißprozess via sequenzielles Schweißen zu skalieren – also eine kontinuierliche Linie benachbarter Punktschweißnähte denselben Zweck wie eine kontinuierliche Schweißraupe dienen zu lassen. Lab-Skalen sequenzielles Punktschweißen wurde im Clean Sky EcoDesign Demonstrator TPC-Rumpfpanel genutzt, mit flachen Energielenkern zum Schweißen eines CF/PEEK Scharniers und CF/PEKK Clips an CF/PEEK C-Rahmen (Abb. 6). Experimentelle Vergleiche mit mechanisch gefügten Verbindungen in Doppel-Überlapscherben und Pull-Through-Tests zeigten Versprechen. Der Prozess wird in 2018 Papers von Villegas' TU Delft Teammitglied Tian Zhao weiter erforscht.

Kupke berichtet, dass DLR ZLP auch an roboterbasiertem kontinuierlichem Ultraschallschweißen arbeitet. „Punktschweißen ist der aktuelle Stand der Technik, aber unseres ist wirklich kontinuierlich“, sagt er. „Wir optimieren den Prozess auf einem ca. 1 m langen Testbench, führen Parameterstudien mit verschiedenen Materialien und Konfigurationen durch. Zwar sind Schweißmaschine und digitale Steuerung für einen Roboter-Manipulator designed, wir erforschen noch, wie man den Kopf verfeinert und welche Geschwindigkeit und Energie für jedes Material und jede Laminatdicke am besten funktioniert. Unser Ziel ist zu zeigen, dass man sehr langes Schweißen machen könnte, wie die Fugen eines Rumpfes.“

Laserschweißen

Obwohl Laserdurchstrahlschweißen in Yousefpours 2004 Review der TPC-Schweißtechnologien diskutiert wurde, wurde es seit von Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH, Hannover, Deutschland) signifikant vorangetrieben. In diesem Prozess wird Laserlicht zuerst durch ein Teil geleitet, das im nahen Infrarot-Spektralbereich transparent oder teiltransparent ist (z. B. ein unverstärktes Thermoplast oder Glasfaser-TPC). Das Licht wird dann von Kohlefaser oder leitfähigen Additiven in einem zweiten angrenzenden Teil absorbiert, wandelt die Laserenergie in Wärme um, was die Schweißung zwischen den beiden Materialien erzeugt.

Offringa bei GKN Fokker weist darauf hin, dass viele spritzgegossene Flugzeughalterungen laserdurchlässig sind. Er sieht großes Potenzial für Laserschweißen, um Montage dieser Halterungen an CFK-Rumpfstrukturen ohne Löcher, Staub oder Befestigungselemente zu erreichen. Zwar beeinflussen sowohl Verstärkungstyp als auch Laminatdicke die Schweißung, LZH hat gute Ergebnisse mit Glasfaser- und Kohlefaser-verstärkten PPS und Polyetherimid (PEI) Laminaten im Laser Transmission Welding of Thermoplastic Composite Structures Projekt (LaWoCS, 2010–2013) demonstriert, das auch KVE, TenCate Advanced Composites (Nijverdal, Niederlande), Unitech Aerospace (Yeovil, UK) und Element Materials Technology (Hitchin, UK) umfasste. LZH hat diese Technologie patentiert und war 2018 JEC World Innovation Award Finalist in der Kategorie Luftfahrtanwendungen für „Modulare Thermoplast-Steifigungspanels“, wo ein stampfgeformtes CFRTP-Steifigungsgitter lasergeschweißt an eine Verbundhaut wird. Projektpartner umfassten deutsche Firmen Fraunhofer ICT (Pfinztal), Airbus Operations (Hamburg), ElringKlinger (Dettingen an der Erms) und KMS Automation (Schramberg), sowie TenCate.

Leitungsschweißen (Conduction Welding)

Nach Industrialisierung des Induktionsschweißens entwickelte GKN Fokker Leitungsschweißen (Abb. 7). „Das ist eine neue Technologie“, sagt Offringa. „Eine Art Heizeisen wird genutzt, um Wärme durch mindestens eines der zu verbindenden Teile zu leiten. Wie beim Widerstandsschweißen ist die Prozesszeit unabhängig von der Schweißnahtlänge – ob die Verbindung ein halber Meter oder 10 m, die Prozesszeit ist dieselbe für beide.“ Das liegt daran, dass beide Techniken Elektrizität nutzen, um Wärme entlang der Länge innerhalb von Sekunden zuzuführen. Das auf der JEC 2014 ausgestellte TPC-Orthogitter-Rumpfpanel nutzte Leitungsschweißen. „Die Rähmchen wurden in einem zweiten Schritt mit einem Roboter mit Schweiß-Endeffektor geschweißt“, sagt Offringa. „Das Rumpfpanel war gekrümmt und die Rähmchen recht kurz. Diese Methode könnte jedoch gut für das Schweißen von 6–10 m langen Stringern an Rumpfhauten funktionieren.“

Inline-Prozesskontrolle und Ausblick

Ein Schlüsselschritt zur Reifung von TPC-Schweißen für Rumpfstrukturen ist die Fähigkeit, den Prozess in situ zu überwachen und zu managen. „Momentan ist unser Induktionsschweißprozess vorkonfiguriert“, sagt van Engelen bei KVE. „Wir nutzen Thermoelemente in der Schweißnaht zur Kalibrierung. Aber wir bevorzugen, die Temperatur in der Schweißnaht zu messen und zurückzuführen, um die Leistung an der Spule zu managen.“

„Unsere Schweißprozesse sind digital gesteuert und alle Prozessdaten werden gespeichert“, sagt Offringa bei GKN Fokker, „aber wir bewegen uns hin zu Inline-Prozesskontrolle basierend auf Echtzeit-Temperaturmessung.“ Er glaubt, dies ist für Induktions- und Widerstandsschweißen in wenigen Jahren möglich, während Ultraschallschweißen bereits ziemlich nah dran ist. Villegas an der TU Delft stellt fest, dass In-situ-Prozessüberwachung von sequenziellem Ultraschallschweißen möglich ist basierend auf den Leistungs- und Verschiebungskurven der Schweißmaschine, die es ermöglichen, optimale Verarbeitungsparameter schnell zu definieren.

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

„Deshalb sind Thermoplastverbunde so gut“, merkt Raynal bei Composite Integrity an. „Neuschweißen schadet ihnen nicht. Wir haben spezifische Technologie, um mit Widerstandsschweißen zu schweißen und zu ent-schweißen, um durch Einspeisen von Strom zu demontieren.“ Seine Firma entwickelt auch Inline-Inspektion. „Wir werden eine Thermografie-Zelle direkt nach dem Induktionsschweißkopf haben und die Schweißnaht mit Live-Thermografie prüfen“, sagt Raynal. Van Tooren verfolgt auch In-situ-Prozessüberwachung und Inspektion, aber mit Faseroptiksensoren, einschließlich dem 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 von Inline-Prozesskontrolle für Induktionsschweißen großer, gekrümmter Strukturen und variierender Dicken, einschließlich Lagenaufbau und Drop-offs in Stringern. Van Tooren entwickelt auch Induktionsschweißen unter Vakuumbeutel. „Es wird wie weiches Werkzeug für Kompression der beiden zu schweißenden Flächen“, sagt er, und ist aktuell auf potenzielle Reparaturanwendungen ausgerichtet. Van Engelens Liste künftiger KVE-Entwicklungen umfasst auch TPC-Reparatur, Induktionsschweißen von Glasfaser-TPCs, Non-Aerospace-Anwendungen und Flusskonzentratoren. „Wir entwickeln reflektierende Materialien, um das elektromagnetische Feld an der Schweißnaht zu konzentrieren“, erklärt er. „Man will die Energie hierhin lenken statt an die äußere Bauteiloberfläche. Mit diesen Flusskonzentratoren lenkt man die Energie, ähnlich wie man Fasern lenkt, wo man sie will, mittels automatisierter Platzierung.“

„Wir entwickeln immer noch alle Schweißtechnologien“, fasst Offringa zusammen, „und erforschen neue. Am wichtigsten: Wir denken nicht, dass es eine einzelne Technologie mit dem meisten Potenzial gibt, sondern dass jede ihren Platz hat.“

Wijskamp merkt an, dass mit den jüngsten Clean Sky 2 Calls for Proposals klar wurde, dass Airbus geschweißte TPCs in großen Rumpfstrukturen nutzen will. „Aber wir haben dies bereits in unseren 19 Partnern gesehen, die seit 2009 beigetreten sind“, fügt er hinzu.

Van Tooren glaubt, dass ein geschweißtes, befestigungsfreies großes Bauteil, wenn nicht ein ganzer Rumpf, in Reichweite ist. „Bevorzugt beim Boeing New Midsize Airplane, aber definitiv das nächste Flugzeug.“