Das Ultraschall-Punktschweißen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen hat in der letzten Zeit bei Forschern in der Luftfahrt- und Automobilindustrie großes Interesse hervorgerufen. Es bietet eine effiziente Lösung zum Verbinden großer thermoplastischer Verbundbauteile durch Punktschweißen mit einem hohen Automatisierungsgrad. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Technik zum Fokussieren der Ultraschallschwingungsenergie an der gewünschten Fügestelle zwischen zwei Fügepartnern aus thermoplastischen Verbundlaminaten untersucht. Bei diesem untersuchten Verfahren waren keine zusätzlichen Energierichtungsgeber zwischen den Fügepartnern erforderlich, um die Vibrationsenergie zu fokussieren. Es wurde festgestellt, dass es durch Schweißen der Laminate zwischen einer Sonotrode und einem Amboss möglich war, eine lokalisierte Wärme durch Reibung zu erzeugen in dem die Sonotrode eine größere Kontaktfläche mit dem Laminat als mit dem Amboss aufwies. In der Anfangsphase des Schweißens wurden die Grenzflächenschichten durch die reibungsverursachte Erwärmung abgeschwächt. Folglich zentrierte sich die zyklische Verformung in diesen abgeschwächten Grenzflächen. Die Annahme des Vorhandenseins der Reibung und ihres Einflusses auf die Wärmeerzeugung wurde mittels mechanischer FEM-Analyse untersucht. Die mikroskopische Analyse des Schweißpunktes lieferte schließlich den Beweis für die Schmelzauslösung an einem Ring um den Schweißpunkt und das anschließende Punktwachstum. Um die räumliche Verteilung der Temperatur und ihre zeitliche Entwicklung in der Schweißzone während des Ultraschallschweißprozesses besser zu verstehen, wurde das thermische Problem numerisch modelliert. Zur Verifizierung der mathematischen Modelle wurden die berechneten Zeitverläufe der Temperatur im Schweißpunktzentrum mit den experimentell ermittelten Werten unter vergleichbaren Bedingungen gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass nach einer bestimmten Schweißzeit die Temperatur im Schweißzentrum plötzlich anstieg und das Polymer an der Schweißstelle überhitzt und die Zersetzung begann. Es wurde beobachtet, dass der Zeitverlauf der verbrauchten Leistungskurve durch das Schweißgerät einem ähnlichen Muster folgte, wie der Zeitverlauf der Temperatur in der Schweißpunktmitte. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Steuerungssystem entwickelt. Die zeitliche Ableitung der Schweißleistung wurde in Echtzeit überwacht. Sobald ein kritischer Wert überschritten wurde, wurde die Ultraschallschwingungsamplitude aktiv durch einen Mikrocontroller eingestellt. Bei diesem Ansatz wurde die Temperatur im Schweißpunkt indirekt gesteuert, um während der gesamten Schweißdauer in einem optimalen Bereich zu bleiben. Die Ergebnisse des gesteuerten Schweißprozesses wurden mittels Temperaturmessungen und Computertomographie bewertet. Aus der Studie wurde der Schluss gezogen, dass das leistungsgesteuerte Ultraschall-Punktschweißverfahren eine effiziente und stabile Methode zum automatischen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Teilen ist.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix / The ultrasonic spot welding of fibre-reinforced thermoplastic composites has recently received strong interest among researchers mainly in the fields of aerospace and automotive industries. It offers an efficient solution to join large thermoplastic composite parts through the spot welding approach with a high level of automation. In this study, a new technique for focusing the ultrasonic vibration energy at the desired spot between two mating thermoplastic composite laminates was investigated. In this method, no additional energy directing protrusions between the weldments were required to focus the vibration energy. It was found that by welding the laminates amid an ultrasonic sonotrode and an anvil in which the prior had a larger contact surface with the laminate as the latter, it was possible to generate a localised frictional heating. In the initial phase of the welding, the frictional heating softened the interfacial layers and thus caused the focusing of the strain energy in the weld spot centre. The assumption for the presence of the friction and its influence on the heat generation was investigated by means of finite element method analysis. Microscopic analysis of the weld spot delivered the proof for the melt initiation at a ring around the weld spot and subsequent inwards growth of the weld spot. In order to gain a better understanding of the temperature spatial distribution and its temporal development in the weld zone during the ultrasonic welding process, the thermal problem was analysed using the explicit finite difference method. The mathematical model was verified through a comparison between the calculated temperature curves and the experimentally obtained counterparts. It was found that after a certain weld duration the temperature in the weld centre underwent a sudden increase and caused the overheating and decomposition of the polymer in the weld spot. It was observed that the time trace of the consumed power curve by the welder followed a similar pattern as the time trace of the temperature in the weld spot centre. Based on this observation, a control system was developed accordingly. The time derivative of the weld power was monitored in real time and as soon as it exceeded a critical value, the ultrasonic vibration amplitude was actively adjusted through a microcontroller. In this approach, the temperature in the weld spot was indirectly controlled to remain within an adequate range throughout the welding duration. The results of the controlled welding process were evaluated by means of temperature measurements and computed tomography scans. It was concluded from the study that the power-controlled differential ultrasonic spot welding process could be an efficient method to fusion bond the fibre-reinforced thermoplastic parts in an automated manner.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix

Leichtbau zählt als eines der Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts, um sowohl die Mobilitätsfragen von morgen zu beantworten als auch die klima- und energiepolitischen Ziele zu erreichen. Ein wesentlicher Fokus wird dabei auf Multi-Material-Systeme gelegt. Insbesondere die Kombination von faserverstärkten Kunststoffen und metallischen Legierungen zu sog. hybriden Laminaten zeigt ein hohes Substitutions- und Leichtbaupotential gegenüber klassischen monolithischen Konstruktionswerkstoffen. Vorrangig werden derartige hybride Schichtverbunde mit einer duroplastischen Matrix hergestellt, wodurch allerdings Restriktionen, bspw. gegenüber Produktivität, Recycling- und Lagerfähigkeit, resultieren. Eine besondere Alternative dazu bieten hybride Laminate auf Thermoplastbasis. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die am Bundesexzellenzcluster MERGE entwickelten neuartigen thermoplastbasierten Schichtverbunde Carbon Fibre-Reinforced Polyamid/Aluminium Laminate (CAPAAL®) und Carbon Fibre-Reinforced Thermoplastic Polyurethane/Aluminium Laminate (CATPUAL) erforscht und im optimierten variothermen Pressprozess hergestellt. Um die Werkstoffverbunde über die Grundlagenforschung hinaus, etwa in der industriellen Nutzung, zu etablieren, wurden umfangreiche Charakterisierungen und Fertigungsstudien durchgeführt. Zum einen erfolgten mikrostrukturell-analytische Untersuchungen u. a. zu der Imprägniergüte, der Oberflächenbehandlung der Aluminiumlegierung und des Versagensverhaltens. Zum anderen fanden mechanisch-technologische Charakterisierungen bezüglich quasi-statischer Versuche unter Zug- und Biegebelastung sowie Ermüdungsversuche unter Biegebelastung im Niedrig-Frequenzbereich statt. Die quasi-statischen Untersuchungen der Subkomponenten (Aluminiumlegierung, Verbundwerkstoff) und der hybriden Laminate wurden sowohl unter Raumtemperatur als auch unter definierten Temperaturbelastungen und Konditionierungszuständen durchgeführt, um deren Sensitivität zu analysieren sowie zu bewerten. Ebenfalls erfolgten analytische Berechnungen zur Auslegung der hybriden Schichtverbunde basierend auf der klassischen Laminattheorie und der Mischungsregel unter Einbeziehung des Metallvolumengehalts. Darüber hinaus wurden die thermisch induzierten Eigenspannungen analytisch ermittelt und in die Berechnungen der quasi-statischen Kennwerte inkludiert. Anhand der Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass CAPAAL® und CATPUAL als „maßgeschneiderte“ Halbzeuge oder Strukturbauteile mit einem hohen Leichtbaupotential für großseriennahe Anwendungen prädestiniert sind. Diese weisen in Abhängigkeit der medialen Belastungen eine höhere Performance und ein weniger katastrophales Versagensverhalten als die entsprechenden Faser-Kunststoff-Verbunde auf. Zudem wurde konstatiert, dass eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit unter Biegebelastung vorliegt. Die theoretischen Vorhersagen weisen vor allem über den Ansatz der Mischungsregel eine gute Korrelation zu den experimentell ermittelten Kennwerten auf.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Materialien und experimentelle Untersuchungen 4 Versuchsergebnisse und Diskussion 5 Bewertung der erzielten Ergebnisse 6 Ausgewählte Leichtbaulösungen 7 Zusammenfassung und Ausblick / Lightweight construction is considered one of the future technologies of the 21st century, both to answer tomorrow's mobility questions and to achieve climate and energy policy goals. A major focus is placed on multi-material systems. In particular, the combination of fibre-reinforced plastics and metal alloys to form so-called hybrid laminates shows a high substitution and lightweight construction potential compared to classic monolithic construction materials. Such hybrid laminates are primarily produced with a thermoset matrix, which results in restrictions, e. g. with regard to productivity, recyclability and storability. Hybrid laminates based on thermoplastics offer a special alternative. In the context of this work, the novel thermoplastic-based laminates Carbon Fibre-Reinforced Polyamid/Aluminium Laminate (CAPAAL®) and Carbon Fibre-Reinforced Thermoplastic Polyurethane/Aluminium Laminate (CATPUAL) were researched and produced in an optimised vario-heat pressing process. In order to establish the material composites beyond basic research, for example in industrial use, extensive characterization and manufacturing studies were carried out. On the one hand, microstructural-analytical characterisations were conducted, for example, on the impregnation quality, the surface treatment of the aluminium alloy and the failure behaviour. On the other hand, mechanical-technological investigations were carried out with regard to quasi-static tests under tensile and bending load as well as fatigue tests under bending load in the low-frequency range. The quasi-static tests of the subcomponents (aluminium alloy, composite material) and hybrid laminates were carried out both at room temperature and under defined temperature loads and conditioning conditions in order to analyse and evaluate their sensitivity. Analytical calculations for the design of the hybrid laminates based on the classical laminate theory and the rule of mixtures including the metal volume content were also considered. Furthermore, the thermally induced residual stresses were determined analytically and included in the calculations of the quasi-static characteristic values. Based on the investigations, it was possible to prove that CAPAAL® and CATPUAL are predestined as 'tailor-made' semi-finished products or structural components with a high lightweight construction potential for applications close to large-scale production. Depending on the medial loads, these exhibit higher performance and less catastrophic failure behaviour than the corresponding fibre-plastic composites. In addition, it was stated that there is an excellent fatigue strength under bending load. The theoretical predictions show a good correlation to the experimentally determined characteristic values, especially via the rule of mixtures approach.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Materialien und experimentelle Untersuchungen 4 Versuchsergebnisse und Diskussion 5 Bewertung der erzielten Ergebnisse 6 Ausgewählte Leichtbaulösungen 7 Zusammenfassung und Ausblick