DE102018111643A1 - Electric resistance heating element and method for material-bonded joining of fiber-plastic composite components - Google Patents

Electric resistance heating element and method for material-bonded joining of fiber-plastic composite components Download PDF

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Abstract

Elektrisches Widerstandsheizelement (200) zum Plastifizieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, um die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wobei das Widerstandsheizelement (200) Heizwiderstände bildende elektrisch leitende Heizabschnitte (202) und zwischen den Heizabschnitten (202) wirkende elektrisch isolierende Isolierabschnitte (204) aufweist, und Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, wobei ein derartiges Widerstandsheizelement (200) zwischen miteinander zu verbindenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen angeordnet wird und die Heizabschnitte (202) elektrisch beaufschlagt werden, um Kunststoffmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile und/oder die Isolierabschnitte zu plastifizieren.An electrical resistance heating element (200) for plasticizing fiber-plastic composite components at a common mating contact surface to integrally bond the fiber-plastic composite components, the resistance heating element (200) forming electrically conductive heating sections (202) and between heating resistors electrically insulating insulating portions (204) acting on the heating sections (202), and method for materially joining fiber-plastic composite components to a common joint contact surface, wherein such a resistance heating element (200) between fiber-plastic composite components to be joined together is arranged and the heating sections (202) are electrically applied to plasticize plastic material of the fiber-plastic composite components and / or the insulating sections.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement zum Plastifizieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, um die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche.The invention relates to an electrical resistance heating element for plasticizing fiber-plastic composite components at a common joint contact surface, in order to connect the fiber-plastic composite components together materially. In addition, the invention relates to a method for cohesive bonding of fiber-plastic composite components to a common joint contact surface.

Aus dem Dokument DE 10 2011 114 306 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Fügen von wenigstens zwei in einem Fügebereich aufeinander liegenden FVK-Bauteilen mittels eines metallenen Fügeelementes, wobei zur Fixierung der aufeinanderliegenden FVK-Bauteile im Fügebereich ein Setzbolzen als Fügeelement zunächst durch die FVK-Bauteile und anschließend durch ein im Fügebereich anliegendes Metallblech getrieben wird, und anschließend mittels Widerstands- oder Reibungsschweißen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Setzbolzen und Metallblech hergestellt wird.From the document DE 10 2011 114 306 A1 a method is known for joining at least two FVK components lying on top of one another in a joining region by means of a metal joining element, wherein for fixing the superposed FRP components in the joining region a setting bolt as a joining element first by the FRP components and then by a metal sheet fitting in the joint area is driven, and then by means of resistance or friction welding a cohesive connection between the setting bolt and metal sheet is produced.

Aus dem Dokument DE 10 2012 216 255 A1 ist eine Vorrichtung bekannt zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Kunststoffbauteile mit einer Andrückeinrichtung mit der die zu fügenden Kunststoffbauteile aneinander anpressbar sind, und einer Heizeinrichtung, mit der die Oberfläche mindestens eines Kunststoffbauteils zumindest abschnittsweise auf eine vorbestimmt Temperatur erwärmbar ist, wobei die zwei Kunststoffbauteile und die Vorrichtung zueinander relativ bewegbar sind und in einer Bewegungsrichtung relativ zur Vorrichtung bewegbar sind, wobei die Kunststoffbauteile an der Fügestelle zuerst erwärmt und anschließend aneinander gepresst werden.From the document DE 10 2012 216 255 A1 a device is known for materially joining two plastic components with a pressing device with which the plastic components to be joined are pressed against each other, and a heater with which the surface of at least one plastic component is at least partially heated to a predetermined temperature, wherein the two plastic components and the device to each other are relatively movable and are movable in a direction of movement relative to the device, wherein the plastic components are heated at the joint first and then pressed against each other.

Aus der am 12.03.2018 angemeldeten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2018 105 690.7 ist eine elektrische Widerstandsheizschicht bekannt zum Plastifizieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen, um die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wobei die Widerstandsheizschicht eine an die Fügekontaktflächen individuell angepasste Heizleistungsverteilung aufweist. Außerdem ist aus der am 12.03.2018 angemeldeten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2018 105 690.7 ein Verfahren bekannt zum Herstellen einer derartigen elektrischen Widerstandsheizschicht, wobei zunächst unter Berücksichtigung von Geometriedaten der Fügekontaktflächen und/oder Werkstoffdaten der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile eine individuell erforderliche Heizleistungsverteilung ermittelt wird. Außerdem ist aus der am 12.03.2018 angemeldeten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2018 105 690.7 ein Verfahren bekannt zum Fügen thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile, wobei die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mithilfe einer elektrischen Widerstandsheizschicht zur gegenseitigen stoffschlüssigen Verbindung an Fügekontaktflächen plastifiziert werden, wobei zum Plastifizieren der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile an den Fügekontaktflächen eine derartige elektrische Widerstandsheizschicht verwendet wird.From the on 12.03.2018 registered German patent application with the file number 10 2018 105 690.7 For example, an electrical resistance heating layer is known for plasticizing fiber-plastic composite components at common joining contact surfaces in order to materially connect the fiber-plastic composite components, wherein the resistance heating layer has a heating power distribution individually adapted to the joint contact surfaces. In addition, from the registered on 12.03.2018 German patent application with the file number 10 2018 105 690.7 a method is known for producing such an electrical resistance heating layer, wherein initially, taking into account geometric data of the joint contact surfaces and / or material data of the fiber-plastic composite components, an individually required heating power distribution is determined. In addition, from the registered on 12.03.2018 German patent application with the file number 10 2018 105 690.7 a method is known for joining thermoplastic fiber-plastic composite components, wherein the fiber-plastic composite components are plasticized by means of an electrical Widerstandsheizschicht for mutual cohesive connection to joint contact surfaces, wherein for plasticizing the fiber-plastic composite components at the joint contact surfaces such an electrical resistance heating layer is used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Widerstandsheizelement baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern.The invention has for its object, structurally and / or functionally to improve a resistance heating element mentioned above. In addition, the invention has for its object to improve a method mentioned above.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Widerstandsheizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with a resistance heating element with the features of claim 1. In addition, the object is achieved by a method having the features of claim 8. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können Fahrzeugbauteile sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, Kraftfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Raumfahrzeug sein. Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können Rumpfteile eines Luftfahrzeugs sein. Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können Flügelteile eines Luftfahrzeugs sein.The fiber-plastic composite components may be vehicle components. The vehicle may be a land vehicle, motor vehicle, aircraft, watercraft or spacecraft. The fiber-plastic composite components may be fuselage parts of an aircraft. The fiber-plastic composite components may be wing portions of an aircraft.

Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können organische Fasern, wie Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, Plexiglas-Fasern, und/oder anorganische Fasern, wie Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, aufweisen. Die Fasern können als Gewebe, Gewirk, Gestrick, Geflecht oder Nähgewirke vorliegen. Die Fasern können als Textilie vorliegen. Das Fasern können einlagig oder mehrlagig vorliegen. Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können ein thermoplastisches Matrixmaterial aufweisen. Das Matrixmaterial kann Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE) aufweisen. Die Fasern können in dem Matrixmaterial eingebettet sein.The fiber-plastic composite components may include organic fibers such as aramid fibers, carbon fibers, polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, plexiglass fibers, and / or inorganic fibers such as basalt fibers, boron fibers, glass fibers, ceramic fibers, silica fibers, respectively. The fibers may be in the form of woven, knitted, knitted, braided or stitchbonded threads. The fibers can be present as textile. The fibers may be single-layered or multi-layered. The fiber-plastic composite components may comprise a thermoplastic matrix material. The matrix material may include polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI) and / or polytetrafluoroethene (PTFE). The fibers may be embedded in the matrix material.

Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können jeweils wenigstens eine Fügekontaktfläche aufweisen. Die wenigstens eine Fügekontaktfläche kann eben sein. Die wenigstens eine Fügekontaktfläche kann einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Die gemeinsame Fügekontaktfläche kann eine Fügekontaktflächenlänge und eine Fügekontaktflächenbreite aufweisen.The fiber-plastic composite components may each have at least one joint contact surface. The at least one joint contact surface may be flat. The at least one joint contact surface may be curved once or several times. The common joint contact surface may have a joint contact surface length and a joint surface width.

Das Widerstandsheizelement kann zur Anordnung zwischen gemeinsamen Fügekontaktflächen miteinander zu verbindender oder verbundener Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile dienen. Das Widerstandsheizelement kann zum Plastifizieren von Matrixmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile dienen.The resistance heating element can be connected to one another for arrangement between common joining contact surfaces connected fiber-plastic composite components serve. The resistance heating element can serve for plasticizing matrix material of the fiber-plastic composite components.

Die Heizabschnitte können jeweils einzeln oder gruppenweise wenigstens einen elektrischen Kontaktabschnitt aufweisen. Der wenigstens eine Kontaktabschnitt kann außerhalb der Fügekontaktflächen angeordnet sein. Die Heizabschnitte können einzeln gesondert elektrisch beaufschlagbar sein. Die Heizabschnitte können gruppenweise gesondert elektrisch beaufschlagbar sein. Eine Gruppe von Heizabschnitten kann mehrere aufeinanderfolgend angeordnete Heizabschnitte umfassen. Eine Gruppe von Heizabschnitten kann mehrere nicht aufeinanderfolgend angeordnete Heizabschnitte umfassen.The heating sections may each comprise, individually or in groups, at least one electrical contact section. The at least one contact section may be arranged outside the joint contact surfaces. The heating sections can be separately acted upon electrically separately. The heating sections may be acted upon in groups separately electrically. A group of heating sections may comprise a plurality of successively arranged heating sections. A group of heating sections may comprise a plurality of non-consecutively arranged heating sections.

Die Heizabschnitte können jeweils eine faden- oder bahnartige Form aufweisen. Die Heizabschnitte können sich jeweils entlang eines Bahnverlaufs erstrecken. Der Bahnverlauf kann gerade sein. Der Bahnverlauf kann kurvig sein. Die Heizabschnitte können unidirektional orientiert sein. Die Heizabschnitte können zueinander zumindest abschnittsweise parallel angeordnet sein. Die Heizabschnitte können voneinander beabstandet angeordnet sein. Die Heizabschnitte können voneinander zumindest annähernd gleiche Abstände aufweisen. Eine Dichte und/oder Ausrichtung der Heizabschnitte kann individuell angepasst sein. Die Heizabschnitte können voneinander unterschiedliche Abstände aufweisen. Die Heizabschnitte können sich in Fügekontaktflächenlängsrichtung erstrecken. Die Heizabschnitte können sich in Fügekontaktflächenbreitenrichtung erstrecken.The heating sections may each have a thread or web-like shape. The heating sections may each extend along a path. The trajectory can be straight. The course can be curvy. The heating sections can be unidirectionally oriented. The heating sections may be arranged parallel to each other at least in sections. The heating sections may be spaced from each other. The heating sections may have mutually at least approximately equal distances. Density and / or orientation of the heating sections may be customized. The heating sections may have different distances from each other. The heating sections may extend in joining contact surface longitudinal direction. The heating sections may extend in the mating contact surface width direction.

Das Widerstandsheizelement kann zumindest abschnittsweise für plastifiziertes Kunststoffmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile durchlässig sein. Die Isolierabschnitte können plastifizierbar sein. Die Heizabschnitte können zum Plastifizieren der Isolierabschnitte dienen. Die Heizabschnitte können aus einem Metall hergestellt sein. Die Isolierabschnitte können aus einem Kunststoff hergestellt sein. Die Isolierabschnitte können aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt sein. Die Isolierabschnitte können aus einem mit einem Matrixmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile kompatiblen Kunststoff hergestellt sein. „Kompatibel“ bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass die Kunststoffe miteinander stoffschlüssig verbindbar sind. Die Isolierabschnitte können aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE) hergestellt sein.The resistance heating element may be permeable at least in sections for plasticized plastic material of the fiber-plastic composite components. The insulating sections may be plasticizable. The heating sections may serve to plasticize the insulating sections. The heating sections may be made of a metal. The insulating sections may be made of a plastic. The insulating sections may be made of a thermoplastic material. The insulating sections may be made of a plastic compatible with a matrix material of the fiber-plastic composite components. In this context, "compatible" means, in particular, that the plastics can be connected to one another in a materially bonded manner. The insulating sections may be made of polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI) and / or polytetrafluoroethene (PTFE).

Das Widerstandsheizelement kann als Hybridgewebe mit fadenartigen Heizabschnitten und fadenartigen Isolierabschnitten ausgeführt sein. Das Hybridgewebe kann ein erstes Fadensystem mit zueinander zumindest annähernd parallelen Fäden und ein zweites Fadensystem mit zueinander zumindest annähernd parallelen Fäden aufweisen. Das erste Fadensystem und das zweite Fadensystem können miteinander verkreuzt sein. Das erste Fadensystem kann Heizabschnitte aufweisen. Das erste Fadensystem kann Heizabschnitte und Isolierabschnitte aufweisen. Das erste Fadensystem kann abwechselnd einen oder mehrere Heizabschnitte und Isolierabschnitte aufweisen. Das zweite Fadensystem kann nur Isolierabschnitten aufweisen.The resistance heating element can be designed as a hybrid fabric with thread-like heating sections and thread-like insulating sections. The hybrid fabric may have a first thread system with threads that are at least approximately parallel to one another and a second thread system with threads that are at least approximately parallel to each other. The first thread system and the second thread system may be crossed with each other. The first thread system may have heating sections. The first thread system may have heating sections and insulating sections. The first thread system may alternately have one or more heating sections and insulating sections. The second thread system can only have insulating sections.

Die Isolierabschnitte können mithilfe einer Trägerfolie gebildet sein. Die Heizabschnitte können in einem generativen Fertigungsverfahren auf die Trägerfolie aufgebracht sein. Die Heizabschnitte können durch selektives Laserschmelzen auf die Trägerfolie aufgebracht sein. Die Heizabschnitte können auf die Trägerfolie aufgedruckt sein.The insulating sections may be formed by means of a carrier foil. The heating sections may be applied to the carrier film in a generative manufacturing process. The heating sections may be applied to the carrier foil by selective laser melting. The heating sections may be printed on the carrier film.

Zum stoffschlüssigen Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen können zunächst die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit den Fügekontaktflächen aneinander angeordnet werden. Zwischen den Fügekontaktflächen kann das Widerstandsheizelement angeordnet werden. Nachfolgend kann das Widerstandsheizelement mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt werden, um das Widerstandsheizelement derart zu erhitzen, dass die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile an den Fügekontaktflächen und/oder die Isolierabschnitte plastifiziert werden. Das Widerstandsheizelement kann erhitzt werden, bis das Matrixmaterial sich über eine Kristallitschmelztemperatur erwärmt und/oder bis das Matrixmaterial und/oder die Isolierabschnitte zumindest eine hinreichend reduzierte Viskosität aufweisen. Dabei können das Matrixmaterial und/oder die Isolierabschnitte verflüssigt werden. Das verflüssigte Matrixmaterial der miteinander zu verbindenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile kann durch die erhitzte Widerstandsheizschicht diffundieren, sodass sich die Matrixmaterialien der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile und/oder Isolierabschnittmaterial zumindest abschnittsweise vermischen. Um ein Verbinden der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile miteinander zu unterstützen, können die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile relativ zueinander bewegt werden und/oder die Fügekontaktflächen können gegeneinander gepresst werden. Nachfolgend kann eine Beaufschlagung des Widerstandsheizelements mit einer elektrischen Leistung beendet werden, sodass die Widerstandsheizschicht abkühlt und sich das Matrixmaterial und/oder das Isolierabschnittmaterial wieder verfestigt.For cohesive joining of fiber-plastic composite components, first the fiber-plastic composite components can be arranged with the joint contact surfaces together. Between the joint contact surfaces, the resistance heating element can be arranged. Subsequently, an electrical power can be applied to the resistance heating element in order to heat the resistance heating element in such a way that the fiber-plastic composite components are plasticized on the joining contact surfaces and / or the insulating sections. The resistance heating element can be heated until the matrix material heats up above a crystallite melting temperature and / or until the matrix material and / or the insulating sections have at least a sufficiently reduced viscosity. In this case, the matrix material and / or the insulating sections can be liquefied. The liquefied matrix material of the fiber-plastic composite components to be joined can diffuse through the heated resistance heating layer, so that the matrix materials of the fiber-plastic composite components and / or Isolierabschnittmaterial at least partially mix. In order to assist in joining the fiber-plastic composite components together, the fiber-plastic composite components can be moved relative to each other and / or the joint contact surfaces can be pressed against each other. Subsequently, an application of electrical power to the resistance heating element may be terminated so that the resistance heating layer cools and the matrix material and / or the insulating section material re-solidifies.

Die Heizabschnitte können einzeln und/oder gruppenweise mit unterschiedlicher elektrische Leistung beaufschlagt werden. Die Heizabschnitte können einzeln und/oder gruppenweise mit unterschiedlicher elektrische Leistung beaufschlagt werden, um einen unterschiedlichen Wärmeeintrag zu bewirken. Die Heizabschnitte können einzeln und/oder gruppenweise mit unterschiedlicher elektrische Leistung beaufschlagt werden, um einen homogen verteilten Wärmeeintrag innerhalb der Fügefläche während des Fügeprozesses zu erreichen, eine zu Randabschnitten der Fügefläche hin zunehmende Wärmeableitung zu kompensieren, Temperaturgradienten über die Fügezone hinweg zu vermeiden und/oder Stellen erhöhter und/oder reduzierter Temperatur zu vermeiden.The heating sections can be acted upon individually and / or in groups with different electrical power. The heating sections can individually and / or in groups with different electrical power are applied to cause a different heat input. The heating sections can be acted upon individually and / or in groups with different electrical power in order to achieve a homogeneously distributed heat input within the joining surface during the joining process, to compensate for increasing heat dissipation towards edge sections of the joining surface, to avoid temperature gradients across the joining zone and / or Avoid excessive and / or reduced temperature.

Die Heizabschnitte können gleichzeitig mit elektrische Leistung beaufschlagt werden. Die Heizabschnitte können einzeln und/oder gruppenweise aufeinanderfolgend mit elektrische Leistung beaufschlagt werden. Mehrere Heizabschnitte können gleichzeitig mit elektrische Leistung beaufschlagt werden.The heating sections can be charged with electrical power at the same time. The heating sections can be acted upon individually and / or in groups successively with electrical power. Several heating sections can be applied simultaneously with electrical power.

Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Verwendung von unidirektional leitfähigen Schweißelementen beim elektrischen Widerstandsschweißen für das Fügen von thermoplastischen Faserverbundbauteilen.In summary, and in other words, the invention thus provides inter alia a use of unidirectionally conductive welding elements in electrical resistance welding for the joining of thermoplastic fiber composite components.

Beim statischen und kontinuierlichen Widerstandsschweißen können durch die Verwendung von Schweißelementen, bestehend aus leitenden und isolierenden Komponenten, Vorteile erzielt werden. Funktionalisierte Schweißelemente können in einem elektrischen Widerstandsschweißprozess in statischer und kontinuierlicher Form verwendet werden. Die Schweißelemente können durch unidirektional leitfähige Bestandteile funktionalisiert sein. Die Schweißelemente können Hybrid-Gewebe oder auf Trägerfolie fixierte Leiter oder auch SLMbedruckte Trägerfolien aufweisen. Eine Leitfähigkeit kann in lediglich eine Richtung bestehen. Ein Freiheitsgrad bei konstruktiver Gestaltung ist hoch, eine Leiterdichte und -ausrichtung kann variiert werden.In static and continuous resistance welding, advantages can be achieved through the use of welding elements consisting of conductive and insulating components. Functionalized welding elements can be used in static and continuous electrical resistance welding processes. The welding elements can be functionalized by unidirectionally conductive components. The welding elements may comprise hybrid fabrics or conductors fixed to carrier film or even SLM printed carrier films. A conductivity can exist in one direction only. One degree of freedom in design is high, conductor density and orientation can be varied.

Beim statischen Schweißprozess kann ein Energieeintrag gezielt erfolgen und somit eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden. Einem Abkühlen in Randbereichen kann durch dort anzulegende, höhere Leistung entgegengewirkt werden. Der gezielte Energieeintrag kann ganzflächig hohe Festigkeiten und somit eine verbesserte Bauteilperformance bewirken. Schweißzeit können verkürzt werden. Eine Kontaktierung kann mehrphasig erfolgen, um unterschiedliche Leistungsstufen an das funktionalisierte Schweißelement abgeben zu können.In the static welding process, an energy input can be targeted and thus a homogeneous temperature distribution can be achieved. Cooling in peripheral areas can be counteracted by higher power to be applied there. The targeted introduction of energy can produce high strengths over the entire surface and thus improved component performance. Welding time can be shortened. Contacting can be done in several phases in order to deliver different power levels to the functionalized welding element.

Ein Bereich erhöhter Temperatur entlang des Schweißnahtverlaufs kann vergrößert werden. Dadurch kann zum einen eine Prozesszeit deutlich verkürzt werden, denn ein Energieeintrag an einer Vielzahl aufeinanderfolgender elektrischer Leiter kann eine deutliche Steigerung einer Vorschubgeschwindigkeit eines Schweißwerkzeugs ermöglichen. Je nach Anzahl von Kontaktierungsstellen können Geschwindigkeitssteigerungen um einen Faktor 10 erzielt werden. Damit kann eine Wirtschaftlichkeit eines kontinuierlichen elektrischen Widerstandsschweißverfahrens für einen breiten Anwendungsbereich erhöht werden. Außerdem kann ein gezielter Energieeintrag einen flacheren Temperaturgradienten über den Schweißnahtverlauf hinweg ermöglichen. Dies kann zu langsamerem Aufheiz- und vor allem Abkühlverhalten führen und dadurch mechanische sowie morphologische Schwächungen durch Eigenspannungen, Vakuolen, Porosität oder Risse vermeiden.An area of elevated temperature along the weld seam can be increased. As a result, on the one hand, a process time can be significantly shortened, because an energy input at a plurality of successive electrical conductors can enable a significant increase in a feed rate of a welding tool. Depending on the number of contact points, speed increases can be achieved by a factor of 10. This can increase the profitability of a continuous electric resistance welding process for a wide range of applications. In addition, a targeted energy input can allow a shallower temperature gradient over the weld. This can lead to slower heating and especially cooling behavior and thereby avoid mechanical and morphological weakening due to residual stresses, vacuoles, porosity or cracks.

Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.By "may" in particular optional features of the invention are referred to. Accordingly, there is an embodiment of the invention each having the respective feature or features.

Mit der Erfindung kann ein Energieeintrag zielgerichtet erfolgen. Ein Energieeintrag kann angepasst erfolgen. Eine Temperaturverteilung kann homogenisiert werden. Ein Bereich erhöhter Temperatur kann vergrößert werden. Prozesszeiten können verkürzt werden. Eine Vorschubgeschwindigkeit kann erhöht werden.With the invention, an energy input can be targeted. An energy input can be adjusted. A temperature distribution can be homogenized. An area of elevated temperature can be increased. Process times can be shortened. A feed rate can be increased.

Eine Verbindung zwischen thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen kann verbessert werden. Eine stoffschlüssige feste Verbindung über die gesamte Fügekontaktfläche kann gewährleistet werden. Eine stoffschlüssige feste Verbindung kann auch an Randabschnitten gewährleistet werden. Eine Belastungsfähigkeit einer Verbindung zwischen thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen kann erhöht werden. Diese Vorteile können für beliebige Geometrien von Fügekontaktflächen realisiert werden. Diese Vorteile können für nicht-rechteckförmige Geometrien von Fügekontaktflächen realisiert werden. Einschränkungen hinsichtlich Fügestellengeometrien können überwunden werden.A connection between thermoplastic fiber-plastic composite components can be improved. A cohesive solid connection over the entire joint contact surface can be ensured. A cohesive firm connection can also be ensured at edge sections. A load capacity of a connection between thermoplastic fiber-plastic composite components can be increased. These advantages can be realized for any geometry of joint contact surfaces. These advantages can be realized for non-rectangular geometries of joint contact surfaces. Restrictions on joint geometries can be overcome.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to figures. From this description, further features and advantages. Concrete features of these embodiments may represent general features of the invention. Features associated with other features of these embodiments may also constitute individual features of the invention.

Es zeigen schematisch und beispielhaft:

  • 1 ein Fügen thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mithilfe eines elektrischen Widerstandsheizelements mit Heizabschnitten und Isolierabschnitten,
  • 2 ein als Hybridgewebe mit fadenartigen Heizabschnitten und fadenartigen Isolierabschnitten ausgeführtes Widerstandsheizelement,
  • 3 ein Widerstandsheizelement, bei dem Isolierabschnitte mithilfe einer Trägerfolie gebildet und Heizabschnitte an der Trägerfolie angeordnet sind und
  • 4 einen Temperaturverlauf bei einem kontinuierlichen Widerstandsschweißen mithilfe eines Widerstandsheizelements mit Heizabschnitten und Isolierabschnitten.
They show schematically and by way of example:
  • 1 a joining of thermoplastic fiber-plastic composite components by means of an electrical resistance heating element with heating sections and insulating sections,
  • 2 a resistance heating element designed as a hybrid fabric with thread-like heating sections and thread-like insulating sections,
  • 3 a resistance heating element in which insulating portions are formed by means of a carrier foil and heating portions are arranged on the carrier foil, and
  • 4 a temperature profile in a continuous resistance welding using a resistance heating element with heating sections and Isolierabschnitten.

1 zeigt ein Fügen thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 mithilfe eines elektrischen Widerstandsheizelements 104 mit Heizabschnitten und Isolierabschnitten. 1 shows a joining of thermoplastic fiber-plastic composite components 100 . 102 using an electrical resistance heating element 104 with heating sections and insulating sections.

Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 weisen organische Fasern, wie Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, Plexiglas-Fasern, und/oder anorganische Fasern, wie Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, auf, die in einem thermoplastischen Matrixmaterial, wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE), eingebettet sind.The fiber-plastic composite components 100 . 102 include organic fibers, such as aramid fibers, carbon fibers, polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, plexiglass fibers, and / or inorganic fibers, such as basalt fibers, boron fibers, glass fibers, ceramic fibers, silica fibers, which are contained in a thermoplastic matrix material, such as polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI) and / or polytetrafluoroethene (PTFE).

Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 weisen jeweils eine Fügekontaktfläche auf. Zunächst werden die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 mit ihren Fügekontaktflächen aneinander angeordnet, wobei zwischen den Fügekontaktflächen das Widerstandsheizelement 104 angeordnet wird. Nachfolgend wird das Widerstandsheizelement 104 mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt, um das Widerstandsheizelement 104 derart zu erhitzen, dass sich das Matrixmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 an den Fügekontaktflächen verflüssigt. Gegebenenfalls unter Bewegung der Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 relativ zueinander und/oder unter gegenseitiger Anpressung der Fügekontaktflächen durchdringt das flüssige Matrixmaterial die Widerstandsheizschicht 104 und das flüssige Matrixmaterial der Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 vermischt sich. Nachfolgend wird eine Beaufschlagung des Widerstandsheizelements mit einer elektrischen Leistung beendet, sodass das Widerstandsheizelement abkühlt und sich das Matrixmaterial wieder verfestigt. Die Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 sind dann an den Fügekontaktflächen miteinander stoffschlüssig verbunden.The fiber-plastic composite components 100 . 102 each have a joint contact surface. First, the fiber-plastic composite components 100 . 102 arranged with their joint contact surfaces to each other, wherein between the joint contact surfaces, the resistance heating element 104 is arranged. The following is the resistance heating element 104 applied with an electrical power to the resistance heating element 104 to heat such that the matrix material of the fiber-plastic composite components 100 . 102 liquefied at the joint contact surfaces. If necessary with movement of the plastic composite components 100 . 102 relative to each other and / or under mutual contact pressure of the joint contact surfaces penetrates the liquid matrix material, the Widerstandsheizschicht 104 and the liquid matrix material of the plastic composite components 100 . 102 mixes up. Subsequently, an application of electrical power to the resistance heating element is terminated so that the resistance heating element cools and the matrix material solidifies again. The plastic composite components 100 . 102 are then connected cohesively to each other at the joint contact surfaces.

Die Isolierabschnitte können aus einem thermoplastischen Material, wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE), bestehen. Zusätzlich können bei einem Erhitze des Widerstandsheizelements dann die Isolierabschnitte verflüssigt werden, sodass sich das flüssige Matrixmaterial der Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 und das flüssige Isolierabschnittmaterial vermischen.The insulating portions may be made of a thermoplastic material such as polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI) and / or polytetrafluoroethene (PTFE). In addition, when the resistance heating element is heated, the insulating sections can then be liquefied, so that the liquid matrix material of the plastic composite components 100 . 102 and mix the liquid insulating section material.

2 zeigt ein Widerstandsheizelement 200, wie Widerstandsheizelement 104 gemäß 1, das als Hybridgewebe mit fadenartigen Heizabschnitten, wie 202, und fadenartigen Isolierabschnitten, wie 204, ausgeführt ist. Das Hybridgewebe weist ein erstes Fadensystem 206 mit parallelen Fäden und ein zweites Fadensystem 208 mit parallelen Fäden auf. Die Fadensysteme 206, 208 sind miteinander verkreuzt. Das erste Fadensystem 206 weist abwechselnd Heizabschnitte 202 und Isolierabschnitte 204 auf. Das zweite Fadensystem 208 weist nur Isolierabschnitte 204 auf. Die Heizabschnitte 202 weisen jeweils eine fadenartige Form auf und erstrecken sich zueinander parallel und voneinander beabstandet in der Darstellung gemäß 1 unidirektional senkrecht. Das Widerstandsheizelement 200 ist für plastifiziertes Kunststoffmaterial von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen durchlässig. 2 shows a resistance heating element 200 as resistance heating element 104 according to 1 used as a hybrid fabric with thread-like heating sections, such as 202 , and thread-like insulating sections, such as 204 , is executed. The hybrid fabric has a first thread system 206 with parallel threads and a second thread system 208 with parallel threads on. The thread systems 206 . 208 are crossed with each other. The first thread system 206 alternately has heating sections 202 and insulating sections 204 on. The second thread system 208 has only insulating sections 204 on. The heating sections 202 each have a thread-like shape and extend parallel to each other and spaced apart in the illustration according to 1 unidirectional vertical. The resistance heating element 200 is permeable to plasticized plastic material of fiber-plastic composite components.

3 zeigt ein Widerstandsheizelement 300, wie Widerstandsheizelement 104 gemäß 1, bei dem Isolierabschnitte, wie 302, mithilfe einer Trägerfolie 304 gebildet und Heizabschnitte, wie 306, an der Trägerfolie 304 angeordnet sind. Die Heizabschnitte 306 sind durch selektives Laserschmelzen auf die Trägerfolie 304 aufgedruckt. Die Heizabschnitte 306 weisen jeweils eine bahnartige Form auf und erstrecken sich zueinander parallel und voneinander beabstandet in der Darstellung gemäß 1 unidirektional senkrecht. Die Trägerfolie 304 ist aus einem mit einem Matrixmaterial von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen kompatiblen Kunststoff hergestellt und mithilfe der Heizabschnitte 306 plastifizierba r. 3 shows a resistance heating element 300 as resistance heating element 104 according to 1 in which insulating sections, such as 302 , using a carrier foil 304 formed and heating sections, like 306 , on the carrier film 304 are arranged. The heating sections 306 are by selective laser melting on the carrier film 304 printed. The heating sections 306 each have a web-like shape and extend parallel to each other and spaced apart in the illustration according to 1 unidirectional vertical. The carrier foil 304 is made of a plastic compatible with a matrix material of fiber-plastic composite components and using the heating sections 306 plastifiable r.

Das Widerstandsheizelement 200, 300 dient zum Plastifizieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen, wie Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile 100, 102 gemäß 1, an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, um die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Die Heizabschnitte 202, 306 sind jeweils einzeln oder gruppenweise gesondert elektrisch beaufschlagbar. Beispielsweise werden die Heizabschnitte 202, 306 sequentiell aufeinanderfolgend elektrisch beaufschlagt, wobei jeweils mehrere Heizabschnitte 202, 306 überschneidend gleichzeitig elektrisch beaufschlagt werden.The resistance heating element 200 . 300 is used for plasticizing fiber-plastic composite components, such as fiber-plastic composite components 100 . 102 according to 1 at a common joint contact surface, to connect the fiber-plastic composite components together materially. The heating sections 202 . 306 each individually or in groups separately electrically acted upon. For example, the heating sections 202 . 306 sequentially applied sequentially electrically, each with a plurality of heating sections 202 . 306 be applied simultaneously overlapping electrically.

4 zeigt einen Temperaturverlauf 400 bei einem kontinuierlichen Widerstandsschweißen mithilfe eines Widerstandsheizelements, wie Widerstandsheizelement 104 gemäß 1, Widerstandsheizelement 200 gemäß 2 oder Widerstandsheizelement 300 gemäß 3, mit Heizabschnitten und Isolierabschnitten. Der Temperaturverlauf 400 ist in einem Diagramm 402 dargestellt, in dem auf eine x-Achse eine Zeit bzw. ein Weg eines Schweißwerkzeugs und auf einer y-Achse eine Temperatur aufgetragen sind. 4 shows a temperature profile 400 in a continuous resistance welding using a resistance heating element, such as resistance heating element 104 according to 1 , Resistance heating element 200 according to 2 or resistance heating element 300 according to 3 , with heating sections and insulating sections. The temperature profile 400 is in a diagram 402 shown in the on a x -Axis a time or a way of a welding tool and on a y -Axis a temperature are plotted.

Durch sequentiell aufeinanderfolgende und überschneidend gleichzeitige elektrische Beaufschlagung mehrerer Heizabschnitte ergibt sich ein breiter Energieeinbringungsbereich 404.By sequentially successive and overlapping simultaneous electrical loading of several heating sections results in a broad energy input range 404 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Faser-Kunststoff-Verbund-BauteilFiber-reinforced plastic component
102102
Faser-Kunststoff-Verbund-BauteilFiber-reinforced plastic component
104104
Widerstandsheizelement resistance
200200
Widerstandsheizelementresistance
202202
Heizabschnittheating section
204204
Isolierabschnittinsulating
206206
Fadensystemthread system
208208
Fadensystem thread system
300300
Widerstandsheizelementresistance
302302
Isolierabschnittinsulating
304304
Trägerfoliesupport film
306306
Heizabschnitt heating section
400400
Temperaturverlauftemperature curve
402402
Diagrammdiagram
404404
EnergieeinbringungsbereichEnergy input range

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011114306 A1 [0002]DE 102011114306 A1 [0002]
  • DE 102012216255 A1 [0003]DE 102012216255 A1 [0003]
  • DE 102018105690 [0004]DE 102018105690 [0004]

Claims (10)

Elektrisches Widerstandsheizelement (104, 200, 300) zum Plastifizieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen (100, 102) an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, um die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile (100, 102) miteinander stoffschlüssig zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsheizelement (104, 200, 300) Heizwiderstände bildende elektrisch leitende Heizabschnitte (202, 306) und zwischen den Heizabschnitten (202, 306) wirkende elektrisch isolierende Isolierabschnitte (204, 302) aufweist.An electrical resistance heating element (104, 200, 300) for plasticizing fiber-plastic composite components (100, 102) at a common joint contact surface in order to materially connect the fiber-plastic composite components (100, 102), characterized in that the resistance heating element (104, 200, 300) has electrically conductive heating sections (202, 306) forming heating resistors and electrically insulating insulating sections (204, 302) acting between the heating sections (202, 306). Widerstandsheizelement (104, 200, 300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizabschnitte (202, 306) einzeln und/oder gruppenweise gesondert elektrisch beaufschlagbar sind.Resistance heating element (104, 200, 300) after Claim 1 , characterized in that the heating sections (202, 306) individually and / or in groups separately electrically acted upon. Widerstandsheizelement (104, 200, 300) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizabschnitte (202, 306) unidirektional orientiert sind.Resistance heating element (104, 200, 300) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the heating sections (202, 306) are oriented unidirectionally. Widerstandsheizelement (104, 200) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsheizelement zumindest abschnittsweise für plastifiziertes Kunststoffmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile (100, 102) durchlässig ist.Resistance heating element (104, 200) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the resistance heating element is at least partially permeable to plasticized plastic material of the fiber-plastic composite components (100, 102). Widerstandsheizelement (104, 200, 300) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierabschnitte (204, 302) plastifizierbar sind.Resistance heating element (104, 200, 300) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the insulating sections (204, 302) are plastifiable. Widerstandsheizelement (104, 200) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsheizelement (104, 200) als Hybridgewebe mit fadenartigen Heizabschnitten (202) und fadenartigen Isolierabschnitten (204) ausgeführt ist.Resistance heating element (104, 200) according to at least one of Claims 1 to 5 , characterized in that the resistance heating element (104, 200) is designed as a hybrid fabric with thread-like heating sections (202) and thread-like insulating sections (204). Widerstandsheizelement (104, 300) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierabschnitte (302) mithilfe einer Trägerfolie (304) gebildet und die Heizabschnitte (306) an der Trägerfolie (304) angeordnet sind.Resistance heating element (104, 300) according to at least one of Claims 1 to 5 , characterized in that the insulating sections (302) are formed by means of a carrier foil (304) and the heating sections (306) are arranged on the carrier foil (304). Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen (100, 102) an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandsheizelement (104, 200, 300) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche zwischen miteinander zu verbindenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen (100, 102) angeordnet wird und die Heizabschnitte (202, 306) elektrisch beaufschlagt werden, um Kunststoffmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile (100, 102) und/oder die Isolierabschnitte zu plastifizieren.A method for integrally joining fiber-plastic composite components (100, 102) on a common joint contact surface, characterized in that a resistance heating element (104, 200, 300) according to at least one of the preceding claims between to be joined together fiber-plastic composite Components (100, 102) are arranged and the heating sections (202, 306) are electrically applied to plasticize plastic material of the fiber-plastic composite components (100, 102) and / or the insulating sections. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizabschnitte (202, 306) einzeln und/oder gruppenweise mit unterschiedlicher elektrische Leistung beaufschlagt werden.Method according to Claim 8 , characterized in that the heating sections (202, 306) individually and / or in groups are subjected to different electrical power. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizabschnitte (202, 306) einzeln und/oder gruppenweise aufeinanderfolgend mit elektrische Leistung beaufschlagt werden.Method according to at least one of Claims 8 to 9 , characterized in that the heating sections (202, 306) individually and / or in groups successively applied with electrical power.
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