Thermal skin effect in laser-assisted tape placement of thermoplastic composites

  • Thermischer Skineffekt beim Laserunterstützten Tapelegen von thermoplastischen Faserverbundkunststoffen

Weiler, Thomas; Brecher, Christian (Thesis advisor); Hopmann, Christian (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 25/2019
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (X, 203 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden Modelle zur Beschreibung der laserunterstützten Erwärmung von faserverstärkten Thermoplastbändern vorgestellt. Der Fokus liegt auf der zeitabhängigen (transienten) Temperaturentwicklung in der Dickenrichtung des Materials bei hohen Geschwindigkeiten. Durch die thermischen Modelle wird es möglich die folgenden Größen in Abhängigkeit zur Geschwindigkeit zu setzen: 1) Schmelzbad-Tiefe, 2) Schmelzbadverbleib-Zeit und -Länge, 3) Abkühlrate der Fügezone und 4) der Elastizitätsmodul in Dickenrichtung. Das vorhergesagte Entstehen einer dünnen thermischen Hautschicht von GROUVE wird erstmalig quantitativ beschrieben und eine Analyse der Fügemechanismen zeigte, dass dieser thermische Skineffekt zwangsläufig auch die Fügefestigkeit beeinflussen wird, durch entweder eine Beeinflussung der makroskopischen Drapierung, des intimen Lagenkontaktes oder der Autohäsion. Ein neu entwickelter Prüfstand erlaubt eine erste Untersuchung zum generellen Einfluss von Temperaturgradienten bei Konsolidierungsgeschwindigkeiten von 1 m/s. Zwei (unerwartete) im Konflikt stehende positive Effekte wurden beobachtet: Auf der einen Seite bleibt das Tape bei hohen Temperaturgradienten auf der Rückseite im festen Zustand (nicht geschmolzen), was sehr wahrscheinlich positiv für nachfolgende Konsolidierungsprozesse ist, aufgrund der geringen Rauhigkeit und weil die elastische Rolle thermisch geschont wird. Auf der anderen Seite verringert ein hoher Temperaturgradient das verfügbare Schmelzbad und die Formbarkeit des Tapes nimmt ab: Ein Dickensprung auf der Oberfläche von 60 µm - induziert durch ein Polyimid-Tape - reichte aus, um das Füllen einer 2 mm breiten Zone am Rand des Dickensprungs zu verhindern. Es ist zu erwarten, dass dieses Phänomen sich entscheidend auf die Bauteileigenschaften auswirkt, da Tape gelegte Oberflächen i.d.R. Kavitäten von > 200 µm aufweisen, bspw. an Tape-Kreuzungspunkten oder -Überlappungen/-Lücken. Um den thermischen Zustand im Material maschinell zu steuern - unabhängig von der Prozessgeschwindigkeit - werden verschiedene Bestrahlungsstrategien betrachtet und auf deren Nutzbarkeit und Einsetzbarkeit in Tapelegesystemen hin verglichen: Als vielversprechende mittelfristige Strategie lässt sich die Anpassung der Bestrahlungslänge nennen. Der zu deren Nutzung relevante Zusammenhang zwischen Bestrahlungslänge, Laserleistung, Oberflächentemperatur und thermischer Eindringtiefe wird durch analytische Lösungen beschrieben und visualisiert. Zum Schluss wird eine neue Optimierungsstrategie für laserunterstützte Tapelegeprozesse abgeleitet. Bei dieser Strategie wird versucht, die Schmelzbadverbleib-Zeit relativ zu der verfügbaren Druckzeit der Konsolidierungsrolle anzupassen, durch eine entsprechende Anpassung der Bestrahlungslänge.

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