DE10000347A1 - Mobile Vorrichtung zum Schweißen und Reparieren von unverstärkten und verstärkten Thermoplasten - Google Patents

Mobile Vorrichtung zum Schweißen und Reparieren von unverstärkten und verstärkten Thermoplasten

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DE10000347A1
DE10000347A1 DE10000347A DE10000347A DE10000347A1 DE 10000347 A1 DE10000347 A1 DE 10000347A1 DE 10000347 A DE10000347 A DE 10000347A DE 10000347 A DE10000347 A DE 10000347A DE 10000347 A1 DE10000347 A1 DE 10000347A1
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DE
Germany
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inductor
rollers
welding
distance
pressure
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Reiner Rudolf
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Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
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Abstract

Bei einer mobilen Vorrichtung zum Schweißen und Reparieren von unverstärkten und verstärkten Thermoplasten erfolgt der Fügevorgang mit Hilfe eines kontinuierlichen Prozesses, wobei die Wärmeeinbringung induktiv und die Schweißkraftapplikation mittels temperierter Rollen erfolgt. Es können nahezu beliebige Bauteilgeometrien und -abmessungen mit geringen Investitionen gefügt und repariert werden. Durch ihre Kompaktheit und ihr geringes Gewicht kann die Vorrichtung leicht transportiert werden, so dass zum Beispiel auch Reparaturen vor Ort möglich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde drängen seit mehreren Jahren zunehmend in industrielle Anwendungen, wobei der Markt derzeit von kleinen bis mittleren Serien großer und komplex geformter Bauteile dominiert wird. Aufgrund ihrer Komplexität werden die Bauteile fertigungsbedingt vielfach aus mehreren Einzelkomponenten aufgebaut, die dann zu der Gesamtstruktur zusammengefügt werden, wobei sich das Schweißen als sinnvollste Fügetechnik erwiesen hat. Eigene Untersuchungen und Studien anderer Autoren belegen, dass die Induktionsschweiß-Technologie zum Fügen von thermoplastischen Faser-Kunststoff- Verbunden prädestiniert ist.
Die Firma Inductron Co. (Grafton, USA) hat eine portable Vorrichtung zum Induktionsschweißen von Verbundwerkstoffen, Kunststoffen und Metallen entwickelt mit der Bauteile mit einer Fügefläche von bis zu 400 cm2 gefügt werden können. Der Schweißdruck wird durch ein Plattenwerkzeug aufgebracht. Der Schweißvorgang verläuft diskontinuierlich (Tagungsband der Materials Research Society, Band 124, 1988, Beitrag "Rapid Electromagnetic Induction Bonding of Composites, Plastics & Metals").
Die Fa. PDA Engineering (Albuquerque, USA) hat eine Induktionsschweiß-Vorrichtung mit einem flexiblen Induktor entwickelt, welcher an die Fügenahtgeometrie angepasst werden kann, so dass eine Erwärmung der Fügenaht in einem Schritt möglich wird. Die Länge der Induktionsspule ist auf etwa 1,5 m begrenzt. Über die Art der Druckapplikation und des gesamten Schweißprozesses werden keine Angaben gemacht (35. Int. SAMPE Symposium, 2.-5.4.1990, Beitrag "Induction Heating Development for Aircraft Repair").
Die Fa. Emabond Systems (Norwood, USA) hat den sog. EMAWELD®-Prozess entwickelt (SAE Technical Paper Series No. 940622, 1994, Beitrag " Electromagnetic Welding of Thermoplastics and Specific Design Criteria"). Dabei handelt es sich um einen Induktionsschweißprozess, bei dem ein speziell auf den zu verschweißenden Werkstoff angepasstes Schweißhilfsmaterial in die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile eingelegt wird, welches anschließend induktiv erwärmt wird und auf diese Weise den umgebenden Kunststoff aufschmilzt. Bei dem Schweißhilfsmaterial handelt es sich um einen Thermoplasten, in den ferromagnetische Partikel eingebettet sind. Der Schweißdruck wird durch eine statische Pressvorrichtung aufgebracht, so dass die verschweißbare Bauteilgröße eingeschränkt ist. Der Prozess verläuft diskontinuierlich. Zur Erzielung einer guten Nahtfestigkeit sind spezielle Nahtgeometrien erforderlich, die mit thermoplastischen Faser- Kunststoff-Verbunden nicht herstellbar sind.
Die Fa. KVT Bielefeld stellt Anlagen zum Verschweißen von Kunststoffen und zum Einbringen von Metallinserts in Kunststoffbauteile her (SKZ-Fachtagung "Verbindungstechniken bei Kunststoffen", Veitshöchheim, 25.-26.4.1996, Beitrag " Eine Alternative zu herkömmlichen Fügetechniken - Das Elektromagnetische Widerstandsschweißverfahren EWS). Beim Verschweißen der Kunststoffbauteile werden metallische Schweißhilfen verwendet, die induktiv erwärmt werden so dass der umgebende Kunststoff aufschmilzt. Der Schweißdruck wird über eine statische Presse aufgebracht, so dass der Prozess diskontinuierlich verläuft. Die maximalen Bauteilabmessungen sind durch die erforderliche Pressenkraft begrenzt. In der Regel werden nur kleine Bauteile bis zu einer Größe von etwa 500 × 500 mm verschweißt.
Das diskontinuierliche Schweißen von großen und komplex geformten Bauteilen mit statischen Pressen ist sehr kostenintensiv und in der Regel unwirtschaftlich, da große Presskräfte und komplexe Werkzeuge erforderlich sind. Für diese Bauteilgruppe bietet sich ein kontinuierlicher Prozess an. Es existiert allerdings noch keine Induktionsschweiß- Vorrichtung zum kontinuierlichen Fügen, die eine wirtschaftliche Fertigung von großen und komplex geformten Bauteilen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden ermöglicht. Zusätzlich zum Fügen ist es zur Steigerung der Kundenakzeptanz von Faser-Kunststoff- Verbunden weiterhin erforderlich, Reparaturen an Bauteilen aus thermoplastischen Faser- Kunststoff-Verbunden möglichst einfach, schnell und preisgünstig durchführen zu können. Reparaturvorrichtungen für thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde existieren derzeit ebenfalls noch nicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexible und mobile Vorrichtung zu schaffen, mit der Bauteile aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden und unverstärkten Thermoplasten mit beliebiger Fügenahtgeometrie wirtschaftlich verschweißt und repariert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit Hilfe der entwickelten Induktionsschweiß-Vorrichtung lassen sich Bauteile aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden ohne grossen apparativen Aufwand schnell und kostengünstig fügen, wobei wegen des modularen Aufbaus und der Austauschbarkeit der Anlagenkomponenten nahezu alle Bauteilgeometrien und Thermoplaste schweißbar sind. Durch eine Vorschub- und Temperaturregelung werden reproduzierbare Schweißnahteigenschaften erzielt und durch die Ausgabe der relevanten Prozessparameter Druck, Temperatur und Vorschubgeschwindigkeit über eine Schnittstelle ist auch ein Qualitätssicherungssystem problemlos anschließbar. Das einfach und übersichtlich aufgebaute Bedienpult schließt Fehlbedienung aus. Die modulare Bauweise ermöglicht eine problemlose Anpassung des Automatisierungsgrades an die Kundenwünsche und dadurch Preisvorteile. Je nach Anforderung können sowohl kontinuierliche Schweißnähte mit oder ohne Strukturierung als auch lokale Schweißpunkte erzeugt werden.
Das Induktionsschweißen bietet außerdem die Möglichkeit, die Fügenaht von bereits verschweißten Bauteilen wieder zu lösen oder Reparaturen an geschädigten Bauteilen durchzuführen. Durch ihre Kompaktheit und ihr geringes Gewicht kann die Vorrichtung leicht transportiert werden, so dass zum Beispiel auch Reparaturen vor Ort möglich sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Fig. 1-6 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung der gesamten Vorrichtung, welche aus einem C-Gestell (9) besteht, das zur Gewichtsentlastung an Seilen (8) aufgehängt ist. Der Schweißdruck wird auf die zu verschweißenden Bauteilhälften (10, 11) über ein Rollenpaar (3) mit Hilfe eines Klappmechanismus aufgebracht. Dazu wird das C-Gestell über einen Pneumatikzylinder (12) zugefahren. Bei komplizierten Bauteilgeometrien kann das C-Gestell über diesen Klappmechanismus aufgeklappt werden, um das Bauteil in den Arbeitsraum einzuführen. Auf dem hinteren Gestenteil befindet sich der HF-Generator (13), der die erforderliche Leistung für den Induktionserwärmungskopf (2) mit der Induktionsspule (1) liefert (Detailansicht Fig. 2). Der Induktionserwärmungskopf (2) ist in allen Achsen verschiebbar aufgehängt. Der Abstand zwischen Induktionsspule und Bauteiloberseite wird über einen Abstandssensor (6) gemessen und mit Hilfe eines Pneumatikzylinders (7) geregelt (Fig. 3). Die obere oder untere Anpressrolle wird über einen Motor (4) und ein entsprechendes Getriebe (5) angetrieben. Die Anpressrollen sind temperiert, um eine reproduzierbare Abfuhr der Wärme aus dem Laminat zu erzielen. Dazu sind die Rollen innen hohl und werden mit einem Temperiermedium (z. B. Wasser oder Öl) durchströmt, welches über eine Drehdurchführung zugeführt wird.
Der Schweißvorgang verläuft kontinuierlich, wobei der Vorschub durch den Motor geregelt wird. Die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile wird durch das von der Induktionsspule emittierte elektromagnetische Feld erwärmt und anschließend durch die Anpressrollen verschweißt und wieder abgekühlt bis zur Konsolidierung des Werkstoffes.
Eine Variante der Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Anpressrollen (3) sind durch ebene oder gekrümmte Platten (17) ersetzt. Der Schweißvorgang verläuft in diesem Fall diskontinuierlich. Zunächst wird ein der Induktorgröße entsprechender Fügezonenbereich aufgeschmolzen. Anschließend wird die Vorrichtung oder das Bauteil weiterbewegt, so dass sich der aufgeschmolzene Bereich unter den Platten befindet, und die Bauteile werden verschweißt und die Werkstoffe wieder konsolidiert. Bei Verwendung von Metall als Plattenwerkstoff können mit dieser Variante nur diskontinuierliche Schweißnähte hergestellt werden, da zwischen der Induktorspule (1) und dem Plattenpaar (17) immer ein Freiraum bleiben muss, um eine Feldbeeinflussung durch das Metall zu vermeiden. Bei Verwendung eines nichtmetallischen, unmagnetischen Plattenwerkstoffes ist dieser Freiraum nicht erforderlich und es können auch kontinuierliche Schweißnähte erzeugt werden.
Eine weitere Variante der Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Fall ist das eine Rollenpaar (3) durch zwei mit einem umlaufenden Band verbundene Rollenpaare (18) ersetzt. Das Band besteht aus einem temperaturbeständigen Werkstoff und wird unter Spannung gehalten, so dass es keine Falten wirft oder beult. Der Anpressdruck wird wieder über das C- Gestell (9) aufgebracht. Der Schweißprozess verläuft bei dieser Variante kontinuierlich und entspricht dem bei Verwendung eines einzigen Rollenpaares (3) (siehe oben). Von Vorteil ist hier, dass sich die Abkühlzeit unter Einwirkung des Konsolidierungsdruckes verlängert, da eine längere Druckzone vorhanden ist. Dadurch sind höhere Vorschubgeschwindigkeiten erzielbar bzw. bei kritischen Werkstoffen sinkt die Gefahr von Schädigungen.
Anstelle der Abstandsregelung zwischen Induktorspule (1) und Laminatoberseite (10) mittels eines Abstandssensors (6) kann die in Fig. 6 dargestellte Variante verwendet werden. Die Induktorspule (1) wird dabei in einen Gleitschuh (14) eingebettet, welcher aus einem nichtmetallischen und unmagnetischen Werkstoff besteht (z. B. Epoxidharz). Dieser Gleitschuh wird mittels eines Andrückmechanismus auf die Bauteiloberfläche gepresst. Die Presskraft muss so hoch sein, dass der Kontakt zur Bauteiloberfläche hergestellt wird, das Gleiten des Schuhs über die Bauteiloberfläche aber nicht behindert wird oder es zu einem stick-slip-Effekt kommt. Der Andrückmechanismus kann z. B. aus einem Bügel aus Federstahl bestehen, der am Induktionserwärmungskopf (2) und am Gleitschuh (14) befestigt ist. Zusätzlich sind die Zuleitungen (15) zur Induktionsspule (1) flexibel gestaltet, so dass sich die in den Gleitschuh eingebettete Induktorspule frei bewegen kann. Hierzu können z. B. Kunststoffschläuche verwendet werden, die das für die Induktorspule notwendige Kühlwasser durchleiten und gleichzeitig elektrische überbrückt sind, um den HF-Strom zu leiten.

Claims (16)

1. Mobile Vorrichtung zum Schweißen und Reparieren von unverstärkten und verstärkten Thermoplasten, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Matrixpolymers induktiv mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 10 MHz erfolgt, und die Schweißkraft in einem kontinuierlichen Prozess pneumatisch über ein temperiertes Rollenpaar (3) aufgebracht wird, das sich in einem Abstand b zur Induktorspule (1) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub durch den Antrieb einer oder beider Rollen mit Hilfe eines Motors (4) und eines entsprechenden Getriebes (5) erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen Induktorspule (1) und Bauteiloberfläche sowie Induktorspule (1) und Andruckrollen (3) variabel ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung gewichtsentlastet aufgehängt ist (8).
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Laminattemperatur nach Durchlaufen der Andruckrollen durch Druckluft oder Gas weiter beeinflusst werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckrollen (3) profiliert sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkraft mittels Federkraft aufgebracht wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub manuell ohne Motor erfolgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass statt der zwei Andruckrollen nur eine verwendet wird und die erforderliche Gegenkraft durch eine entsprechend angepasste Werkstückaufnahmevorrichtung erfolgt.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass statt der Andruckrollen zwei ebene oder gekrümmte Platten (17) zum Erzeugen der Schweißkraft verwendet werden, die entweder glatt oder profiliert sein können.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor in die Platten, die zur Erzeugung des Schweißdruckes dienen, integriert ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor in der Fügezone zwischen den beiden Fügepartnern geführt wird und die zu fügenden Laminate durch eine keilförmige Aufspreizvorrichtung auseinandergehalten werden, in die der Induktor eingebettet ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass statt der zwei Andruckrollen vier verwendet werden, von denen jeweils zwei durch ein endloses Band (18) aus wärmebeständigem Werkstoff, wie z. B. Metall, verbunden sind (entsprechend dem Doppelbandpressen-Prinzip).
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass statt der zwei Andruckrollen ein System aus n × 2 Rollen verwendet wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen Induktor und Bauteiloberfläche über einen Sensor (6) erfasst und konstant geregelt wird.
16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen Induktor (1) und Bauteiloberfläche auf die Weise konstant gehalten wird, dass der Induktor (1) in einen Gleitschuh (14) aus nichtleitendem Material (z. B. Epoxidharz) eingebettet ist und mittels eines Andrückmechanismus (z. B. Bügel aus Federstahl) auf die Bauteiloberfläche gepresst wird, wobei der Induktor flexible Zuleitungen (15) besitzt.
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