Linearreibschweißen von CFK

Linearreibschweißen von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff

TWI-Grundlagenforschungsprojekt 1123/2020

Für dieses Projekt wurde ein thermoplastischer Verbundwerkstoff aus kohlenstoffverstärktem PEEK (Polyetheretherketon) mit kontinuierlichen Fasern (Continuous Carbon-Fibre Reinforced Thermoplastic Composite, CFRTPC) durch Linearreibschweißen (Vibrationsschweißen) verbunden. Dank einer PEEK-Opferzwischenschicht entsprach die Festigkeit der hergestellten Verbindungen ohne jegliche Oberflächenvorbehandlung der typischen Festigkeit einer Klebeverbindung.

Überblick

Die steigenden Produktionsraten in der Luft- und Raumfahrtindustrie können am ehesten mit thermoplastischen Verbundwerkstoffen erfüllt werden, die im Gegensatz zu duroplastischen Verbundwerkstoffen keine langen Aushärtungszeiten aufweisen. Thermoplastische Verbundwerkstoffe können auch durch thermische Schweißverfahren gefügt werden.

Linearreibschweißen ist ein sich rasch entwickelndes Verfahren zum Verbinden von Metallen in der festen Phase. Es ist eine Schlüsseltechnologie für kritische Triebwerkskomponenten und wird jetzt für den Einsatz bei Flugzeugstrukturen qualifiziert. Linearreibschweißen hat jedoch Endlosfasern an der Schweißgrenzfläche während des Schweißens typischerweise zersetzt (Taylor und Jones, 1989), und es konnte bisher nicht für Endlos-CFRTPCs angewendet werden.

Verklebte Kohlenstoff/PEEK-Laminate haben Verbindungsfestigkeiten von bis zu 28 MPa gezeigt, allerdings nur nach einer entsprechenden Oberflächenbehandlung.

Objectives

  • Demonstrate welding CFRTPC by LFW
  • Mitigate fibre degradation during LFW by adding an unreinforced PEEK interlayer
  • Evaluate the strength the CFRTPC joint made on LFW equipment designed for welding metallic parts
  • Achieve a minimum joint strength of 25MPa without any surface pre-treatment

Lösung

Das Hinzufügen einer unverstärkten PEEK-Zwischenlage an der Schweißstelle erwies sich als entscheidend für die Erhöhung der Verbindungsfestigkeit von 17 MPa (Taylor und Jones, 1989).

Zunächst wurde das Linearreibschweißen von reinem (unverstärktem) PEEK-Material getestet, um geeignete Schweißparameter festzulegen.

Dann wurde ein CFRTPC-Laminat hergestellt, das diesen Parametern entsprach, und eine kleine Serie von drei Verbindungen hergestellt. Abbildung 1 zeigt die vollständig verklebte Zwischenschicht.

 

Schlussfolgerung

Die erfolgreichsten Parameter für die CFRTPC-Verbindung waren 50 Hz, ±1,0 mm, 40 MPa. Die PEEK-Zwischenschicht wies eine angemessene Wärmeentwicklung auf, und das Polymer wurde nicht abgebaut oder aus der Verbindung herausgestaucht. Die visuelle Bewertung des PEEK-Schweißens legt nahe, dass die die aktuell am TWI verfügbaren Metall-Linearreibschweißmaschinen das Potenzial haben, effektive Schweißverbindungen von CFRTPCs herzustellen. Die geschweißten Coupons erreichten eine Überlappungsscherfestigkeit von 25,4 MPa ohne jegliche Oberflächenvorbereitung.

 

Dieses Projekt wurde durch das Grundlagenforschungsprogramm des TWI finanziert.

Abbildung 1. PEEK-Zwischenlage zwischen zwei Kohlenstoff/PEEK-Laminaten. Die gelben Linien kennzeichnen die ehemaligen Fügelinien der Linearreibschweißungen
Abbildung 1. PEEK-Zwischenlage zwischen zwei Kohlenstoff/PEEK-Laminaten. Die gelben Linien kennzeichnen die ehemaligen Fügelinien der Linearreibschweißungen
Avatar Dr Chris Worrall - DE Berater - Polymer-Verbundwerkstofftechnologien

Chris Worrall ist ein Experte für Verbundwerkstoffe und Berater am TWI. In seiner 35-jährigen Laufbahn hat er sich mit folgenden Themen beschäftigt: Fügen, mechanisches Verhalten, Brandprüfung, Finite-Elemente-Analyse, elektromagnetische Oberflächenwellen und Metamaterialien. Er begann seine Karriere in der Öl- und Gasindustrie, wo er am Projekt Marinetech North West mitwirkte. Außerdem arbeitete er 10 Jahre lang in Japan in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Energiebranche. Er hat Gastvorlesungen an den Universitäten Cambridge, Liverpool und Surrey gehalten und ist „Engineer in Residence“ an der Universität Liverpool. In jüngster Zeit unterstützt er das Non-metallic Innovation Centre (NIC) bei der Bereitstellung nichtmetallischer Lösungen für die Öl- und Gasindustrie.

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