DE102019132532A1

DE102019132532A1 - Schweißvorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Bauteilen unter Druckbeaufschlagung und mit der Schweißvorrichtung durchführbares Verfahren

Info

Publication number: DE102019132532A1
Application number: DE102019132532.3A
Authority: DE
Inventors: Lennart Finger; Filipp Köhler
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung (38) und ein Verfahren zum Verschweißen von thermoplastischen Bauteilen (14, 34), wie Rumpfschalen (14), aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff. Die Schweißvorrichtung (38) umfasst eine Schweißeinheit (40) und eine Gegenhaltereinheit (46), zwischen denen die zu verschweißenden Bauteile (14, 34) angeordnet werden. Die Schweißeinheit (40) umfasst ein Schweißgerät (42) und Elektromagnete (44). Die Gegenhaltereinheit (46) umfasst eine Gegendruckausübungseinrichtung (48) und eine Bewegungseinrichtung (50) mit magnetischen oder magnetisierbaren Komponenten (52).Beim Schweißvorgang ziehen die stromdurchflossenen Elektromagnete (44) durch die Bauteilanordnung (35) die magnetischen Komponenten (52) der Gegenhaltereinheit (46) magnetisch an und fixieren die Gegenhaltereinheit (46) an der Bauteilanordnung (35) und der Schweißeinheit (40). Bei Bewegung der Schweißeinheit (40) wird die Gegenhaltereinheit (46) mit ihrer Bewegungseinrichtung (50) simultan mitbewegt. Dabei übt die Gegendruckausübungseinrichtung (48) der Gegenhaltereinheit (46) den Druck auf die Bauteilanordnung (35) aus.Wegen der magnetischen Fixierung kann die Gegenhaltereinheit (46) bei der Luftfahrzeugrumpfherstellung platzsparend ohne Roboter auf der Innenseite (78) des Luftfahrzeugrumpfes (12) angeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Bauteilen unter gleichzeitiger Druckbeaufschlagung und Konsolidierung der Schweißnaht. Sie ermöglicht insbesondere die Verbindung von Rumpfschalen zu Rumpfsektionen und von Rumpfsektionen zu einem Luftfahrzeugrumpf unter Ausbildung von geschweißten Längsnähten und Quernähten. Sie betrifft ferner ein Schweißverfahren unter Anwendung der Schweißvorrichtung sowie die mit diesem Verfahren erhältlichen verschweißten Bauteilanordnungen und Luftfahrzeuge.
Luftfahrzeugrumpfschalen wurden über einen langen Zeitraum ausschließlich auf der Basis von Leichtmetallen, wie insbesondere hochfesten Aluminiumlegierungen, hergestellt. Zur weiteren Gewichtseinsparung werden Rumpfschalen mittlerweile mindestens teilweise aus duroplastischem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Die Verbindung von Schalen aus Leichtmetall wie aus duroplastischem Faserverbundwerkstoff erfolgt durch Vernieten. Hierfür müssen tausende Bohrungen in den Verbindungszonen mit hoher Genauigkeit erzeugt werden.
Mit der Entwicklung von thermoplastischen Hochleistungskunststoffen besteht neuerdings die Möglichkeit, Rumpfschalen aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, wie aus Polyetherketonketon mit eingebetteten Kohlenstofffasern, herzustellen. Thermoplaste weisen neben dem geringen spezifischen Gewicht weiterhin den Vorteil auf dass sie oberhalb ihrer Schmelztemperatur Ts als Schmelze verarbeitet werden können und dass der Phasenübergang zwischen stabilem Festkörper und verarbeitbarer Schmelze beliebig oft wiederholt werden kann. Aufgrund dieser Reversibilität ist es insbesondere möglich, thermoplastische Bauteile durch Schweißen miteinander zu verbinden. Der aufwändige Nietvorgang fällt weg.
Zum Verbinden thermoplastischen Bauteilen kann ein Industrieroboter verwendet werden, dessen Endeffektor aus einer Schweißvorrichtung besteht. Wenn es sich bei den zu verbindenden Bauteilen um thermoplastische Rumpfschalen handelt, kann der Industrieroboter wegen des vorhandenen Platzes auf der Außenseite der vorjustierten Rumpfschalen angeordnet werden und auf der Außenseite entlang der Nahtlinie oder Nahtzone bewegt werden.
Beim Verbinden von thermoplastischen Bauteilen für den Luftfahrzeugbau durch Schweißen muss aber berücksichtigt werden, dass für die Konsolidierung der gefügten Bauteile der Schweißvorgang unter Einwirkung von Druck erfolgen muss. Der Druck verbessert weiterhin den Stoffschluss zwischen den geschmolzenen Oberflächen der erhitzten Bauteile. Er sorgt vor allem für die Entstehung von geschweißten Bauteilen ohne Gaseinschlüsse.
Beim Aufbau von Druck auf zu fügende Bauteile, insbesondere zu fügende flächige Bauteile, muss immer auch ein entsprechender Gegendruck vorhanden sein. Die Erzeugung des Gegendrucks ist beispielsweise beim Fügen von zwei Rumpfschalen problematisch, weil hier der Gegenhalter für die Erzeugung des Gegendrucks fehlt bzw. innerhalb der Rumpfschale Platz finden muss.
Der Gegendruck könnte mit Hilfe eines zweiten Roboters erzeugt werden. Ein zweiter Roboter ist aber kostspielig und müsste mit dem ersten Roboter synchronisiert werden. Außerdem benötigt er viel Platz. Beim Zusammenbau eines Luftfahrzeugrumpfes ist aber der Platz im Inneren des Rumpfes begrenzt. Außerdem gibt es im Inneren eines in Zusammenbau befindlichen Luftfahrzeugrumpfes viele Hindernisse. Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, dass während des Zusammenbaus des Luftfahrzeugrumpfes nur begrenzte Lasten auf den Luftfahrzeugrumpf selbst und auf installierte Komponenten, wie die Bodenkonstruktion, einwirken dürfen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schweißvorrichtung und ein verbessertes Schweißverfahren zum Verbinden von thermoplastischen Bauteilen für den Luftfahrzeugbau anzugeben.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von in einer Bauteilanordnung zueinander angeordneten flächigen thermoplastischen Bauteilen entlang einer der gewünschten Schweißnaht entsprechenden Kontaktzone unter Beaufschlagung der Schweißzone mit einem Überdruck, die umfasst:

- eine Schweißeinheit, die ein Schweißgerät und einen oder mehrere damit verbundene Elektromagnete umfasst, die dafür geeignet ist, unter Bewegung über die Kontaktzone die flächigen thermoplastischen Bauteile unter Bildung der gewünschten Schweißnaht miteinander zu verschweißen; und
- eine Gegenhaltereinheit umfassend eine Gegendruckausübungseinrichtung und eine Bewegungseinrichtung, wobei mindestens eine der beiden Einrichtungen eine oder mehrere magnetische oder magnetisierbare Komponenten aufweist, die dafür vorgesehen sind, von stromdurchflossenen Elektromagneten magnetisch angezogen zu werden und die Gegenhaltereinheit magnetisch an der Schweißeinheit zu fixieren, wobei die Gegendruckausübungseinrichtung dafür ausgebildet ist, im magnetisch fixierten Zustand mit der Schweißeinheit zusammenwirkend einen Druck auf die zu verschweißenden thermoplastischen Bauteile mindestens im Bereich der Schweißzone auszuüben und wobei die Bewegungseinrichtung dafür ausgebildet ist, im magnetisch fixierten Zustand die Gegenhaltereinheit einer Bewegung der Schweißeinheit folgend zu bewegen.

Es ist bevorzugt, dass das Schweißgerät aus einer Gruppe ausgewählt, die Ultraschallschweißgeräte, Laserschweißgeräte, Infrarotschweißgeräte und Induktionsschweißgeräte umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Gegendruckausübungseinrichtung ausgewählt ist unter:

- einer Gegendruckausübungseinrichtung in Form eines Verschiebekörpers mit einem ebenen Oberflächenbereich, der dafür geeignet ist, im Kontakt mit den thermoplastischen Bauteilen Druck auf die thermoplastischen Bauteile auszuüben und bei Bewegung der Bewegungseinrichtung über die flächigen thermoplastischen Bauteile auf den flächigen thermoplastischen Bauteilen gleitend verschoben zu werden, und
- einer Gegendruckausübungseinrichtung in Form eines Rotationskörpers beispielsweise mit der Form eines Zylinders, eines Zylinders mit nach außen gewölbter Mantelfläche, eines Ellipsoids oder einer Kugel, der dafür geeignet ist, im Kontakt mit den thermoplastischen Bauteilen Druck auf die thermoplastischen Bauteile auszuüben und bei Bewegung der Bewegungseinrichtung über die flächigen thermoplastischen Bauteile auf den flächigen thermoplastischen Bauteile rotierend bewegt zu werden;

Es ist bevorzugt, dass die Bewegungseinrichtung ein oder mehrere Bewegungsmittel umfasst, die insbesondere unter Rollen, Laufrollen, Walzen, Zylindern, Räder, Kugeln ausgewählt sind, die gegebenenfalls in einem Käfig angeordnet sind, wobei mindestens eines von den Bewegungsmitteln und den Käfigen eine magnetische oder magnetisierbare Komponente sein kann, wobei die Bewegungseinheit weiterhin gegebenenfalls ein Stabilisierungssystem und/oder ein Differential aufweist
Es ist bevorzugt, dass die magnetischen und/oder magnetisierbaren Komponenten mindestens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie Eisen, gebildet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Schweißeinheit ein Endeffektor ist, der an einem beweglichen Roboter beweglich montiert ist, und/oder dass die Schweißeinheit eine Konsolidierungseinheit umfasst, die gegebenenfalls einen zusätzlichen Druck auf die zu verschweißenden flächigen thermoplastischen Bauteile ausübt und/oder gegebenenfalls die Schweißzone nach dem Schweißen erwärmt und/oder kühlt.
Es ist bevorzugt, dass die Gegenhaltereinheit ein oder mehrere elektrische oder elektronische Einheiten aufweist, die unter Kraftsensoren, magnetischen Sensoren und aktiven Drucksteuereinheiten ausgewählt sind.
Es ist bevorzugt, dass die Gegenhaltereinheit ein Halteelement, wie ein Seil oder eine Kette, aufweist, das dafür geeignet ist, die Gegenhaltereinheit bei Unterbrechung der Stromversorgung des oder der Elektromagnete zu halten.
Es ist bevorzugt, dass die Gegenhaltereinheit ein Gegenhaltereinheit-Wagen ist, der eine rollfähige Bewegungseinrichtung (50), eine Gegendruckausübungseinheit (48) mit einer Tragestruktur und/oder Aufhängungsstruktur zum Tragen und/oder Aufhängen der Gegendruckausübungseinheit (48) umfasst.
Nach einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Schweißverfahren zum Verschweißen von zwei flächigen thermoplastischen Bauteilen unter Erhalt einer Schweißnaht, das umfasst:

a) Kontaktieren eines ersten flächigen thermoplastischen Bauteils mit einem zweiten flächigen thermoplastischen Bauteils unter Erhalt einer Bauteilanordnung mit einer Kontaktzone, in der die flächigen thermoplastischen Bauteile der gewünschten Schweißnaht entsprechend miteinander verschweißbar angeordnet sind;
b) Anordnen einer Schweißeinheit, die insbesondere wie weiter oben definiert ist, so auf einer Seite der Bauteilanordnung, dass das Schweißgerät der Schweißeinheit die beiden flächigen thermoplastischen Bauteile in der Kontaktzone miteinander zu verschweißen vermag;
c) Anordnen einer Gegenhaltereinheit, die insbesondere wie weiter oben definiert ist, so auf einer gegenüberliegenden Seite der Bauteilanordnung, dass magnetische oder magnetisierbare Komponenten der Gegenhaltereinheit beim Einschalten des oder der Elektromagnete der Schweißeinheit unter magnetischer Fixierung der Gegenhaltereinheit an der Schweißeinheit von dem oder den Elektromagneten magnetisch angezogen werden können;
d) Einschalten der Stromversorgung der Elektromagnete, um die Gegenhaltereinheit magnetisch an der Schweißeinheit zu fixieren und Druck auf den zu verschweißenden Bereich der Kontaktzone der zwischen der Gegenhaltereinheit und der Schweißeinheit angeordneten Bauteilanordnung auszuüben;
e) Bewegen der Schweißeinheit über die unter Druck stehende Kontaktzone unter Verschweißen der flächigen thermoplastischen Bauteile der Bauteilanordnung und Ausbildung einer Schweißnaht.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a1) Auswählen der flächigen thermoplastischen Bauteile unter Bauteilen aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, der eine Matrix aus thermoplastischem Polymer, vorzugsweise thermoplastischem Hochleistungskunststoff, besonders bevorzugt einem Polyaryletherketon, wie Polyetherketonketon (PEKK), und darin eingebettete Verstärkungsfasern, die insbesondere unter Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern ausgewählt sind, aufweist.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a2) Kontaktieren einer ersten Rumpfschale aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff mit einer zweiten Rumpfschale aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff unter Erhalt einer Rumpfschalenanordnung;

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a3) Kontaktieren einer ersten Rumpfschale aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff mit einer zweiten Rumpfschale aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff in einer Rumpfschalenanordnung, die nach dem Verschweißen eine Längsnaht oder eine Quernaht, jeweils bezogen auf die Luftfahrzeughauptachse, ergibt.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a4) Kontaktieren von flächigen thermoplastischen Bauteilen, die unter plattenförmigen Bauteile, ebenen Bauteile, gekrümmten Bauteile, Schalen, Rumpfschalen, Bauteilen mit einer oder mehreren Aussparungen für Fenster und/oder Türen, Bodenelementen ausgewählt sind

Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:

b1) Anordnen der Schweißeinheit auf der Außenseite einer Bauteilanordnung umfassend eine erste thermoplastische Rumpfschale und eine zweite thermoplastische Rumpfschale.

Es ist bevorzugt, dass Schritt c) umfasst:

c1) Anordnen der Gegenhaltereinheit auf der Innenseite einer Bauteilanordnung umfassend eine erste thermoplastische Rumpfschale und eine zweite thermoplastische Rumpfschale.

Es ist bevorzugt, dass Schritt c) umfasst:

c2) Anordnen der Gegenhaltereinheit so, dass eine Sandwichstruktur aus Schweißeinheit, Bauteilanordnung und Gegenhaltereinheit erhalten wird, die für die magnetische Fixierung der Gegenhaltereinheit an der Schweißeinheit und die Ausübung von Druck auf die Schweißzone der Bauteilanordnung geeignet ist.

Es ist bevorzugt, dass Schritt c) umfasst:

c3) Anordnen einer Gegenhaltereinheit, die ein Halteelement, wie ein Seil oder eine Kette, aufweist, das die Gegenhaltereinheit bei Unterbrechung der Stromversorgung des oder der Elektromagnete hält.

Es ist bevorzugt, dass Schritt e) umfasst: dadurch gekennzeichnet, dass Schritt e) umfasst:

e1) Automatisches Bewegen der Schweißeinheit mit Hilfe eines Roboters, der die Schweißeinheit als Endeffektor umfasst.

Es ist bevorzugt, dass Schritt e) umfasst:

e2) Manuelles Bewegen der Schweißeinheit durch eine Bedienperson.

Es ist bevorzugt, dass Schritt e) umfasst:

e3) Variieren der Stromstärke in dem oder den Elektromagneten unter Erhalt eines definierten Magnetfeldes, wobei die Stromstärkenvariation in Abhängigkeit von Stufenstrukturen, Oberflächenunebenheiten, Rampen und dickerer Bereiche in der Schweißzone oder der Bauteilanordnung erfolgt, die vor Durchführung des Verfahrens ermittelt wurden oder während der Bewegung der Schweißeinheit durch einen stromaufwärts des Schweißgeräts angeordneten Sensors ermittelt werden.

Es ist bevorzugt, dass Schritt e) umfasst:

e4) Variieren der Stromstärke in dem oder den Elektromagneten so, dass bei ansteigenden Bereichen oder unebenen Oberflächen ein konstanter Druck der Gegenhaltereinheit auf die Bauteilanordnung (35) erhalten wird.

Nach einem dritten Aspekt schafft die Erfindung eine Bauteilanordnung (35), die mindestens zwei entlang einer Schweißnaht miteinander verschweißte thermoplastische Bauteile, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet sind, die unter Verwendung einer wie weiter oben beschriebenen Vorrichtung oder durch ein wie weiter oben beschriebenes Verfahren erhältlich ist.
Nach einem vierten Aspekt schafft die Erfindung ein Luftfahrzeug, das mindestens eine wie weiter oben beschriebene Bauteilanordnung umfasst.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugs;
2 eine perspektivische Ansicht einer Rumpfsektion des Luftfahrzeugs;
3 eine schematische Darstellung des zu verschweißenden geschäfteten Randbereichs eines Bauteils;
4. alternative Anordnung geschäfteter Bauteilränder vor dem Schweißen
5. eine erste Schweißvorrichtung in einer Querschnittsdarstellung;
6 eine zweite Schweißvorrichtung in einer Querschnittsdarstellung;
7 die Erzeugung einer Längsnaht bei einer Bauteilanordnung mit außenliegenden geschäfteten Oberflächen;
8 die Erzeugung einer Längsnaht bei einer Bauteilanordnung mit glatten äußeren Oberflächen;
9 den Mechanismus der Anpressdruckerzeugung bei Verwendung eines Rotationskörpers als Gegendruckausübungseinrichtung

1 zeigt eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugs 10. Der Rumpf 12 des Luftfahrzeugs 10 ist aus einer Vielzahl von Rumpfschalen 14 aufgebaut, bei denen es sich um erfindungsgemäß verschweißte thermoplastische Bauteile 34 handelt. Mehrere Rumpfschalen 14 bilden Rumpfsektionen 16. Mehrere Rumpfsektionen 16 werden zum Flugzeugrumpf 12 zusammengebaut. Die thermoplastischen Bauteile, wie Rumpfschalen 14, bestehen mindestens teilweise aus einen thermoplastischen Faserverbundwerkstoff, beispielsweise aus Polyetherketonketon mit darin eingebetteten verstärkenden Kohlenstofffasern. Die durch gepunktete Linien hervorgehobene Rumpfschale 14 wurde mit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren durch Schweißen entlang von Kontaktzonen zwischen benachbarten Rumpfschalen 14 in den Luftfahrzeugrumpf 12 eingefügt. Beim Schweißen entstehen Längsnähte 26 parallel zur Hauptachse des Luftfahrzeugs 10 und Quernähte 28 senkrecht dazu. Die Quernähte 28 sind in Umfangsrichtung des Rumpfes angeordnet.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von zwei miteinander verschweißten thermoplastischen Rumpfschalen 14. Jede thermoplastische Rumpfschale 14 umfasst verschweißte thermoplastische Außenhaut 18 aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, Spanten 20, Stringer 22 und Fensteraussparungen 24. Die beiden Rumpfschalen 14 sind in axialer Richtung (Luftfahrzeugrumpf-Koordinatensystem) entlang der Längsnaht 26 miteinander verschweißt. Beide Rumpfschalen 14 weisen senkrecht dazu entlang des Umfangs einen Querrand 30 als Vorläufer einer Quernaht 28 auf, die durch Positionieren einer weiteren Rumpfsektion 16 an der abgebildeten Rumpfsektion 16 und erfindungsgemäßes Verschweißen erzeugt wird.
Thermoplastische Bauteile 34, wie thermoplastische Rumpfschalen 14, aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff können mit Legerobotern auf Formwerkzeugoberflächen durch Ablegen von erhitzten Streifen aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. Anschließend kann der Randbereich den Füge- und Schweißvorgang vorbereitend durch Schäften mit einer Stufenstruktur 32 versehen werden. Eine beispielhafte Stufenstruktur 32 mit drei Stufen ist in 3 dargestellt. Der Randbereich kann auch schräge Kanten oder Rampen anstelle von Stufen aufweisen.
Die zu verschweißende Bauteile 14, 34 werden üblicherweise im Überlappstoß zueinander angeordnet. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten, die in 4 dargestellt werden.
In einer ersten Bauteilanordnung (links) bilden die nicht geschäfteten Oberflächen der Bauteile die Kontaktzone zwischen den Bauteilen 14, 34. Die Stufenstrukturen 32 sind auf der Außenseite der Bauteilanordnung angeordnet. Es wird eine großflächige Überlappung erreicht. Gleichzeitig wird eine stufige Außenoberfläche im Kontaktbereich erhalten, was nach dem Verschweißen zu Unebenheiten führen kann.
In einer zweiten Bauteilanordnung (rechts) befindet sich die Stufenstruktur 32 beider Bauteile 14, 34 auf der gleichen Seite. Es entsteht eine größere stufige Aussparung, die vor dem Schweißvorgang mit n Ausgleichsstreifen aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff ausgefüllt wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass nach dem Verschweißen eine besonders glatte Oberfläche der gefügten Bauteile 14, 34 erhalten wird.
Beide in 4 skizzierte Bauteilanordnungen können mit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren verschweißt werden.
5 enthält die Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 38 zum Verschweißen von zwei in einer Bauteilanordnung 35 angeordneten flächigen thermoplastischen Bauteilen 14, 34.
Sie umfasst eine Schweißeinheit 40 und eine Gegenhaltereinheit 46 und ist dafür vorgesehen, die zwischen diesen beiden Einheiten 40, 46 einander kontaktierend angeordneten flächigen Bauteile 34, wie thermoplastischen Rumpfschalen 14, zu verschweißen.
Die Schweißeinheit 40 umfasst ein Schweißgerät 42, 47, Elektromagnete 44 und gegebenenfalls eine Konsolidierungseinheit 66. Die Schweißeinheit 40 bildet beispielsweise den Endeffektor eines Industrieroboters. Das Schweißgerät 42 kann eine Ultraschall-Sonotrode 47 sein.
Zu der Gegenhaltereinheit 46 gehören eine Gegendruckausübungseinrichtung 48 und eine Bewegungseinrichtung 50.
Die Bewegungseinrichtung 50 umfasst Bewegungsmittel 51 oder besteht aus Bewegungsmitteln 51, bei denen es sich beispielsweise um Rollen 53 handeln kann, die an der Gegendruckausübungseinrichtung 48 befestigt sind und mit dieser einen Gegenhalter-Wagen bilden. Die Bewegungsmittel 51 stellen in diesem Ausführungsbeispiel die magnetischen oder magnetisierbaren Komponenten 52 dar. Alternativ kann die Gegendruckausübungseinrichtung 48 selbst magnetische oder magnetisierbare Komponenten aufweisen.
Die Gegendruckausübungseinrichtung 48 ist beispielsweise ein Hohlkörper 60, der von einer unter Überdruck stehenden Hohlkammer 62, einem druckfesten Behälter 64 und einem ebenen Oberflächenbereich 56 im Kontakt mit der Oberfläche der flächigen thermoplastischen Bauteile 34 gebildet wird. Der ebene Oberflächenbereich 56 kann in Form einer flexiblen Membran 68 vorliegen, die eine großflächige Übertragung des in der Hohlkammer 62 herrschenden Überdrucks auf die flächigen thermoplastischen Bauteile 34 ermöglicht. Eine derartige flexible Membran 68 schmiegt sich optimal an die Oberfläche der Bauteilanordnung 35 an.
Ein Roboter kann die Schweißeinheit 40 auf der Außenseite 76 der Bauteilanordnung 35 anordnen. Anschließend kann ein Arbeiter die Gegenhaltereinheit 46 auf der Innenseite 78 der beiden Rumpfschalen 14 positionieren. Dabei werden die magnetischen Komponenten 52 der Gegenhaltereinheit 46 mit minimalem Abstand zu den Elektromagneten 44 der Schweißeinheit 40 angeordnet.
Anschließend werden die Elektromagnete 44 eingeschaltet. Sie ziehen die magnetischen Komponenten 52 der Gegenhaltereinheit 46 mit einer stromabhängigen magnetischen Kraft EMF an. Der Arbeiter kann dann die magnetisch an der thermoplastischen Bauteilanordnung 35 und der Schweißeinheit 40 fixierte Gegenhaltereinheit 46 loslassen.
Der Roboter kann die Schweißeinheit 40 über die Kontaktzone zur Bildung einer Längsnaht 26 oder einer Quernaht 28 bewegen. Die magnetischen oder magnetisierbaren Komponenten 52 in Form von Rollen 53 und damit die gesamte Gegenhaltereinheit 46 folgen durch magnetische Anziehungskraft dieser Bewegung. Gleichzeitig wird die Gegendruckausübungseinrichtung 48, 60, hier in Form eines Hohlkörpers 60 mit ebenen Oberflächenbereich 56 in Form einer flexible Membran 68, auf der Oberfläche der thermoplastischen Bauteile 34 verschoben. Dabei übt die flexible Membran 68 im Zusammenwirken mit der Schweißeinheit 40 den gewünschten Druck auf die Oberfläche der Bauteilanordnung 35 aus. Es kommt zur Verschweißung der thermoplastischen Bauteile 34 unter Bildung einer Längsnaht 26 oder Quernaht 28. Der auf die Polymerschmelze ausgeübte Druck sorgt für die Konsolidierung im Bereich der Schweißnaht.
Beim Verschweißen von zwei Rumpfschalen befindet sich auf der Innenseite ein einfacher Wagen mit einer Druckkammer und einer Membran zum Ausüben von Druck. Der Gegenhalter ist durch Rollen oder Räder beweglich (mit einem Stabilisierungssystem und Differential. Die Rollen oder Räder sind vollständig ferromagnetisch. Auf der Außenseite bewegt sich ein kontinuierlich arbeitender Ultraschall-Schweißroboter mit starken Elektromagneten, die dazu dienen die Gegenhaltereinheit auf der Innenseite des Rumpfes zu steuern und die Gegenkraft für die Druckkammer zu erzeugen.
Der Druck auf der Innenseite ist sehr homogen. Die Kammer kann eine beliebige Größe aufweisen. Die Reibung zwischen der Membran und der Bauteiloberfläche kann durch Verwendung einer Membran aus einem Material, wie einem Polymer mit guten Gleiteigenschaften, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyoxymethylen (POM), gering gehalten werden.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Schweißvorrichtung (38), die sich von der in 5 dargestellten Ausführungsform durch die Gestaltung der Gegenhaltreinheit 46 unterscheidet. Die Schweißeinheit 40 ist identisch mit der Schweißeinheit gemäß 5, so dass insofern auf die Beschreibung von 5 verwiesen wird.
Bei der Ausführungsform gemäß 6 umfasst die Bewegungseinrichtung 50 Bewegungsmittel 51, wie Rollen 53, die die magnetischen oder magnetisierbaren Komponenten 52 bilden, und ein Rahmenelement 65, an dem die Rollen 53 montiert sind. Weiterhin ist mittig in dem Rahmelement 65 ein Rotationskörper 58 montiert, der für eine Rotationsbewegung in Richtung der Bewegung der Schweißeinheit 40 geeignet ist.
Wenn die Schweißeinheit 40 von einem Roboter entlang der Kontaktzone zwischen den flächigen thermoplastischen Bauteilen 34, wie zwei Rumpfschalen 14, bewegt wird, folgt die Gegenhaltereinheit 46 durch magnetische Anziehung zwischen den Elektromagneten 44 und den magnetischen Rollen 53 dieser Bewegung. Der Rotationskörper 58 der Gegenhaltereinheit 46 folgt dieser Bewegung ebenfalls rotierend. Gleichzeitig wird er durch die magnetische Anziehung zwischen den Elektromagneten 44 und den magnetischen Rollen 53 ebenfalls an die Oberfläche der Bauteilanordnung 35 angepresst. Der Rotationskörper 58 kann ein flexibler Schlauch 74 oder Hohlzylinder beispielsweise aus einem flexiblen Polymer sein, der zusätzlich durch Druckluft mit einem Überdruck beaufschlagt werden kann. Er verformt sich unter dem Anpressdruck und bildet dadurch eine vergrößerte Kontaktfläche mit der Bauteilanordnung 35. Der Schlauch 74 oder Zylinder kann auch massiv sein und besteht dann vorzugsweise aus einem elastischen und somit komprimierbaren Material. Er kann aber auch aus einem unflexiblen, nicht komprimierbaren Material gebildet sein.
Beim Verschweißen von zwei Rumpfschalen 14 befindet sich auf der Innenseite 78 beispielsweise ein einfacher Wagen mit einem rotierenden Luftschlauch 74 (ähnlich einem Fahrradreifen) zum Ausüben von Druck. Die Gegenhaltereinheit 46 ist durch Rollen 53 oder Räder 53 beweglich (mit einem Stabilisierungssystem und Differential. Die Rollen 53 oder Räder 53 sind vollständig ferromagnetisch. Auf der Außenseite 76 bewegt sich ein kontinuierlich arbeitender Ultraschall-Schweißroboter mit starken Elektromagneten 44, die dazu dienen die Gegenhaltereinheit 46 auf der Innenseite 78 des Rumpfes zu steuern und die Gegenkraft für den Luftschlauch 74 zu erzeugen.
Bei dieser Ausführungsform ist die Reibung zwischen der Rolle und der Bauteilanordnung 35 besonders gering, da alle Teile der Gegenhaltereinheit 46 rotieren.
7 und 8 zeigen die Verwendung der Schweißvorrichtung 38 gemäß 5 und der Schweißvorrichtung 38 gemäß 6 bei einer Rumpfsektion 16 aus einer oberen thermoplastischen Rumpfschale 14 (Halbschale) und einer unteren thermoplastischen Rumpfschale (Halbschale) 14. Die dargestellte Rumpfsektion 16 umfasst weiterhin Spanten 20 und Stringer 22 und eine Bodenkonstruktion 23, die allesamt nicht wesentlich für die Erfindung sind.
Bei der Rumpfsektion 16 gemäß 7 bilden die nicht geschäfteten Oberflächen der Bauteile 14, 34 die Kontaktzone zwischen den Bauteilen 14, 34. Die Stufenstrukturen 32 weisen nach außen, so dass eine Bauteilanordnung 35 mit einer unebenen Außenoberfläche erhalten wird.
Bei der Rumpfsektion 16 gemäß 8 sind die Stufenstrukturen 32 beider Rumpfschalen 16 auf der gleichen Seite angeordnet. Die gestufte Aussparung wird mit n Ausgleichsstreifen 36 aufgefüllt, so dass eine sehr glatte Außenoberfläche der Bauteilanordnung 35 erreicht wird.
Beide Bauteilanordnungen 35 können mit der Schweißvorrichtung 38 gemäß 5 und mit der Schweißvorrichtung 38 gemäß 6 unter Erhalt von Längsnähten 26 verschweißt werden. Die erhaltenen Rumpfsektionen 16 können dann aneinandergesetzt werden und entlang des Querrandes 30 unter Erhalt von Quernähten 28 verschweißt werden.
Bei der Schweißvorrichtung 38 gemäß 5 ist die flexible Membran 68 imstande, sich sowohl an die Stufenstruktur 32 der Bauteilanordnung 35 (7) als auch die mit Ausgleichsstreifen 36 erzielte glatte Oberfläche der Bauteilanordnung 35 ( 8) anzuschmiegen.
Bei der Schweißvorrichtung 38 gemäß 6 kann im Fall der Bauteilanordnung mit äußerer Stufenstruktur 32 (7) eine Gegendruckausübungseinheit 48 aus drei flexiblen Schläuche 74 verwendet werden, deren Breite an die Breite der Stufen angepasst ist. Im Fall der Bauteilanordnung mit glatter Oberfläche (8) kann eine Gegendruckausübungseinheit 48 aus einem einzigen breiteren flexiblen Schlauch 74 verwendet werden.
Bei 7 wie 8 wird die rechte Längsnaht 26 der Rumpfsektion 16 von einer Aussparung 24 für die Tür unterbrochen. Trotz dieser Unterbrechung können die erfindungsgemäßen Schweißvorrichtungen 38 für die Herstellung der Schweißnaht in Längsrichtung verwendet werden. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ist in diesem Fall besonders vorteilhaft, weil die beiden Einheiten der Schweißvorrichtung 38 schnell montiert und demontiert werden können.
9 skizziert einen Mechanismus der Anpressdruckerzeugung bei Verwendung eines Rotationskörpers 58 als Gegendruckausübungseinrichtung 48 in einer Gegenhaltereinheit 46.
Der Rotationskörper 58 besteht hier aus einem flexiblen Schlauch 74. Der Schlauch 74 kann aus einem elastischen, flexiblen und daher komprimierbaren Volumenmaterial bestehen, also massiv sein. Er kann aber auch ein elastischer, flexibler hohler Schlauch 74 sein, der mit einem vorzugsweise unter Überdruck stehenden Gas gefüllt ist. In dieser Ausführungsform kann er beispielsweise mit einem aufgeblasenen Fahrradreifen verglichen werden.
Die Gegenhaltereinheit 46 umfasst weiterhin eine Bewegungseinrichtung 50 aus Bewegungsmitteln 51, hier Rollen 53, und einem Rahmenelement 65, die zusammen einen beweglichen Gegenhalter-Wagen bilden, an/in dem der Rotationskörper 58, 74 drehfähig montiert ist. Die Rollen 53 bilden gleichzeitig die magnetischen Komponenten 52, die vom Magnetfeld der eigenschalteten Elektromagnete 44 der Schweißeinheit 40 angezogen werden und die hier aus einem ferromagnetischen Material bestehen.
Die obere Abbildung zeigt die Situation vor dem Einschalten der Elektromagnete 44 (I = 0) der Schweißeinheit 40 (nicht dargestellt), in der die Gegenhaltereinheit 46 von einer Bedienperson an der Bauteilanordnung 35 unter Berücksichtigung der Lage der Schweißeinheit (40) positioniert und gehalten wird.
Die untere Abbildung zeigt die Situation nach dem Einschalten der Elektromagnete 44 (I ≠ 0). Die stromdurchflossenen Elektromagnete 44 (nicht dargestellt) erzeugen ein starkes Magnetfeld, das die magnetischen Komponenten 52 hier in Form von Rollen 53 fest an die Oberfläche der Bauteilanordnung 35 anzieht. Hierdurch wird auch der Rotationskörper 58 beispielsweise in Form eines flexiblen hohlen Schlauches 74 angezogen und im Kontakt mit der Oberfläche der Bauteilanordnung 35 deformiert. Es entsteht eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen Schlauch 74 und Bauteilanordnung 35, die für eine Beaufschlagung der gesamten Schweißzone mit einem Überdruck sorgt.
Wenn die Schweißeinheit beispielsweise nach rechts bewegt wird, folgen der Gegenhalter-Wagen und insbesondere der flexible Schlauch 74 aufgrund der einwirkenden Magnetkraft dieser Bewegung. Die Schweißzone und die Zone mit dem Anpressdruck wandern simultan entlang der Kontaktzone weiter und führen zur Ausbildung einer konsolidierten Schweißnaht, beispielsweise einer Längsnaht 26 oder einer Quernaht 28.
Weitere Informationen zur Erfindung werden im Folgenden zusammengefasst:

Das Verbinden von thermoplastischen Schalen mit Längsnähten und Quernähten stellt eine seit vielen Jahren bestehende Herausforderung in der Forschungs- und Entwicklungsarbeit dar. In dem Projekt „Flugzeugrümpfe von morgen“ („Fuselage of Tomorrow“ FoT) sind zahlreiche Ideen entwickelt worden, um diese Art von Nähten zu konzipieren. Eine billige und zuverlässige technische Anwendungsidee, insbesondere für die erforderliche Anwendung von Druck, muss jedoch weiterhin entwickelt gefunden werden. Bei einer Entwicklung auf einem anderen Gebiet wurde die Idee entwickelt, Druck unter Verwendung von Magneten auszuüben. Es wurde schnell ein Verfahren für die Verwirklichung dieser Idee bei der Herstellung von Längsnähten und Quernähten unter Anwendung verschiedener Typen von Schweißverfahren entwickelt.

Die Entwicklung und technische Umsetzung dieser Längsnähte und Quernähte stellt einen wesentlichen Aspekt bei der Konzipierung eines vollständig thermoplastischen Flugzeugrumpfes dar. Bei der Arbeit an einem FoT („Flugzeugrumpf von morgen“) müssen sich die Fachleute unbedingt mit diesen Herausforderungen befassen.
Bereit existierende Gestaltungen von Längsnähten und Quernähten werden für die Veranschaulichung der Erfindung verwendet.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Schweißens von thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Im Rahmen des FoT-Projekts werden Gestaltungen und technische Lösungen für das Verbinden von thermoplastischen Luftfahrzeug-Rumpfschalen entwickelt. Die vorliegende Erfindung stellt eine Möglichkeit dar, wie man Druck ausüben kann und derzeitige Gestaltungen für die Längsnähte und Quernähte dieser Schalen schweißen kann. Die allgemeine Idee kann auch auf andere Typen von Nahtgestaltungen oder Schweißverbindungen/Bonds im Allgemeinen übertragen werden.
Bei der derzeitigen Gestaltung eines zukünftigen thermoplastischen Flugzeugrumpfes weist die größte Schale eine Länge von 20 m bis 30 m auf. Das bedeutet, dass über diese gesamte Länge geschweißt werden muss, um eine brauchbare Verbindung dieser Schalen zu erreichen. Für eine Schweißverbindung müssen sowohl Hitze als auch Druck in der Verbindungszone einwirken. Die Hitze kann unter Verwendung von einer der verschiedenen Schweißtechniken zugeführt werden, die für einen kontinuierlichen Prozess geeignet sind: Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Infrarotschweißen, Induktionsschweißen. Die Endeffektoren für diese Heiztypen können allesamt an einem Roboter montiert werden und können die Hitze von außerhalb des Luftfahrzeugrumpfes der Verbindungszone zuführen.
Für die Druckanwendung gibt es jedoch das Erfordernis einer entgegenwirkenden Kraft auf der Innenseite des Luftfahrzeugrumpfes, was zu zahlreichen Problemen und Herausforderungen führt: Ein zweiter Roboter muss mit dem ersten Roboter synchronisiert werden, was kostspielig ist; es gibt nicht viel Platz in eine Luftfahrzeugrumpf, es gibt viele Hindernisse innerhalb eines Luftfahrzeugrumpfes usw. Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, dass während des Zusammenbaus des Luftfahrzeugrumpfes nur begrenzte Lasten auf den Luftfahrzeugrumpf selbst und auf installierte Komponenten, wie die Bodenkonstruktion, einwirken dürfen. Das hat zur Folge, dass alle Lasten außerhalb der Luftfahrzeugrahmenstruktur in die Montagegestelle hinein transportiert werden müssen, was eine große Herausforderung darstellen kann, insbesondere im Fall von langen Luftfahrzeugrumpfschalen.
Demzufolge gibt es weiterhin nicht viele Ideen für die Anwendung des Gegendrucks auf der Innenseite des Luftfahrzeugrumpfes auf zuverlässige und billige Weise.
Die Erfindung führt eine Idee ein, wie man von der Innenseite eines Luftfahrzeugrumpfes her unter nur geringen Anforderungen an die Einrichtung auf der Innenseite Druck auf eine Schweißzone oder Schweißnaht ausüben kann.
Die Grundidee besteht darin, Elektromagnete zusammen mit dem Schweiß-Endeffektor auf dem Roboter auf der Außenseite des Luftfahrzeugrumpfes zu montieren. Diese Elektromagnete stellen ein definiertes und kontrollierbares Magnetfeld durch die Rumpfschalen-Fügezone oder -Schweißzone bereit. Es ist nicht erforderlich, dass sich die Elektromagnete in einem physischen Kontakt mit der Rumpfstruktur befinden. In dieser Anordnung wird mit Hilfe des Magnetfelds eine Kraft auf den Gegenhalter auf der Innenseite des Luftfahrzeugrumpfes ausgeübt. Der Gegenhalter übt einen gleichmäßigen Druck auf die Innenseite der Fügezone aus und ist vollständig beweglich: Wenn sich der Roboter auf der Außenseite bewegt, um den Schweißvorgang fortzusetzen, bewegt sich der bewegliche Gegenhalter auf der Innenseite mit, daher der Ausdruck „Gegenhalterwagen“.
Der allgemeine Zweck besteht darin, über ein billiges und zuverlässiges Verfahren für das Ausüben eines Gegendrucks zu verfügen, das im Wesentlichen auf eingestellten physikalischen Wirkungen anstelle einer komplizierten Robotertechnik baut. Dadurch kann auch mit Sicherheit auf einen zweiten Roboter verzichtet werden, wodurch Kosten bei der MCA (MCA „Major Component Assembly“) für einen zukünftigen Zusammenbau von thermoplastischen Schalen eingespart werden. Aufgrund seiner einfachen Gestaltung ist es nicht anfällig für ein Fehlfunktion und kann einfach mit ziemlich geringem Kostenaufwand repariert bzw. ausgetauscht werden. Außerdem gibt es derzeit kaum andere Möglichkeiten für das Ausübendes Gegendrucks auf der Innenseite des Luftfahrzeugrumpfes.
Der Gegenhalter auf der Innenseite besteht aus zwei Hauptteilen: einer Bewegungseinheit mit einem ferromagnetischen Teil und einer die Bewegung ermöglichenden Einrichtung. Die kann beispielsweise mit ferromagnetischen Rollen (Eisenrollen), Eisenkugeln in einem Käfig oder nichtmagnetischen Kugeln in einem ferromagnetischen Käfig verwirklicht werden. Das zweite Hauptteil ist die Druckeinheit, die in nicht einschränkender Weise sein kann: eine unter Druck stehende Kammer mit Membran, wobei die Membran den Druck ausübt. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines unter Druck stehenden Schlauchs auf einem Rad, ganz ähnlich einem Fahrradrad, der den Druck auf die Verbindungszone ausüben kann und über sie rollen kann. Einer der Hauptvorteile bei Verwendung einer durch Druck erzeugten Gegenkraft besteht darin, dass sogar ansteigende Bereiche und unebene Oberflächen bei einem konstanten Druck geschweißt werden können.
Durch Bewegen der Elektromagnete auf der Außenseite bewegt sich die Gegenhalter-Einheit entlang der Schweißzone und übt den Druck lokal dort aus, wo er benötigt wird, in Abhängigkeit von der Größe der Membran oder des Druckschlauchs.
Die Elektromagnete auf dem Schweißroboter sind für die Bewegung des Gegenhalterwagens in axialer Richtung verantwortlich (Luftfahrzeugrumpf-Koordinatensystem), aber auch dafür, die erforderliche Kraft auszuüben, um dem Gegendruck auf der Innenseite entgegenzuwirken und den Gegenhalterwagen fest an der Haut zu halten. Hierfür kann der Druck bei allen erfindungsgemäßen Verfahren bis zu 20 bar, bei besonders hohen Gewichten aber auch mehr als 20 bar, betragen.
Im Betrieb bewegt sich der Roboter mit dem Schweiß-Endeffektor und den Elektromagneten auf der Außenseite entlang der Naht und schweißen, während sich die Gegenhalter-Einheit auf der Innenseite sich entsprechend mitbewegt und den Gegendruck ausübt. Das Grundprinzip ist etwa wie das Bewegen eines Magneten oberhalb eines Tisches durch Bewegen eines Magneten unterhalb des Tischs.
Dies funktioniert, solange der Weg des beweglichen Gegenhalters auf der Innenseite nicht durch irgendeine Rahmenübergänge (frame coupling) versperrt wird, bei der aktuellen Ausgestaltung gibt es genügend Raum für dieses Konzept. Nur wenn es in der Naht Spalte gibt, z. B. wenn es eine Aussparung für die Türstruktur gibt, muss der Schweißvorgang unterbrochen werden.
Zu Beginn und am Ende kann ein Arbeiter den Gegenhalter an Ort und Stelle halten, bis die Stromversorgung des Elektromagneten eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. Es kann eine Ausfallsicherung installiert werden, zum Beispiel ein einfaches Seil durch den Luftfahrzeugrumpf, das mit dem Gegenhalter verbunden ist. Bei einem Stromausfall würde der Gegenhalter von dem Seil aufgefangen, ähnlich der Funktion des Seiles eines Bergsteigers, und es käme zu keiner Beschädigung der Struktur.
In Abhängigkeit von der Geometrie oder der Dicke der Haut kann die Stromstärke für die Elektromagnete eingestellt werden (z.B. bei Rampen oder Anstiegen), um den Druck auf die Nahtzone konstant zu halten.
Einzelheiten zum Konzept der Anziehung zwischen der Schweißeinheit und der Gegenhaltereinheit:

• Statische Magnetfelder können mindestens 48 Lagen aus Kohlenstofffaser/PEKK-Faserverbundwerkstoff durchdringen. Die Werte könnten noch höher sein. Ein Elektromagnet ist aber wesentlich stärker.
• Die Magnetfeldstärke kann beim Schweißen problemlos angepasst werden, um Rampen und dickere Bereiche zu berücksichtigen;
• da die Magnetfeldstärke mit dem Abstand quadratisch abnimmt, ist es sehr unwahrscheinlich, das Komponenten in dem Luftfahrzeugrumpf gestört werden;
• Das Konzept ist auf eine Vielzahl von verschiedenen Nahtgeometrien anwendbar;
• es ist sowohl bei Längsnähten als auch Quernähten anwendbar;
• bei Längsnähten muss der Schweißvorgang aber unterbrochen werden, wo sich der Türrahmen befindet;
• Der „Weg“ auf der Innenseite wird durch den Spalt ermöglicht, der durch die Rahmenkupplungen gelassen wird;
• Auf der Gegenhaltereinheit können beliebige weitere elektronische oder elektrische Geräte installiert werden, um das Verfahren stabiler zu machen (Kraftsensoren, Magnetsensoren, aktive Druckkontrolle sofern erforderlich:

Bezugszeichenliste

10: Luftfahrzeug
12: Rumpf
14: Rumpfschale
16: Rumpfsektion
18: Außenhaut
20: Spanten
22: Stringer
23: Bodenkonstruktion
24: Aussparung
26: Längsnaht
28: Quernaht
30: Querrand
32: Stufenstruktur
34: thermoplastisches Bauteil
35: Bauteilanordnung
36: Ausgleichsstreifen
38: Schweißvorrichtung
40: Schweißeinheit
42: Schweißgerät
44: Elektromagnet
46: Gegenhaltereinheit
48: Gegendruckausübungseinrichtung
50: Bewegungseinrichtung
51: Bewegungsmittel
52: magnetische oder magnetisierbare Komponente
53: Rolle
54: Verschiebekörper
56: ebener Oberflächenbereich
58: Rotationskörper
60: Hohlkörper
62: Hohlkammer
64: druckfester Behälter
65: Rahmenelement
66: Konsolidierungseinheit
68: flexible Membran
70: Schweißrichtung
72: Ultraschall-Sonotrode
74: flexibler Schlauch
76: Außenseite
78: Innenseite

Claims

Schweißvorrichtung (38) zum Verschweißen von in einer Bauteilanordnung (35) zueinander angeordneten flächigen thermoplastischen Bauteilen (14, 34) entlang einer der gewünschten Schweißnaht (26, 28) entsprechenden Kontaktzone unter Beaufschlagung der Schweißzone mit einem Überdruck, die umfasst: - eine Schweißeinheit (40), die ein Schweißgerät (42) und einen oder mehrere damit verbundene Elektromagnete (44) umfasst, die dafür geeignet ist, unter Bewegung über die Kontaktzone die flächigen thermoplastischen Bauteile (14, 34) unter Bildung der gewünschten Schweißnaht (26, 28) miteinander zu verschweißen; und - eine Gegenhaltereinheit (46) umfassend eine Gegendruckausübungseinrichtung (48) und eine Bewegungseinrichtung (50), wobei mindestens eine der beiden Einrichtungen eine oder mehrere magnetische oder magnetisierbare Komponenten (52) aufweist, die dafür vorgesehen sind, von stromdurchflossenen Elektromagneten (44) magnetisch angezogen zu werden und die Gegenhaltereinheit (46) magnetisch an der Schweißeinheit (40) zu fixieren, wobei die Gegendruckausübungseinrichtung (48) dafür ausgebildet ist, im magnetisch fixierten Zustand mit der Schweißeinheit (40) zusammenwirkend einen Druck auf die zu verschweißenden thermoplastischen Bauteile (14, 34) mindestens im Bereich der Schweißzone auszuüben und wobei die Bewegungseinrichtung (50) dafür ausgebildet ist, im magnetisch fixierten Zustand die Gegenhaltereinheit (46) einer Bewegung der Schweißeinheit (40) folgend zu bewegen.
Schweißvorrichtung (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißgerät (42) aus einer Gruppe ausgewählt, die Ultraschallschweißgeräte, Laserschweißgeräte, Infrarotschweißgeräte und Induktionsschweißgeräte umfasst.
Schweißvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegendruckausübungseinrichtung (48) ausgewählt ist unter: - einer Gegendruckausübungseinrichtung (48) in Form eines Verschiebekörpers (54) mit einem ebenen Oberflächenbereich (56), der dafür geeignet ist, im Kontakt mit den thermoplastischen Bauteilen (14, 34) Druck auf die thermoplastischen Bauteile (14, 34) auszuüben und bei Bewegung der Bewegungseinrichtung (50, 51) über die flächigen thermoplastischen Bauteile (14, 34) auf den flächigen thermoplastischen Bauteilen (14, 34) gleitend verschoben zu werden, und - einer Gegendruckausübungseinrichtung (48) in Form eines Rotationskörpers (58) beispielsweise mit der Form eines Zylinders, eines Zylinders mit nach außen gewölbter Mantelfläche, eines Ellipsoids oder einer Kugel, der dafür geeignet ist, im Kontakt mit den thermoplastischen Bauteilen (14, 34) Druck auf die thermoplastischen Bauteile (14, 34) auszuüben und bei Bewegung der Bewegungseinrichtung (50) über die flächigen thermoplastischen Bauteile auf den flächigen thermoplastischen Bauteile rotierend bewegt zu werden; wobei der Verschiebekörper (54) bzw. der Rotationskörper (58) vorzugsweise ein mit einem unter Normaldruck oder Überdruck stehenden Gas gefüllter Hohlkörper (60, 74) oder ein mit einer unter Normaldruck oder Überdruck stehenden Flüssigkeit gefüllter Hohlkörper (60, 74) oder ein massiver Körper (60, 74) ist und/oder der Verschiebekörper (54) bzw. der Rotationskörper (58) vorzugsweise mindestens in seinem Kontaktbereich mit den flächigen thermoplastischen Bauteilen (14, 34) aus einem flexiblen Material, wie einem Elastomer, einem Metall, einer flexiblen Metallschicht, einer flexiblen Membran, einer bedruckten Metallmembran, zum Ausüben des Drucks auf die Bauteilanordnung, besteht und/oder der Verschiebekörper (54) bzw. der Rotationskörper (58) vorzugsweise mit einer Leitung für die Gaszufuhr oder Flüssigkeitszufuhr zur Druckbeaufschlagung versehen ist
Schweißvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (50) ein oder mehrere Bewegungsmittel umfasst, die insbesondere unter Rollen, Laufrollen, Walzen, Zylindern, Räder, Kugeln ausgewählt sind, die gegebenenfalls in einem Käfig angeordnet sind, wobei mindestens eines von den Bewegungsmitteln und den Käfigen eine magnetische oder magnetisierbare Komponente (52) sein kann, wobei die Bewegungseinheit weiterhin gegebenenfalls ein Stabilisierungssystem und/oder ein Differential aufweist
Schweißvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen und/oder magnetisierbaren Komponenten (52) mindestens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie Eisen, gebildet sind.
Schweißvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißeinheit (40) ein Endeffektor ist, der an einem beweglichen Roboter beweglich montiert ist, und/oder dass die Schweißeinheit (40) eine Konsolidierungseinheit (66) umfasst, die gegebenenfalls einen zusätzlichen Druck auf die zu verschweißenden flächigen thermoplastischen Bauteile ausübt und/oder gegebenenfalls die Schweißzone nach dem Schweißen erwärmt und/oder kühlt.
Schweißvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenhaltereinheit (46) - ein oder mehrere elektrische oder elektronische Einheiten aufweist, die unter Kraftsensoren, magnetischen Sensoren und aktiven Drucksteuereinheiten ausgewählt sind; und/oder - ein Halteelement, wie ein Seil oder eine Kette, aufweist, das dafür geeignet ist, die Gegenhaltereinheit (46) bei Unterbrechung der Stromversorgung des oder der Elektromagnete zu halten; und/oder - ein Gegenhaltereinheit-Wagen ist, der eine rollfähige Bewegungseinrichtung (50), eine Gegendruckausübungseinheit (48) mit einer Tragestruktur und/oder Aufhängungsstruktur zum Tragen und/oder Aufhängen der Gegendruckausübungseinheit (48) umfasst.
Schweißverfahren zum Verschweißen von zwei flächigen thermoplastischen Bauteilen (14, 34) unter Erhalt einer Schweißnaht, das umfasst: a) Kontaktieren eines ersten flächigen thermoplastischen Bauteils (14, 34) mit einem zweiten flächigen thermoplastischen Bauteils (14, 34) unter Erhalt einer Bauteilanordnung (35) mit einer Kontaktzone, in der die flächigen thermoplastischen Bauteile der gewünschten Schweißnaht entsprechend miteinander verschweißbar angeordnet sind; b) Anordnen einer Schweißeinheit (40), die insbesondere wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert ist, so auf einer Seite der Bauteilanordnung (35), dass das Schweißgerät (42) der Schweißeinheit (40) die beiden flächigen thermoplastischen Bauteile (14, 34) in der Kontaktzone miteinander zu verschweißen vermag; c) Anordnen einer Gegenhaltereinheit (46), die insbesondere wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert ist, so auf einer gegenüberliegenden Seite der Bauteilanordnung (35), dass magnetische oder magnetisierbare Komponenten (52) der Gegenhaltereinheit (46) beim Einschalten des oder der Elektromagnete (44) der Schweißeinheit (40) unter magnetischer Fixierung der Gegenhaltereinheit (46) an der Schweißeinheit (40) von dem oder den Elektromagneten (44) magnetisch angezogen werden können; d) Einschalten der Stromversorgung der Elektromagnete (44), um die Gegenhaltereinheit (46) magnetisch an der Schweißeinheit (40) zu fixieren und Druck auf den zu verschweißenden Bereich der Kontaktzone der zwischen der Gegenhaltereinheit (46) und der Schweißeinheit angeordneten Bauteilanordnung (35) auszuüben; e) Bewegen der Schweißeinheit (40) über die unter Druck stehende Kontaktzone unter Verschweißen der flächigen thermoplastischen Bauteile (14, 34) der Bauteilanordnung (35) und Ausbildung einer Schweißnaht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte umfasst: a1) Auswählen der flächigen thermoplastischen Bauteile (14, 34) unter Bauteilen (14, 34) aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, der eine Matrix aus thermoplastischem Polymer, vorzugsweise thermoplastischem Hochleistungskunststoff, besonders bevorzugt einem Polyaryletherketon, wie Polyetherketonketon (PEKK), und darin eingebettete Verstärkungsfasern, die insbesondere unter Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern ausgewählt sind, aufweist; und/oder a2) Kontaktieren einer ersten Rumpfschale (14) aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff mit einer zweiten Rumpfschale (14) aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff unter Erhalt einer Rumpfschalenanordnung; a3) Kontaktieren einer ersten Rumpfschale (14) aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff mit einer zweiten Rumpfschale (14) aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff in einer Rumpfschalenanordnung, die nach dem Verschwei-ßen eine Längsnaht (26) oder eine Quernaht (28), jeweils bezogen auf die Luftfahrzeughauptachse, ergibt; a4) Kontaktieren von flächigen thermoplastischen Bauteilen (14, 34), die unter plattenförmigen Bauteile, ebenen Bauteile, gekrümmten Bauteile, Schalen, Rumpfschalen, Bauteilen mit einer oder mehreren Aussparungen (24) für Fenster und/oder Türen, Bodenelementen ausgewählt sind
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte umfasst: b1) Anordnen der Schweißeinheit (40) auf der Außenseite (76) einer Bauteilanordnung (35) umfassend eine erste thermoplastische Rumpfschale (14) und eine zweite thermoplastische Rumpfschale (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte umfasst: c1) Anordnen der Gegenhaltereinheit (46) auf der Innenseite (78) einer Bauteilanordnung (35) umfassend eine erste thermoplastische Rumpfschale (14) und eine zweite thermoplastische Rumpfschale (14); und/oder c2) Anordnen der Gegenhaltereinheit (46) so, dass eine Sandwichstruktur aus Schweißeinheit (40), Bauteilanordnung (35) und Gegenhaltereinheit (46) erhalten wird, die für die magnetische Fixierung der Gegenhaltereinheit (46) an der Schweißeinheit (40) und die Ausübung von Druck auf die Schweißzone der Bauteilanordnung (35) geeignet ist; und/oder c3) Anordnen einer Gegenhaltereinheit (46), die ein Halteelement, wie ein Seil oder eine Kette, aufweist, das die Gegenhaltereinheit bei Unterbrechung der Stromversorgung des oder der Elektromagnete (44) hält.
Verfahren nach einem der Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt e) einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte umfasst: e1) Automatisches Bewegen der Schweißeinheit (40) mit Hilfe eines Roboters, der die Schweißeinheit (40) als Endeffektor umfasst; und/oder e2) Manuelles Bewegen der Schweißeinheit (40) durch eine Bedienperson; und/oder e3) Variieren der Stromstärke in dem oder den Elektromagneten (44) unter Erhalt eines definierten Magnetfeldes, wobei die Stromstärkenvariation in Abhängigkeit von Stufenstrukturen (32), Oberflächenunebenheiten, Rampen und dickerer Bereiche in der Schweißzone oder der Bauteilanordnung (35) erfolgt, die vor Durchführung des Verfahrens ermittelt wurden oder während der Bewegung der Schweißeinheit (40) durch einen stromaufwärts des Schweißgeräts (42) angeordneten Sensors ermittelt werden; und/oder e4) Variieren der Stromstärke in dem oder den Elektromagneten (44) so, dass bei ansteigenden Bereichen oder unebenen Oberflächen ein konstanter Druck der Gegenhaltereinheit (46) auf die Bauteilanordnung (35) erhalten wird.
Bauteilanordnung (35), die mindestens zwei entlang einer Schweißnaht miteinander verschweißte thermoplastische Bauteile (14, 34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, die unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 erhältlich ist.
Luftfahrzeug (10), das mindestens eine verschweißte Bauteilanordnung (35) nach Anspruch 13 umfasst.