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

Weiler, Thomas; Brecher, Christian; Hopmann, Christian

doi:38410

Thermal skin effect in laser-assisted tape placement of thermoplastic composites = Thermischer Skineffekt beim Laserunterstützten Tapelegen von thermoplastischen Faserverbundkunststoffen

Weiler, Thomas^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeThomas Weiler

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (X, 203 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-739-9

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 25/2019

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-05-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06638
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/764139/files/764139.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
heat transfer (frei) ; high speed (frei) ; laser (frei) ; tape (frei) ; thermoplastic (frei) ; through-thickness (frei) ; transient (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The thesis at hand presents thermal models to predict the temperature development in laser-assisted thermoplastic tape placement processes. A focus is placed on the time-dependent through-thickness temperature distribution at increased speeds. The thermal models make it possible to obtain the:1) melt pool depth,2) melt dwell time and length, 3) bond interface cooling rate and 4) through-thickness elastic modulus within the tape and substrate at various process speeds. The formerly predicted development of a thermal skin layer at high speeds is described quantitatively. An analysis of the known bonding mechanisms reveals that the thermal skin effect will at some point inevitably begin to influence the weld strength, by affecting the macroscopic draping, the intimate surface contact development and autohesion. Experiments with a novel test setup are presented, which enable the consolidation at defined temperature gradients and defined tape speeds. The setup was used for an initial investigation on the general effect of temperature gradients at a consolidation speed of 1 m/s. Two conflicting positive effects of high gradients were observed: On the one hand, the backside of the tape stays solid (not molten), remaining flat and smooth, which is expected to be beneficial for subsequent laydowns and for the silicon roller. On the other hand, the high gradients inhibit the melt flow and malleability of the tape, due to a more narrow melt pool and higher stiffness: Surface steps of 60 µm were thick enough to prevent the filling of a 2 mm-wide area at the edge of the step change. This will have a significant influence on the mechanical properties of the final part.In order to control the thermal state within the tape - independently from the process speed - several irradiation strategies are investigated and compared on their usefulness and feasibility to be applied in tape placement systems. Maximization of the surface temperature was found to be easy to implement, but also limited, because the degradation temperature of the respective polymer sets a barrier. Changing the irradiation distribution promises the most benefits and widest field to control T(z,t), but is expected to be more difficult to realize with state-of-the-art laser system technologies and todays (not inverse) heat transfer simulation tools. The most feasible strategy was found to be adaptive irradiation lengths, either created e.g. by VCSEL or by electromechanical zoom homogenizers. The correlation between irradiation length, laser power, surface temperature and thermal penetration is described by use of the analytical solutions. Optimization potentials for the laser technologies are presented. Finally, a novel optimization strategy for laser-assisted tape placement processes is derived with the goal of adjusting the melt dwell time relative to the available pressuring time of the respective consolidation roller, by changing the laser irradiation length properly.

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