Quality Prediction of Continuous Ultrasonic Welded Seams of High-Performance Thermoplastic Composites by means of Artificial Intelligence

Thermoplastic composites (TCs) are a famous choice when it comes to high performance designs for industrial applications. Since the growing demand on the use of this material, it is important to be able to evaluate suitable processing technologies. One of those technologies is continuous ultrasonic welding (CUSW) which creates continuous joints, also called seams, between two or more TCs parts. In CUSW mechanical oscillations are applied to the material and result in melting and connecting of the welding parts. The approach to predict joint strength (qualities) of continuous ultrasonic welded TCs by training different neural networks is investigated in this study. Quality class prediction around 72 % accuracy is achieved with a fully connected neural network. Concluding, quality prediction of welded TCs with the help of artificial intelligence seems to be a suitable approach for quality observation but more research could lead to more reliable neural networks for industrial applications

Process Data Driven Advancement of Robot-Based Continuous Ultrasonic Welding

High volume aerospace programs require efficient, flexible and robust welding technologies. Since continuous ultrasonic welding is a highly transient process that depends on a number of processing parameters, such as weld energy, amplitude, travel speed and consolidation pressure, process monitoring is crucial for the welding result. Furthermore, it is not possible to look into the welding zone during the welding process. In order to mature this technology an in-line process monitoring has been setup that collects all relevant parameters and uses a Neural Network to predict the welding quality directly after the welding process

ROBUST ASSEMBLY - QUALITY ASSURED WELDING TECHNOLOGIES FOR FULL-SCALE APPLICATIONS

Thermoplastic welding technologies offer the possibility of producing an integral assembly out of two or more separate components, with an interface that is non-distinguishable to the component structure itself. However, institutional research on thermoplastic welding technologies is mostly focusing the technology readiness levels (TRL) one to three, demonstrating the validity of the functional principle in a reduced scale. Within the European Clean Sky 2 (CS 2) initiative, the Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) an eight-meter long, cylindrical aircraft fuselage barrel will be manufactured challenging different thermoplastic part manufacturing and welding technologies in full scale. Within this paper we are focusing to present the custom-made welding jigs and end-effectors for ultrasonic and resistance welding, developed for the MFFD upper shell assembly. To assure adequate integrated quality assurance the weld tools are equipped with various sensors for component positioning and process control. The accumulated data are validated and inline stored within a storage for heterogenous product and research data (shepard) to assure the robust process execution and safeguard traceability

Überflieger aus Plastik

Thermoplastische Kunststoffe sind die Überflieger der Luftfahrt. Nach und nach verdrängen sie klassische Baumaterialien wie Aluminium und sind im Flugzeugbau beliebter denn je. Ihr großer Vorteil? Ihr Leichtgewicht! Mit der Verarbeitung dieser Werkstoffe befasst sich auch Dr. Stefan Jarka. Der 35-jährige Ingenieur ist ursprünglich gelernter Maschinenbauer und arbeitet als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter am DLR Augsburg am Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie. Genauer gesagt am Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie. Hier forscht er mit seinen Kollegen an der (Weiter-)Entwicklung geeigneter Fügetechnologien für thermoplastische Kunststoffe

Optimization of welding parameters of LM PAEK

This report summarizes the current state of work regarding the optimization of welding parameters of ultrasonic spot welding (USW), continuous ultrasonic welding (CUW) and static resistance welding (RW). These fusion bonding technologies were chosen for the integration of stringers, frames, frame couplings, clips and cleats for the overall assembly of the Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) upper shell. Within this report welding setups for the manufacturing of coupons corresponding to the chosen welding technologies, the test execution and its results are described and set in context with phased array ultrasonic scans and destructive single lap shear testing according to DIN EN 2243-1 (AITM 1-0019)

Entwicklung und Konstruktion eines MMI-Endeffektors zur automatisierten Lagenpaketerstellung thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein MMI-Endeffektor zur Lagenpaketerstellung entwickelt und konstruiert. Die Erstellung eines Lagenpaketes ist nach der Herstellung von Prepreg-Materialien der erste Schritt in der Wertschöpfungskette von Faserverbund-Bauteilen. Der Aufbau des Lagenpaketes ist Ziel des Prozesses für den der Greifer entwickelt wurde. Als Verbindungstechnologie kommt das Ultraschall-Heften zum Einsatz, auch diese Funktion ist in den Greifer integriert. Um den Prozess sicher auszugestalten wurde die dafür benötigte Peripherie konstruiert und gefertigt. So wurde für die Erstlagenfixierung eine Vakuumplatte entworfen und gefertigt. Die Lagenzufuhr wurde über ein Magazin gelöst, welches die Lagen dem Prozess positioniert zuführt. Die Reichweite- und Kollisionsuntersuchungen wurden vor dem Aufbau der Roboterzelle mittels Simulationen geprüft. Um den Prozess flexibel und leicht variierbar zu gestalten, wurde ein Robotersystem gewählt, welches impedanzgeregelt betrieben werden kann. So ließ sich der MMI-Gedanke im Prozess implementieren. Vor der Detaillierung wurden Voruntersuchungen zu Baugruppen durchgeführt, deren Ergebnisse die Lösungsfindung beeinflussten. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurde das Konzept detailliert und die Konstruktion ausgearbeitet. Nach anschließender Fertigung und Montage von Greifer und Peripherie wurden validierende Versuche durchgeführt und ausgewertet. So wurde im Laufe dieser Bachelorarbeit ein funktionsfähiges System zur automatisierten Lagenpaketerstellung erarbeitet

Fügetechnologien in der Luftfahrt - Besondere Anforderungen an die Schweißprozesse Joining technologies in aviation - Particular requirements for the welding processes

Thermoplastische Composite-Werkstoffe für Flugzeug-Strukturbauteile bieten Vorteile in der Performance, bei den Herstellprozessen und im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit. Die Verwendung von Hochleistungspolymeren und der hohe Kohlefaser-Volumenanteil der eingesetzten Laminate führen zu besonderen Herausforderungen bei den Verarbeitungsprozessen. Das gilt auch für die Schweißtechniken, die die klassischen, für metallische Werkstoffe optimierten Fügeverfahren wie das Nieten und das dabei zusätzlich erforderliche Abdichten ablösen könnten. Thermoplastic composite materials for structural components in aircraft offer advantages in performance, during the manufacturing processes and with regard to the economic viability. The use of high-performance polymers and the high carbon fibre proportions by volume in the utilised laminates are leading to particular challenges during the processing operations. That also applies to the welding technologies which might supersede the classic joining procedures optimised for metallic materials such as riveting and the sealing required additionally in this case

Robot-based Continuous Ultrasonic Welding for Automated Production of Aerospace Structures

Thermoplastic composite materials for structural aircraft components offer advantages in terms of performance and efficient production. In this context, ultrasonic welding is a promising joining technique that could replace the classical mechanical fastening by riveting and bolting which requires extensive drilling and sealing. At the Center for Lightweight Production Technology (ZLP) in Augsburg a robot-based continuous ultrasonic welding system has been developed. It consists of an end-effector mounted on a standard industrial robot, which allows the flexible joining of large flat and double-curved structures. The functional efficiency has already been proven on various components such as a stiffened fuselage panel or a rear pressure bulkhead. In order to benefit from the high welding speed this fusion bonding process is currently being matured to further improve robustness. A parameter study was carried out to identify optimized processing parameters

Production of a stringer-stiffened skin segment as intermediate demonstrator

After optimizing the parameters on coupon level, resulting in high joint strength the transfer to the element level has now been successfully demonstrated. It was found that the processing parameters could be transferred with minor adjustments that were required to address the rougher and wavier surface of the fiber place laminates as compared to the press-molded pre-consolidated organo sheets that were used for coupon testing. In addition, an edge-detection system for automated stringer guidance to increase the process reliability of the welding was validated during element production. Prior to the welding process all parts, i.e. laminates and stringers were 3D measured to assess the as-delivered quality. These measurements thus allowed to correlate weld process performance to the input part quality. Within this report the welding setup, the test execution and its results are described