Effizientes Fügen durch Widerstandsschweißen
In der Luftfahrt finden zunehmend faserverstärkte Thermoplaste Verwendung. Um das Leichtbaupotential dieser Verbundstrukturen ausnutzen zu können, sind neue Verbindungstechnologien erforderlich. Zur stoffschlüssigen Verbindung von thermoplastischen Strukturbauteilen bieten sich insbesondere Schweißprozesse an. Für strukturelle Hochleistungsthermoplaste (PEEK, PEI, PPS, etc.) werden Verfahren eingesetzt, welche die erforderliche Prozesswärme direkt in der Fügezone bereitstellen und die Gesamtstruktur so einer reduzierten thermischen Beanspruchung aussetzen. Ein solches Verfahren beschreibt das elektrische Widerstandsschweißen.
Hierbei wird ein Schweißelement, bestehend aus einem elektrischen Leiter (Edelstahlgewebe oder Kohlenstofffasern), einer elektrischen Isolationsschicht und zusätzlichem Matrixmaterial in die Fügezone eingebracht. Die Schweißelemente werden über elektrische Leiter an jedem Ende des Bauteils kontaktiert. Eine angelegte elektrische Spannung am Leiter und der damit verbundene Stromfluss führen nach dem Joule-Lenz-Gesetz zu dessen Erwärmung und schmelzen die thermoplastische Matrix in der Fügezone auf. Unter einem auf die Bauteile einwirkenden Druck werden diese folglich verpresst und zu einem integren Bauteil konsolidiert.
Von der Werkstoffauswahl zum automatisierten Prozess
Am Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) findet die Entwicklung und ganzheitliche Betrachtung von Produktionsprozessen zur Herstellung von Leichtbaustrukturen für die Luft- und Raumfahrt statt. Basierend auf dem Anforderungsspektrum des jeweiligen Bauteiles werden passende Werkstoffe ausgewählt und adequate Fügeprozesse definiert. Im Falle des elektrischen Widerstandsschweißens werden anschließend geeignete Schweißelementkonfigurationen bestimmt. Parameteruntersuchung dienen der Ermittlung der Prozessführung zum Erreichen einer höchstmöglichen Verbindungsqualität und -festigkeit. Weiterhin ermöglichen zerstörungsfreie Prüfmethoden wie beispielsweise die optische Lockin Thermografie, Wasser- und Luftultraschall, sowie die Computertomographie eine Validierung der Prozessführung. Durch die Datenakquise und -verarbeitung im Prozess ist eine lückenlose Nachweisführung gegeben. Die Skalierbarkeit des Schweißprozesses von der Couponebene bis hin zum Full-Scale Demonstrator einer thermoplastischen Druckkalotte wurden bereits demonstriert.
Ein Kooperationsprojekt mit Premium AEROTEC GmbH.
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie
Sebastian Nowotny · E-Mail: sebastian.nowotny@dlr.de · DLR.de
