Induction Welding of Fiber Reinforced Thermoplastic Polymer Composites to Metals

  • Induktionsschweißen kann sowohl für das Schweißen von thermoplastischen Faser- Kunststoff-Verbunden als auch für das Verbinden von Metall/Faser-Kunststoff- Verbunden eingesetzt werden. Nach Betrachtung der Möglichkeiten einer solchen Verbindung wurde festgestellt, dass die Verbindungsqualität durch die Oberflächenvorbehandlung des metallischen und des polymeren Fügepartners und durch die Prozessbedingungen bestimmt wird. Verschiedene neue Werkzeuge (z.B. spezielle Probenhalterungen, temperierbarer Anpressstempel, Erwärmungs- und Konsolidierungsrolle) wurden entwickelt und in die Induktionsschweißanlage zur Herstellung von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden integriert. Topografische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laserprofilometrie zeigen einen großen Einfluss der Vorbehandlungsmethoden auf die Oberflächenrauhigkeit. Zusätzlich ändert die Vorbehandlung die physikalischen (Oberflächenenergie) und die chemischen Eigenschaften (Atomkonzentration). Die Eigenschaften der Verbindungen wurden zuerst anhand von Zugscherprüfungen und parallel durch Oberflächenanalysen untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen: • Die Vorbehandlungsmethoden Korundstrahlen und Sauerbeizen führen bei dem metallischen Fügepartner zu den höchsten Verbundfestigkeiten. Die Atmosphären-Plasmareinigung des polymeren Fügepartners ergibt eine Zunahme der Zugscherfestigkeit von ca. 10 % sowie auch eine Verkleinerung des Vertrauensbereiches. • Die Zugscherfestigkeit hängt vom Prozessdruck und damit vom Fließverhalten des Polymers in der Fügezone ab. • Die Orientierung der Prüfkraft relativ zur Faserorientierung hat keinen Einfluss auf die Zugscherfestigkeit der eingesetzten faserverstärkten Materialien. • Die Leinwand-Bindung, mit mehr polymerreichen Zonen, führt zu einem geringen Anstieg der Zugscherfestigkeit im Vergleich zu einer Atlas 1/4- Bindung. Die Gelege-Struktur ergibt durch Faserverschiebungen ähnliche Festigkeiten wie die Leinwand-Bindung. Es zeigt sich, dass die Verbundfestigkeit durch das Polymer bestimmt wird. • Die Zugscherfestigkeit gewinnt einen großen Anstieg durch eine zusätzliche Polymerfolie in der Fügezone. Die Schliffbilder zeigen eine polymere Zwischenschichtdicke von 5 bis 20 μm für AlMg3-CF/PA66. • Durch den gezielten Einsatz verschiedener Vorbehandlungsmethoden (Korundstrahlen mit zusätzlichem Polymer) kann die Zugscherfestigkeit auf bis zu 14 MPa für AlMg3-CF/PA66-Verbunde und 18 MPa für DC01-CF/PEEKVerbunde gegenüber dem unbehandelten Zustand verdoppelt werden. Weitere Untersuchungen an den Prozessparametern ergaben für DC01-CF/PEEKVerbunde, dass folgende Einstellungen zu einer weiteren Steigerung der Zugscherfestigkeit auf 19 MPa führen: • Eine Starttemperatur des Anpresstempels von 370 °C. • Eine Haltezeit von 7 Minuten. • Eine Abkühlrate von 6 °C/min. Für AlMg3-CF/PA66 zeigte sich, dass eine Anpresstemperatur von 10 °C zu einer Zugscherfestigkeit von 14,5 MPa führt. Diese beiden Zugscherfestigkeiten sind lediglich 10 – 15 % geringer als die unter optimalen Bedingungen hergestellten Klebeverbindungen. Erste Untersuchungen zeigen, dass bei galvanischer Korrosion von Metall/FKVVerbunden eine schnelle Abnahme der Zugscherfestigkeit erfolgt. Hierfür wurden die Proben drei Wochen in Wasser gelagert. Beim direkten Kontakt zwischen Kohlenstofffaser und Aluminium erklärt sich dies durch Korrosion in der Fügezone. Dabei sinken die Zugscherfestigkeiten der Proben bis auf 5 MPa. Bei Proben mit einer Glasfaserlage als Isolationsschicht zeigen sich keine Korrosionsprodukte und die Zugscherfestigkeit nimmt um 30 % bis auf 8 – 9 MPa ab. Bei in Salzwasser gelagerten Proben ist die galvanische Korrosion deutlich stärker ausgeprägt. Bereits nach einer Woche besitzen die acetongereinigten Proben mit zusätzlichem Polymer lediglich eine Restzugscherfestigkeit von 3 bis 4 MPa. Die korundgestrahlten Proben zeigen Korrosionsprodukte am Rande der Fügezone und in der Fügezone, weisen aber dennoch eine Zugscherfestigkeit von ca. 10 MPa auf. Die glasfaserverstärkten Proben zeigen weder Korrosionsprodukte noch eine Abnahme der Zugscherfestigkeit. Dynamisch thermografische Analysen wurden in verschiedenen Umgebungsgasen durchgeführt, um die Zersetzungstemperatur des faserverstärkten Polymers zu bestimmen. Im Falle von CF/PA66 führte dies nicht zu einer Vergrößerung des Prozessfensters, da die Zersetzung hauptsächlich thermisch und nicht thermooxidativ ist. Die festgestellte Zersetzungstemperatur von CF/PEEK in Luft betrug 550 °C. Die Vergrößerung des Prozessfensters ist für CF/PA66 gering und zeigte auch keinen Anstieg in der Zugscherfestigkeit nach dem Schweißen in Stickstoff. Trotzdem hat das Induktionsschweißen unter Schutzgas ein großes Potential für gesättigte Kohlenwasserstoffe wie z.B. glasfaserverstärktes Polypropylen. Hier wurde die Zersetzungstemperatur von 230 °C in Luft auf 390 °C in Stickstoff erhöht. Es wurde ein Demonstrator bestehend aus einem Aluminium-Profil und einer CF/PA66-Platte hergestellt, womit gezeigt werden konnte, dass die erworbenen Kenntnisse auch für die industrielle Anwendung umsetzbar sind. Mittels analytischer Modelle und FE-Berechnungen wurde die induktive Erwärmung erfolgreich nachgebildet.

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Metadaten
Verfasserangaben:Rudi Velthuis
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47615
ISBN:978-3-934930-71-1
Schriftenreihe (Bandnummer):IVW-Schriftenreihe (75)
Verlag:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Verlagsort:Kaiserslautern
Betreuer:Peter Mitschang
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Englisch
Veröffentlichungsdatum (online):16.08.2017
Datum der Erstveröffentlichung:31.08.2007
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:31.08.2007
Datum der Publikation (Server):16.08.2017
Seitenzahl:XV, 139
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)

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