TU BRAUNSCHWEIG INSTITUT FÜR FÜGE- UND SCHWEISSTECHNIK. Lehrstuhl Aufbau- und Verbindungstechnik. Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Dilger

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1 TUBRAUNSCHWEIG INSTITUT FÜR FÜGE- UND SCHWEISSTECHNIK Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Dilger Lehrstuhl Aufbau- und Verbindungstechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. S. Böhm Langer Kamp Braunschweig TU BRAUNSCHWEIG

2 Optimierte Prozessketten zur wirtschaftlichen Herstellung von Klebverbindungen S. Böhm M. Frauenhofer K. Dilger TU BRAUNSCHWEIG 2

3 Einleitung 3

4 Verbindungstechnologien für FVKs Heute Niet-Technologie: bewährte Technologie hohe Sicherheit Spannungsspitzen an den Nietlöchern Geringe dynamische Festigkeiten Hohes Strukturgewicht Klebtechnologie: flächige Krafteinleitung hohe dynamische Festigkeiten geringe Oberflächenkontaminationstoleranz Zukunft Prozess lange Aushärtezeiten Hohe Produktionskosten 4

5 Aktueller Einsatz von Klebstoffen Beispiele für aktuellen Einsatz von Klebstoffen im Luftfahrtbereich Befestigungselemente Shimmassen Herstellung von Innenausbaukomponenten (z.b.: Handgepäckfächer) Stringer und oder Spanten 5

6 Verwendete Klebstoffsysteme Filmklebstoffe Viskose Klebstoffe sichere Klebstoffapplikation muss bei niedrigen Temperaturen gelagert werden hohe Materialkosten hohe Härtungstemperaturen Aushärtung im Autoklaven oder Ofen 2 K und 1K Technologie variable Klebstoffapplikation geringere Härtungstemperaturen können bei Raumtemperatur aufbewahrt werden 6

7 Anforderung an den Prozess/Technologie Relativ geringe Stückzahlen Niedriger Automatisierungsgrad Hohe Sicherheit Darstellbare Prozesskosten Hohe Alterungsstabilität oft widersprüchliche Anforderung oft widersprüchliche Anforderung 7

8 Prozess Vorbehandlung Klebstoff Applikation Klebstoff Aushärtung NDT 8

9 Vorbehandlung 9

10 Vorbehandlung Montage Reparatur Kontamination durch Trennmittel Kontamination durch Betriebsstoffe Verringerung der Adhäsion Vorbehandlung der Klebflächen notwendig Konventionell: mechanische Vorbehandlung Prozesssicherheit Alternative Vorbehandlungsmaßnahmen zum kontaminationstoleranten Kleben notwendig Laservorbehandlung 10

11 Vorbehandlung Hohe Prozessgeschwindigkeit Definierbare Laserparameter Ablation strategy bx Vv dy dx 11

12 Vorbehandlung Sample 1: unvorbehandelt Oberfläche Trennmittel kontaminiert Sample 2: unvorbehandlet Oberfläche ohne Trenmittel Sample 3: Laserbehandelt (Sample 1) Trennmittel kann automatisiert vollständig entfernt werden 12

13 Vorbehandlung Faseroberfläche Matrixrückstand Schonende Matrixentfernung mit Laser möglich Prozessoptimierung noch notwendig Prozess ermöglicht direktes Kleben auf die Fasern Bessere Krafteinleitung in die Struktur erhöhte Verbundfestigkeit 13

14 Klebstoffapplikation 14

15 Klebstoffapplikation In vielen Bereichen ist im Luftfahrtbereich der manuelle Klebstoffauftrag Stand der Technik Folgende Probleme resultieren hieraus: Geringe Prozessgeschwindigkeit Geringe Prozesssicherheit Keine Nachverfolgbarkeit Automatisierter Handauftrag 15

16 Klebstoffapplikation Typische Klebfehler Überdosierung Unterdosierung Anfahrklecks Endklecks Einschnürungen Fädenziehen Applikationsort 16

17 Geschwindigkeitsproportionaler Handauftrag Sensoren berechnen Orientierung Ort Geschwindigkeit erforderlichen Klebstoffdurchfluss Exakte Lieferung der benötigten Klebstoffmenge Werker- und mediumunabhängiger Prozess Steigerung der Prozessgeschwindigkeit Qualitätssteigerung Prozessdokumentation 3D-Bahnverfolgung und Speicherung 17

18 Unerfahrener Werker ohne Regelung (Film) 18

19 Unerfahrener Werker mit Regelung (Film) 19

20 Aushärtung Klebstoff/Ferrit- Komposit Induktion Wärme 20

21 Klebstoffaushärtung Stand der Technik Filmklebstoffe Viskose Klebstoffe Autoklave oder Ofen Ofen/Heizmatte oder Raumtemperatur Einsetzbar in der Produktion Hohe Prozesskosten (Autoklave!) Gute res. Klebstoffeigenschaften Serienproduktion oder Reparatur geringere Prozesskosten 21

22 Aushärtung Shimmassen Möglichkeiten die Prozesszeit zu reduzieren Beschleunigte Shimaushärtung bei erhöhten Temperaturen Shimmassen werden eingesetzt, um fertigungsbedingte Toleranzen zu überbrücken Ofen Heizkabel IR-Strahler Chemisch beschleunigte Systeme Neue Shimmassen müssen entwickelt werden Shim CFRP Bolt Lange Topfzeiten notwendig (große Strukturen) Lange Aushärtezeiten Lange Prozesszeiten 22

23 Beschleunigte Klebstoffaushärtung Erwärmungsart Leistungsübertragung [W/cm 2 ] Konvektion 0,5 Strahlung (Elektrofen, Muffelofen) 8 Wärmeleitung (Salzbad, Kochplatte) 20 Flamme 1000 Induktionserwärmung Hohe Leistungsübertragungsraten ermöglichen eine schnelle und effiziente Bauteilerwärmung und somit Klebstofferwärmung 23

24 Elektromagnetische Klebstoffschnellhärtung Fügeteile Klebschicht (Nano )partikel erzeugte Wärme magnetisches Wechselfeld Anwendung bei CFK, Aluminium und Stahl Anwendung bei Kunststoffen (GFK, SMC, ) und Glas 24

25 Elektromagnetische Klebstoffschnellhärtung U7050 Induktor 3kW,3s 25

26 Elektromagnetische Klebstoffschnellhärtung Sehr homogene Erwärmung des Verbindungsquerschnittes sogar bei sehr dicken Laminaten und Klebstoffschichtdicken 26

27 Elektromagnetische Klebstoffschnellhärtung Im Vergleich zu Aluminium sehr niedriger Skineffekt homogen Strukturerwärmung 27

28 Elektromagnetische Klebstoffschnellhärtung Erhöhte Verbindungsfestigkeit aufgrund erhöhter (thermomechanischer) Eigenschaften 28

29 NDT 29

30 NDT Werkstoff- Werkstoff- und und Bauteilprüfung Bauteilprüfung Zerstörungsfreie Zerstörungsfreie Prüfung Prüfung Zerstörende Zerstörende Prüfung Prüfung Visuell Durchdringende Strahlung Magnetischelektrisch Mechanische Vibration Thermisch Chemischelektrochemisch Bewertungskriterien (Klebverbindungen): Fehlererkennung Realisierungsaufwand Investitionsaufwand Betriebskosten Umwelt / Gefahren Shearographie Neutronen- Radiographie Ultraschall- Impuls-Echo Thermografie Grundsätzliche Eignung Potenzielle Eignung für den Serieneinsatz 30

31 Aufbau thermografischer Messungen Messablauf (Modulierte) Anregung eines Wärmeflusses oder einer mechanischen Belastung im Material Reflektion bzw. Wärmeproduktion an der Fehlstelle Aufzeichnung der Wärmestrahlung durch IR- Kamera Auswertung der Temperaturunterschiede im Bauteil bzw. der Phasenverschiebung zwischen Anregung und Antwort (Lockin) ILT Induktive Anregung Thermische Welle Induzierter Wirbelstrom IR-Kamera Defekt Induktor Bauteil Mess-/ Steuerungsrechner Induktionsgenerator ULT Ultraschallanregung OLT/PT optische Anregung IR-Kamera FFT IR-Kamera PC frame grabber (Blitz-) Lampe FFT D/A-Karte Optische Welle/ Impuls Thermische Welle Defekt Bauteil Elastische Welle US-Konverter US-Generator Bauteil Defekt Thermischer Impuls Am Defekt reflektierte thermische Welle Quelle: e/de/vis GmbH PTvis/ UTvis Handbuch 31

32 NDT Numerische Numerische Auswertung Auswertung Auswertung Auswertung durch durch Bildverarbeitung Bildverarbeitung Vergleich von i.o. / n.i.o. Graphen Geringe Datenmengen Einfache Schnittstelle Vergleich von i.o. / n.i.o. Bild Robuste Methode Relativ aufwändige Programmierung 32

33 Ergebnisse bei ultraschallangeregtem Lockin-Verfahren Messparameter: f us = khz (AM+FM), Darstellung: Phasenwinkel [ ] Delamination Kissing Bond Fehlerhafte Applikation f Li = 0,05 Hz, A max = 12% Glasseitig f Li = 0,05 Hz, A max = 35% f Li = 0,05 Hz, A max = 12% f Li = 0,005 Hz, A max = 35% Metallseitig f Li = 0,005 Hz, A max = 35% Sämtliche Fehler außer Kissing Bonds detektierbar 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 34