Towards increased reliability of resistance welded joints for aircraft assembly

This study focuses on the opportunities and challenges of applying the static resistance welding process to a full scale upper shell fuselage demonstrator. An adapted resistance welding setup and process which produces high quality welds over the whole welding surface with a defined weld seam is described. The effects of scaling and the challenges that arise during the welding of the demonstrator are discussed. Approaches to solutions are presented to meet the required reliability of resistance welded joints in application

RESISTANCE WELDING OF LOW-MELT POLYARYLETHERKETONE: PROCESS DEFINITION AND OPTIMIZATION

Within the European Clean Sky 2 Program thermoplastic composites are readied for future single aisle application and validated by the full-scale demonstration of the so-called Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). DLR together with Premium AEROTEC, AERNnova and AIRBUS will deliver the upper half shell for this 8 m long barrel made of carbon fiber-reinforced low-melt Polyaryletherketone (LM-PAEK). Resistance welding was chosen to join the C-frames with up to 19 attached flanges of variing length to the fuselage skin. For process definition, the welding parameters of LM-PAEK were investigated using a customized weld module. The main processing parameters affecting the quality of the weld, were defined as input parameters for a Design of Experiments (DoE). The DoE was conducted on the basis of a glass-insulated welding element. The bondline quality of each parameter set (design point) was assessed by water-coupled ultrasonic investigations, the fracture load values defined by single lap shear testing and microscopic fracture surface analyses. Thus, a numerical parameter optimization was performed in order to define the weld parameters for frame integration. Within a second evolution stage of the welding elements, replacing the glassfiber insulation of the welding elements to pure resin films, the potentials for a mechanical performance increase could be demonstrated

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

Untersuchung des Einflusses der automatisierten Handhabung und Umformung vorvernetzter, carbonfaserverstärkter Preformen im Bi-Stage-Zustand

Im Rahmen dieser Arbeit wurde, in Anlehnung an das Rohrbiegeverfahren Rotationszugbiegen, ein fasergerechtes Verformungsprinzip erarbeitet und mittels eines eigens entwickelten Prüfstands validiert. Die Verformung unidirektionaler faserverstärkter Flechtzylinder, welche mit einem zweistufigen Harzsystem (Bi-Stage Harzsystem) vorinfiltriert wurden, konnte erfolgreich demonstriert werden. Zudem wurde die jeweilige Bauteilqualität der Preforms mittels der zerstörungsfreien Prüfmethode Thermografie, in Abhängigkeit von der jeweiligen Harzzusammensetzung und der Umformparameter qualitativ untersucht und bewertet. Ziel der Arbeit war die Ermittlung der benötigten Verformungskräfte unter Berücksichtigung kritischer Prozessparameter und Abläufe. Die gewonnenen Erkenntnisse der erfolgreichen Prozessvalidierung wurden in die Konstruktion und Auslegung eines Automatisierungskonzepts für eine Verformungseinheit innerhalb des Gesamtprozesses eingearbeitet, welche eine größtmögliche Flexibilität bezüglich potentieller Änderungen in den Prozesstaktzeiten gewährleistet

Entwicklung, Aufbau und Validierung eines Endeffektors zum kontinuierlichen Widerstandsschweißen faserverstärkter Thermoplaste (Masterarbeit)

Aufgrund zunehmender Bemühungen thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe (engl. CFR-TP) in Flugzeugstrukturen der kommenden Generationen einzusetzen steht die Untersuchung von Fügeverfahren für diese Werkstoffe im Fokus der aktuellen Forschung. Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zeigen gegenüber duromerer Faserverbundwerkstoffe Vorteile bei der Fügetechnologie, da diese z. B. eine Gewichtsreduktion aufgrund wegfallender Bolzen, kürzere Assemblyzeiten und dünnere Lagenaufbauten der Einzelstrukturen aufgrund einer Neudefinition der Laminatschichtung mit wegfallenden Lochleibungslaminaten ermöglicht. Das elektrische Widerstandsschweißen gilt als vielversprechender Fügeprozess für CFR-TPs, da bei diesem die Wärme direkt in der Fügezone generiert wird, ohne dass die gesamte Struktur aufgeschmolzen werden muss. Um große Strukturen wie Rumpfhalbschalen zu Fügen, bedarf es einer Skalierung von bisherigen Schweißversuchen auf Probenniveau hin zu Prozessen für reale Bauteile. Die Skalierbarkeit des statischen Widerstandsschweißprozesses ist jedoch durch Anforderungen an die elektrische Schweißleistung und den Konsolidierungsdruck begrenzt. Für große Strukturen mit langen Fügenähten ergibt sich deshalb die Notwendigkeit einer Unterteilung des Schweißvorgangs in kleine Teilschritte. Dies kann durch die Verwendung eines kontinuierlich geführten Prozesses, der sich flexibel an die Geometrie der Fügeteile anpassen lässt, erreicht werden. Zu diesem Zweck werden im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche Konzeptansätze zur Umsetzung eines kontinuierlichen Schweißverfahrens erarbeitet sowie durch experimentelle Untersuchungen bewertet und verglichen. Aus den Konzepten wird das Design für einen Endeffektor abgeleitet, der komplexe Fügenähte auf einem Roboter- oder Gantrysystem im kontinuierlichen Verfahren verschweißt. Zum Einsatz kommt dabei eine Kombination aus rollenden Kontakt- und flächiger Konsolidierungseinheiten. Die Einsatzfähigkeit des Endeffektors wird durch Schweißversuche validiert und der Einfluss von Prozessparametern auf die Ergebnisse diskutiert

Entwicklung eines Schweißprozesses zum Fügen eines oberflächenmodifizierten Duromerbauteils mit einem Thermoplastbauteil (Masterarbeit)

Fügetechnologien im Bereich von Faserverbundwerkstoffen stellen eine besondere Herausforderung dar. Bedingt durch die Suche nach staublosen und effizienten Fügetechnologien sowie hochintegrativen Strukturen rücken Fügetechnologien wie das Schweißen von Faserverbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix immer mehr in den Vordergrund und bringen neue Herausforderungen mit sich. Die hierzu benötigte thermoplastische Matrix stellt jedoch nicht für alle Bauteilgeometrien sowie Fertigungsprozesse eine sinnvolle Alternative dar. Eine mögliche Lösung bieten hier modifizierte Duroplastbauteile, welche dann mit einem Thermoplastbauteil verschweißt werden können. Als Herausforderung bei derartigen hybriden Schweißprozessen wurde die erforderliche Bauteilmodifikation des Duroplastes identifiziert, welche nötig ist um ein schmelzbaren Werkstoff auf ein nicht schmelzbares Material aufzubringen. Zudem muss das Duroplast gegen Temperaturen oberhalb der Degradationstemperatur, welche beim Schweißen von Thermoplast auftreten, geschützt werden. In dieser Arbeit wird ein Lösungsansatz behandelt, welcher die Integration einer faserverstärkten funktionalen Thermoplastschicht am Duroplastbauteil vorsieht. Diese dient als thermischer Isolator sowie als schweißbare Oberfläche an diesem. Zunächst werden Werkstoffe und Faserhalbzeuge ausgewählt und entsprechende Herstellungsprozesse für Referenzbauteile definiert, validiert und ggf. optimiert. Zudem wird die Interphasenausprägung zur Anbindung Bauteilmodifikation und der Einfluss von Herstellungsprozessparametern auf die mechanische Festigkeit dieser untersucht. Anschließend wird ein bestehender elektrischer Widerstandsschweißprozess hinsichtlich der Anwendung von hybriden Fügeverbindungen optimiert. Dieser Teil stellt den Fokus der Arbeit dar. Mittels Design of Experiments wird ein Versuchsplan erstellt und die Prozessparameter variiert. Ziel ist es den Wärmeeintrag während des Schweißprozesses in die Organobleche zu minimieren, die Festigkeit der Fügeverbindung zu maximieren, sowie großflächig homogene Fügeverbindungen herzustellen. Anhand von ausgewählten Prozessparametersätzen werden Untersuchungen zur transversalen Durchwärmung der Organobleche während des Schweißprozesses durchgeführt und so für diese die minimal erforderliche Dicke der funktionalen Thermoplastschicht bestimmt, um eine thermische Degradation der Matrix auszuschließen. Abschließend wird auf Basis der Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit eine hybride Verbindung umgesetzt und mechanisch getestet