Die Gruppe des französischen Instituts für Schweißen (IS) verfügt über mehr als 100 Jahre Erfahrung im Schweißen von Metallen und entwickelt sich derzeit zu einem führenden Unternehmen beim Schweißen thermoplastischer Verbundwerkstoffe. Die IS Group entwickelte das Verfahren "dynamisches Induktionsschweißen", mit dem unidirektionale Riemenstringer aus Kohlefaser / Polyetherketonketon (PEKK) und Rumpfhaut im Demonstrationsprojekt für thermoplastische Verbundwerkstoffe aus der Luft- und Raumfahrt von Airbus STELIA Aerospace verbunden wurden.
Trotz des Erfolgs dieses Prozesses gibt es keinen Suszeptor an der Schnittstelle, so dass es Einschränkungen in der Radiusleistung der gebundenen Stringer und der globalen Erwärmung der Wandpaneele gibt. Der Suszeptor ist das Material, das zwischen den beiden verbundenen Objekten der thermoplastischen Verbundschweißverbindung platziert wird, und das Material wird durch die Induktionsspule in der Schweißverbindung erhitzt. Der Suszeptor kann ein leitfähiger Körper sein, der durch Widerstand erwärmt wird, oder ein magnetischer Körper, der durch Hysterese erwärmt wird. Es schmilzt die Basis an der Schweißschnittstelle und drückt die Basis zu einer hochfesten Schweißverbindung zusammen. Der Suszeptor, der für das Induktionsschweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen verwendet wurde, war ursprünglich ein Metallsieb oder -gitter, das manchmal mit Polymer imprägniert war.
Die IS Group hat eine Partnerschaft mit Arkema, einem Anbieter von thermoplastischen Materialien, geschlossen, um gemeinsam eine patentierte Technologie namens Welding Innovation Solution zu entwickeln und zu erhalten.
Die Basis innovativer Schweißlösungen
Die Grundlage innovativer Schweißlösungen ist die Verwendung von Suszeptoren zur Beheizung der Schweißschnittstelle, aber dies ist ein beweglicher Suszeptor, der mit dem Schweißkopf verbunden ist. Der Suszeptor ermöglicht es dem Prozess, den Heizbereich der Schweißnaht perfekt zu lokalisieren, und der Schweißkopf mit dem Suszeptor ist mobil, so dass es keine Rückstände in der Schnittstelle gibt und die Leistung der geschweißten Struktur nicht beeinträchtigt. In den frühen Iterationen des Induktionsschweißens blieb der Metallgitter-Suszeptor in der Schweißnaht, aber dies war nicht das gewünschte Ergebnis. Da die Kohlefaser in gewöhnlichen Luft- und Raumfahrtlaminaten leitfähig ist, konnte die neueste Technologie den Suszeptor eliminieren, was auch die Verwendung von Kohlefasermaterialien als Suszeptor ermöglicht.
Ein weiteres Merkmal der innovativen Schweißlösung ist die Verwendung einer reinen thermoplastischen Matrix oder einer Schicht mit niedrigem Fasergehalt an der Schweißschnittstelle zur Erhöhung der Harzfließfähigkeit. Die Schmelztemperatur und Viskosität der Grenzschicht kann eingestellt werden, und sie kann auch funktionalisiert werden, um Leitfähigkeit oder Isolierung bereitzustellen, um elektrische Korrosion zu verhindern, wie elektrische Korrosion zwischen Kohlefaser und Aluminium oder Stahl.
Die Ergebnisse innovativer Schweißlösungen
Der Gemeinsame Koeffizient dieser Lösung beträgt 80% ~ 90%. Der Fugenkoeffizient entspricht der Schweißfestigkeit und wird für Metalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verwendet. In einem Einrunden-Scherversuch an zwei vorgehärteten Platten, die mit dieser Lösung miteinander verschweißt wurden, wurden 80% bis 90% der Leistung der ungeschweißten, autoklavierten Referenzplatte erzielt. Bei diesen Tests wurden unidirektionale Bänder aus Hextow AS7 Kohlefaser und Arkema Kepstan 7002 PEKK verwendet.
Mit innovativen Schweißlösungen können jede Art von Substrat geschweißt werden: PE, PA, PEKK, PEEK und Carbon, Glas oder Aramidfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe. Darüber hinaus können auch Bauteile mit Kupfergittern geschweißt werden, um Blitzeinschläge zu verhindern, was der Schlüssel zur Herstellung von Luft- und Raumfahrtstrukturen ist. Das Design der innovativen Schweißlösung ist vollständig automatisiert, wobei der Schweißkopf auf einem 6-Achs-Roboterarmroboter montiert ist.
Schweißtemperaturregelung
Ein häufiges Problem von Metallgewebe-Suszeptoren, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, ist die ungleichmäßige Temperaturverteilung der geschweißten Teile. Die Lösung steuert dies, indem sie einen Suszeptor verwendet, um die Schweißschnittstelle zu schmelzen, wobei ein Laserpyrometer verwendet wird, um die Temperatur zu erfassen, die tatsächlich den Rand des Suszeptors von der Seite misst. Daher kann die genaue Temperatur an der Grenzfläche bekannt sein. Kühlmethoden werden auch verwendet, um die Temperatur zu kontrollieren und sicherzustellen, dass das thermoplastische Material während des gesamten Schweißprozesses vollständig kristallisieren kann.
Stringer-Hautschweißtest
STELIA, eine Tochtergesellschaft von Airbus, ist einer der ersten Kunden für dieses Induktionsschweißverfahren. Die IS Group und Arkema führten eine spezielle Studie für STELIA durch, bei der 7 Schichten Kohlenstoff/ PEKK-Stringer auf 14 Hautschichten geschweißt und mit Kupfergittern bedeckt wurden, um Blitzeinschläge zu verhindern. Das ultimative Ziel ist es, eine Struktur mit einer Länge von 30 Metern, einer geraden Linie und einem doppelt gekrümmten Abschnitt zu schweißen. Die Komponenten werden mit 194 g/m² unidirektionalem Klebeband einschließlich Tenax HST45 Kohlefaser und Kepstan 7002 PEKK hergestellt. STELIA spezifiziert eine homogene Schweißnaht mit mechanischen Eigenschaften von mehr als 85% des referenzierten Materials, das durch den Autoklaven ausgehärtet wird, und die thermischen oder mechanischen Eigenschaften des Adhärents werden nicht beeinträchtigt. STELIA erforderte auch die Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Änderung der Dicke des Adhärents. Die IS Group führte chemische und Leistungstests an geschweißten Bauteilen durch.
Is Group und Arkema waren in der Lage, die Anforderungen von STELIA zu erfüllen und mehr als 85% der einrunden Scher- und Interlaminarscherechfestigkeit im Vergleich zum durch Autoklaven ausgehärteten Referenzlaminat zu erreichen. Es gibt keine Ausbreitung oder Degradation im Bauteillaminat oder Blitzschutzgitter. Das einzige Manko ist die Geschwindigkeit. STELIA verlangt, dass die Schweißgeschwindigkeit größer oder gleich 1 m/min ist. Derzeit beträgt die Geschwindigkeit dieser Lösung 0,3 Meter pro Minute. In Bezug auf die Dicke des zu schweißenden Grundmaterials kann die typische Dicke von Luft- und Raumfahrtstrukturen geschweißt werden, und 5 mm dicke Teile können auf eine 5 mm Basis geschweißt werden.
Technische Chancen und Herausforderungen
Is Group und Arkema sind Miteigentümer innovativer Schweißlösungstechnologie und haben die Technologie durch ein zuverlässiges Patentportfolio geschützt, das bereits fünf französische und internationale Patentanmeldungen umfasst. Die innovative Schweißlösung kann mit jeder thermoplastischen Verbundmatrix verwendet werden, und die IS Group demonstriert die Technologie durch einen Plan zur Zusammenarbeit mit europäischen und amerikanischen Unternehmen. Für Arkema liegt der Fokus auf PEKK, das 2018 eine strategische Allianz mit Hexcel einreichte, um Kohlenstoff-/Thermoplastbänder für zukünftige Flugzeuge zu entwickeln, wobei der Schwerpunkt darauf lag, den Kunden niedrigere Kosten und schnellere Produktionsgeschwindigkeiten zu bieten. Im Rahmen der Partnerschaft wird Frankreich ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungslabor einrichten.
Das 13,5 Millionen Euro große, 48-monatige hochautomatisierte integrierte Composites-Projekt für adaptive Strukturen ist eine Fortsetzung der strategischen Allianz zwischen Arkema und Hexcel. Das Projekt wird das Design und die Herstellung von Materialien optimieren, die bei der Herstellung von Verbundteilen verwendet werden, um wettbewerbsfähige Kosten zu erzielen. Es wird auch eine effizientere Platzierungs- / Layouttechnologie für Verbundwerkstoffe sowie ein neues System mit Online-Qualitätskontrolle entwickeln, um endteile durch Schweißen zusammenzubauen. Zielanwendungen sind die Hauptstruktur von Flugzeugen, Strukturteile in der Automobilindustrie und Pipelines in der Öl- und Gasindustrie. Die Recyclingfähigkeit und Nachhaltigkeitsvorteile thermoplastischer Materialien sind auch für diese Märkte wichtig und werden im Projekt demonstriert und quantifiziert.
Im Vergleich zu 2017 ist einer der Vorteile, die innovative Schweißlösungen bieten können, eine Reduzierung der benötigten Leistung um mehr als 50% im Vergleich zum dynamischen Induktionsschweißprozess. Bei herkömmlicher Induktion ist eine hohe Leistung erforderlich, um die Oberfläche zu erwärmen, aber bei Suszeptoren an der Grenzfläche ist die beheizte Oberfläche viel kleiner und die benötigte Energie ist viel geringer. Dies hilft auch, das Vibrieren des Stringerradius zu verhindern. Wenn die Erwärmung zu viel ist, wird das Material im Radius weicher und die Fasern dorthin bewegt. Es gibt jedoch immer noch ein Wärmeableitungsproblem. Für flache Formen ist die thermische Kontrolle sehr einfach, aber mit zunehmender Komplexität der Form wird sie schwieriger. Derzeit besteht das Hauptziel darin, das typische Hautoberstrahlschweißen weiter zu entwickeln und zu erreichen, und der Schwerpunkt liegt weiterhin auf der Einführung der Technologie in den neuen Flugzeugentwicklungsplan.