INSTITUT FÜR FÜGE- UND SCHWEISSTECHNIK Prof. Dr.-Ing. K. Dilger Langer Kamp 8 38106 Braunschweig http://www.ifs.tu-braunschweig.de TU BRAUNSCHWEIG
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger Dipl.-Ing. Michael Frauenhofer DLR Wissenschaftstag 2008; Braunschweig 2
Gliederung Kleben von Faserverbundstrukturen Beschleunigtes Kleben durch lokales Erwärmen Bauteilerwärmung Klebschichterwärmung Technische, wirtschaftliche Lösungen Spezifische Klebstoffapplikation Preformen CFK GFK 3
Schnellhärtung / Anfangsfixierung Kleben von Faserverbundklebungen Preformen 4
Möglichkeiten der Schnellhärtung Elektromagnetische Härtung Induktive Erwärmung der leitfähigen Substrate (Metalle, CFK,..) Elektromagnetische Erwärmung von Nanoferriten Heat transfer via heat conduction Only for metal or electric conductive substrates direct adhesive heating plastic substrates minimizing Δα-problem 5
Nanoferrite 6
Eingelegte Metallnetze 7
CFK 8
CFK 9
Nanoferrite frequenzabhängige Erwärmung Tendenz der Aufheizrate bezogen auf die Erregungsfrequenz bei nanodotierten Klebstoffen Tendenz der Aufheizrate bezogen auf die Erregungsfrequenz bei nanodotierten Klebstoffen Aufheizrate [K/s] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10 100 1000 Frequenz [khz] 10
Nanoferrite frequenzabhängige Erwärmung Gesamtübersicht der Erwärmung der verschiedenen Nanoferritproben, t = 10 s 30 khz, 1kW 50 khz, 1 kw 350 khz, 55 kw 200 180 160 Temperatur [ C] 140 120 100 80 60 40 20 NF in Glycerin (LCW-Hee) NF-Pulver VPH NF-Pulver MagSi NF-Pulver MagSi HP VPH in Glycerin MagSi in Glycerin MagSi HP in Glycerin NF-Platten Partikel 11
Elektromagnetische Schnellhärtung Prozessparameter Stereamat 5/5G Frequenz: 4 MHz Leistung: - 75% bis zur Zieltemperatur - 50% während Halteperiode MagSilica Bayferrox FM FGA FMA Aufheizzeit in s; T=180 C bei 75% Leistung (Max.) Gesamtprozesszeit t in sec 30 52 25 60 30 61 82 54 92 62 12
Induktive Erwärmbarkeit Vergleich verschiedener Laminate Messung mittels dünnen Thermoelementen, Typ K U7050 Induktor, 1,8kW, 14kHz, 15s Gewebe und Gelege weisen geringe Unterschiede aus Volumetrische Erwärmung U7050 Induktor 3kW,3s 13
Partikelhärtung GFK-Strukturen Einsatz von Nanoferriten notwendig Heckklappe Cured Sample 14
Nanoferrite 1) Dotierte Eisenoxide - M II Fe III 2 O 4 (M = Ca, Co, Fe, Mg, Mn, Ni, Zn) 2) Beschichtung - Kompatibilität zum Klebstoffsystem - Abstandhalter 3) Monodomänen-Partikel - Partikelgröße 10 15 nm - keine Remanenz 10 nm N S 15
Elektromagnetische Härtung Klebstoff/Ferrit- Komposit Induktion Wärme Zug-Scher-Test DIN EN 1465 lü b Klebstoff: Terokal 5045 Elektromagnetische Schnellhärtung ermöglicht ein schnelles Kunststoffkleben bei geringer Reduzierung der Festigkeit Substrat: GFK Härtung: Induktiv (Prozessparameter siehe Diagramm) Vorbereitung: Iprop + MEK Alterung: Prüfgeschwindigkeit: 5 mm/min 16
Stabilisierung Einfluss auf die Dispergierung Terokal 5058 + MagSilica Terokal 5058 + Bayferrox Terokal 5058 + FM Terokal 5058 + FMA Nicht stabilisierte Partikel stabilisierte Partikel Terokal 5058 + FGA Terokal 5058 unmod. Terokal 5058 Partikel absolut homogen verteilt (theoretisch) 17
Stabilisierung Einfluss auf die Dispergierung Nanoparticle 01 Particle agglomeration 18
Elektromagnetische Schnellhärtung Partikelhärtung: Stereamat 5/5G Partikelverträglichkeit (Substrat DC01) Ergebnis: Die niedrigeren FGA und FMA Werte korrelieren mit den Partikelverträglichkeitswerten FM-Partikel lässt sich aufgrund der geringen Größe relativ schlecht dispergieren Partikelgehärtete Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Systemen unwesentlich schlechter 19
Schnellhärtung von Luftfahrtsystemen Zug-Scher-Test DIN EN 1465 lü b Substrat: CPW 800 Härtung: Induktiv Vorbereitung: Iprop + MEK Alterung: Prüfgeschwindigkeit: 0,5 mm/min Ergebnis: Bei einer geringen Heizrate (<1,3 sec) kann das System schnellausgehärtet werden Systeme im Vergleich zu Automobilsystemen weniger gut geeignet 20
2K-Strukturklebstoff - Fertigungsprozess Klebstoffapplikation 2K Topfzeit = 60 min Fügen und Fixieren Punktuelles Schnellhärten t Prozess, ScotchWeld 7236 = 180 sec (130 C) t Prozess, Terokal 5045 = 30 sec (180 C) Induktoren + hohe Prozesssicherheit + Homogene Klebung (ein Klebstoff) + Einfache Klebstoffapplikation - Induktionstechnik notwendig 21
Schmelzklebstoffe Fertigungsprozess Klebstoffapplikation 2K Topfzeit = 60 min Schmelzklebstoffapplikation Viskose Applikation T = 230 C Schnelles Fügen und Fixieren vor dem Abbinden des Schmelzklebstoffes + kurze Prozesszeiten + geringe Investitionskosten + keine zusätzliche Erwärmung notwendig - Prozessunsicherheit (Fügen & Fixieren muss vor dem Abbinden des Schmelzklebstoffes geschehen) - Einsatz von zwei Klebstoffen 22
Fertigungsintegriertes System Prinzipskizze zu Bauteil 1 + 2 mit appliziertem Schmelzklebstoff und Raupen eines reaktiven Klebstoffes. Die Klebstoffraupen wurden in den Bereichen ausgespart, in denen der Schmelzklebstoff eine sofortige Fixierung ermöglichen soll. Induktor zur punktuellen Vorwärmung des Bauteiles 2 auf die Schmelztemperatur des Schmelzklebstoffes. 23
Verbindungselemente/ Bolzen Verklebung von Gewindebolzen Applikationsdauer: bis zu 5 s notwendige Heizdauer: 1 bis 2 s 24
Verbindungselemente/ Bolzen 25
Verbindungselemente/ Bolzen 26
Flexible Induktoren Flexibler Induktor! 27
Temperaturüberwachtes Spot-Curing 28
Hotmelt / Induktion Induktor Regelparameter Anforderungen Kurze Aufheizzeit Kein Überschwingen PWM 30% Zeit 5 sec Frequenz 20,0 KHz Geschädigter Lack im Bereich der größten Temperatureinbringung 29
Auftragsmethoden: Geregelt Scherfrei Ungeregelter Handauftrag Geregelter Handauftrag Ein spezieller Sensor bestimmt Orientierung Ort Geschwindigkeit Gewünschte Durchflussrate 30
Preformen Kleben von Faserverbundstrukturen Preformen 31
Induktives Preformen Neue Technologie Induktives Preforming Ziel: Entwicklung einer Technologie die folgende Eigenschaften aufweist: kurze Prozesszeiten hoher Automatisierungsgrad hohe Preformqualität keine Faserondulationen komplexe Geometrien Preformen auch von dicken Strukturen Lösung induktive Erwärmung der bebinderten Faserhalbzeuge hohe Heizraten ermöglicht Einsatz neuartiger Binder volumetrische Wirkungsweise sehr homogene Erwärmung, dicke Laminate kurze Prozesszeiten nur lokale Erwärmung schnelles Abbinden des Schmelzklebstoffes gute Automatisierbarkeit 32
Induktives Preformen Vergleichsmessungen mit dem Stand der Technik Ergebnis: Homogene Erwärmung durch Induktion (Fehlerbalken!) Schnellere Aufheizraten (20 K/s) Kürzere Prozesszeiten bei höherer Prozesssicherheit Faserhalbzeug: Saertex Biax [± 45] x2 S Prozessparameter Induktor: U7050 Frequenz = 15 khz Leistung = 1,6 kw Aufheizzeit = 2,5 s Abstand Induktor-Fasern = 1 mm 33
Lokale Binderapplikation Integration von Krafteinleitungselementen Binderqualifikation 34
Lokales Preformen von GFK Ziel: Lokales Preformen ausgewählter Bereiche Bessere Permeabilität Harzflusssteuerung Höhere Bauteilqualität Induktionsspule Glasfaserhalbzeug Nanoferrit Polymerhülle Nanoferrit Polymerhülle Glasfaserhalbzeug 35
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 36