Promotoren: prof.dr.ir. Joris Degrieck, prof.dr.ir. Wim Van Paepegem Begeleider: dr.ir. Ives De Baere

Haalbaarheidsstudie van Fusion Bonding van vezelversterkte thermoplasten Steven Derycke

Promotoren: prof.dr.ir. Joris Degrieck, prof.dr.ir. Wim Van Paepegem Begeleider: dr.ir. Ives De Baere Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur

Vakgroep Mechanische constructie en productie Voorzitter: prof.dr.ir. Joris Degrieck Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008

Haalbaarheidsstudie van Fusion Bonding van vezelversterkte thermoplasten Steven Derycke



You never walk alone Het maken van een scriptie is geen gemakkelijke opdracht. Het vraagt immers veel tijd, inzet en doorzettingsvermogen. Dit mag wel, aangezien het niet enkel naar de buitenwereld toe, maar ook voor de eigen persoon de eerste, echte test is om uit te maken of je de titel ‘ingenieur’ waardig bent. Gelukkig sta je er op de moeilijke momenten niet alleen voor. Dat is ook de bedoeling niet van een scriptie. Zelfs de knapste student zal ooit geconfronteerd worden met een probleem waar hij geen antwoord op heeft. In dat geval ga je best naar iemand die meer expertise heeft, want een ingenieur kan nu eenmaal niet van alles op de hoogte zijn.

Ik zou hieromtrent alvast volgende personen willen bedanken voor hun bijdrage: Dr.ir. Ives De Baere voor de uitstekende begeleiding en helpende hand bij het uitvoeren van de talrijke proeven en simulaties. Prof.dr.ir. Wim Van Paepegem en Prof.dr.ir. Joris Degrieck voor hun ondersteuning en hints die mijn onderzoek vooruit hielpen, alsook de kans om dit onderzoek te kunnen doen. Luc van den Broecke om mij van dan tot dan met hamer en boor bij te staan. Chris Bonne voor het debuggen van mijn lasapparaat. Gert Keuterickx voor het uittrekken van tijd en beschikbaar stellen van de nodige apparatuur voor het infraroodlassen. Geert Luyckx voor de helpende hand bij het microscopisch onderzoek. Kenny Van Heuverswijn voor het uitvoeren van het ultrasoon onderzoek.

Tenslotte wens ik ook familie, vrienden, medestudenten en mijn vriendin te bedanken voor hun blijvende steun gedurende de laatste maanden en jaren.

Toelating tot bruikleen

De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.

Datum

handtekening

Haalbaarheidsstudie van Fusion Bonding van vezelversterkte thermoplasten door Steven Derycke



Samenvatting

In deze studie is het de bedoeling om na te gaan in welke mate het mogelijk is om vezelversterkte thermoplasten te verbinden door middel van lassen. Hierbij worden in het bijzonder de haalbaarheid van spiegellassen en infraroodlassen onderzocht. Als proefmateriaal wordt gekozen voor CETEX RTL, een product van de firma Ten Cate. Voor het uitvoeren van het spiegellassen wordt eerst een nieuws lasapparaat ontworpen en geconstrueerd. Wegens de hoge prijs van infraroodlampen worden de proeven voor het infraroodlassen uitgevoerd bij de firma Weisstechnik. Het overgrote deel van het experimentele luik van deze thesis bestaat uit de optimalisatie van het spiegellassen voor CETEX RTL. Daarnaast worden ook een aantal verbindingen gemaakt via infraroodlassen, alsook een aantal adhesieve verbindingen, die zullen dienen als referentie. Om de lassen te testen wordt gebruikt gemaakt van de driepuntsbuigproef en de lap shear proef. De driepuntsbuigproef wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het optimaliseren, terwijl de lap shear eerder dient als instrument voor het onderzoeken van de kwaliteit en breukmode van de lassen. Naast het experimenteel gedeelte is er ook een deel simulatie voorzien. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het FEM-programma ABAQUS. Deze simulaties dienen vooral om de experimentele gegevens te controleren op hun correctheid, alsook om de spanningsverdelingen in de lassen en de kritieke punten te bepalen. De thesis wordt afgesloten met een aantal suggesties naar later onderzoek toe voor problemen die tijdens het onderzoek naar voren zijn getreden.

Feasibility study of Fusion Bonding of fibrereinforced composites Steven Derycke Supervisor: Ives De Baere, Promotors: Wim Van Paepegem, Joris Degrieck Abstract When designing with fibre-reinforced thermoplastics, a frequent problem is the making of joints. To date, adhesive bonding is the most preferred method to join composite parts together. However, for some materials such as fibre-reinforced thermoplastics this kind of bonding is not even an option due to their chemical inertness. A possible solution to this problem is fusion bonding. This can be realized through several techniques, such as hot-tool welding, resistance welding, induction welding... Most of these methods have already been studied very thoroughly for plastics, but not for composites. In this study, the possible applications of some of these methods are explored. First, a hot-tool welding apparatus will be constructed. With this device, test joints are made and tested with the intention of optimising this particular method. Next, these results will be compared to joints made through infrared welding. To study the behaviour of these joints in detail, a couple of simulations will be run.

The chosen material to achieve the goals of this study is a carbon-fibre reinforced thermoplastic, namely PPS. This composite is provided by the company Ten Cate [3]. II. WELDING PROCESSES Possible ways of fusion bonding, which are discussed in this study are infrared welding and hot-tool welding, also known as hot-plate welding. A. Hot-tool welding The principle of this technique is very simple. The parts that have to be joined are pressed against a hot element, until the material at the surface of the parts melts. Then, the welding device is removed and the parts are pressed together until a stable bond is realized (see Figure 2).

Results show that fusion bonding is an excellent solution for joining fibre-reinforced thermoplastics. Keywords

fibre-reinforced thermoplastics, fusion bonding

I. INTRODUCTION The use of composites has increased rapidly over the last few years. However, joining these materials is not a simple task. The most popular method today is adhesive bonding. The use of adhesives, however, also has a downside, since they have a low tensile strength and a poor resistance to heat, ageing and corrosion [1]. For some thermoplastic composites, adhesive bonding is not even an option because of their high chemical inertness. However, for these materials, there’s another possibility, namely fusion bonding. Fusion bonding is a general name and applies to all welding techniques, where the joint is realized through consecutive heating and pressing the parts together when the material at the surface has melted. Today, a number of these methods are already used for commercial applications. Parts of airplanes like the Airbus A380 and Boeing 787 Dreamliner (see Figure 1) are joined together with fusion bonding [2]. For dynamically loaded parts, however, these methods are still considered as too unreliable. In such a case, the weld will usually be reinforced by mechanical joints.

Figure 1 Boeing 787 Dreamliner.

Figure 2 Hot-tool welding [4].

B. Infrared welding This process is very similar to hot-tool welding. The only difference is found in the heating method: infrared lights are used to heat and melt the surface material (see Figure 3) instead of a hot element.

Figure 3 Infrared welding [4].

III. WELDING APPARATUS Until now, hot-tool welding has not been applied on CETEX RTL. An important part of this study will consist of optimising this method for the chosen material. For this purpose, a welding device is designed and constructed. Normally, such a device (see Figure 4) contains two main parts: a heating element and a control unit. For simple applications, the heating element is no more than a plate with a build-in resistor. The Joule-heat generated by this resistor is used to melt the material.

12 10 8 6 4 2 0 - 0,2

Figure 4 Hot-tool device used in this study.

The other element of the device, the control unit, is responsible for regulation of the temperature at the outer surface of the heating element. The regulation can be done by on/off-control, PID-control, auto-tuning ... These methods, however, require feedback of the temperature of the outer surface. For this reason, a thermocouple is connected to the heating element to measure the temperature. IV. OPTIMIZING HOT-TOOL WELDING A. Parameters Temperature, pressure and time are the most important parameters for the success of the process. The first stage of the experiments therefore consists of determining the optimal values for these variables. In a later stage, the influence of other parameters such as different orientation and adding extra PPS will be studied. To find the optimal conditions for the welding method, several series of tests are conducted. In each series, only one parameter is varied, while the others are kept constant. B. Test methods In this study, two test methods are used, namely the short three-point bend test and the lap shear test. The first one is used for optimizing the process. With the acquired data, the short beam strength of the weld can be calculated as: F (1) Fsbs = 0.75 max

-2 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

d i sp l a c e m e n t ( m m )

Figure 5 Shear stress - displacementdiagram of a lap shear test

V.

INFRARED WELDS AND ADHESIVE JOINTS

For comparison purposes, a couple of infrared welds and adhesive joints were also made and tested. The best infrared welds have a short beam strength of 50 MPa and a lap shear strength of 7 Mpa. The corresponding values for adhesive joints are 35 MPa and 6 MPa. VI. SIMULATIONS The results derived from the three-point bend tests and the lap shear tests is very limited, since the calculated values only give information about the strength and the behaviour of the test specimens as a unit. For this reason, a couple of simulations are run to study the occurring stress fields in detail (see Figure 6). By studying the occurring loading conditions, more information can be gathered on for instance what the dominant crack growth mode is.

b×d

This value is an indication of the strength of the weld. For each individual series of tests, the weld with the highest value provides the optimal value for the studied parameter. The optimal welding conditions are listed in Table 1.

Figure 6 S11-stressdistribution of a perfect weld

Table 1 Optimal welding conditions Welding temperature Welding time Pressure during heating Pressure during consolidation Consolidation time

325 °C 15 s 1 MPa 3,5 MPa 4 mins

The best welds have a short beam strength of approximately 52 MPa. Then, a series of welds, made under optimal conditions, is examined with the lap shear test since these testing conditions are more closely related to real life joints. The lap shear strength, as well as the stress-displacement diagram (see Figure 5) can be identified. The latter is important for determination of the crack growth of the weld. The lap shear strength is calculated as: τ (2) L = ss

b×l

Under optimal conditions, the lap shear strength is 10 MPa. The true value of Lss , however, is greater since the bearing surface reduces due to crack growth.

VII. CONCLUSIONS Hot-tool welding provides the best solution in case of joining fibre-reinforced composites. These welds perform excellent when subjected to bending or shear. Infrared welds also perform very well in bending, but score poorly when subjected to shear stresses. Adhesives on the other hand give bad results in bending, but they can compete with hot-tool welds in case of shear. REFERENCES [1] [2]

[3] [4]

A. D’Hooghe, course Construction techniques, Ghent university, 20072008. M.J. van Wijngaarden, Welding technologies for a generic fiber reinforced thermoplastic assembly, Kok & Van Engelen Composite structures Ten Cate, www.tencate.com, Almelo, Netherlands. Ali Yousefpour, Mehdi Hojjati and Jean-Pierre Immarigeon, Fusion bonding/Welding of Thermoplastic Composites, 2004, edition 17, p.303-341

Inhoudstafel Hoofdstuk 1 : Inhoud en doelstellingen

1

Hoofdstuk 2 : Literatuurstudie

3

2.1 Inleiding

3

2.2 Vezelversterkte thermoplasten

4

2.2.1 PPS

4

2.2.2 Koolstofvezel

5

2.2.3 CETEX RTL

8

2.3 Composietverbindingen 2.3.1 Adhesieve verbindingen 2.3.2 Fusion bonding

9 9 10

2.3.2.1 Weerstandslassen

10

2.3.2.2 Inductielassen

12

2.3.2.3 Ultrasoonlassen

13

2.3.2.4 Laserlassen

14

2.3.2.5 Infraroodlassen

15

2.3.2.6 Spiegellassen

17

2.4 Testmethodes

20

2.4.1 Korte driepuntsbuigproef

20

2.4.2 Lap shear proef

22

Hoofdstuk 3: Spiegellassen en technologie

24

3.1 Inleiding

24

3.2 Ontwerpsvoorstellen

25

3.2.1 Hot tool versie 1.0

25


27

3.3 Functionele eisen

28

3.4 Uitwerking ontwerp

30

3.4.1 Samenbouw

30

3.4.1.1 Verwarmingselement

30

3.4.1.2 Controle-element

32

3.4.2 Werking 3.4.2.1 Warmteoverdracht

34 34

3.4.2.2 Controlemechanismen 3.5 Componentenkeuze

36 40

3.5.1 Verwarmingsweerstand

40

3.5.2 Temperatuurcontroller

40

3.6 Calibratie

42

3.7 Variaties op het ontwerp

44

Hoofdstuk 4: Lassen in de praktijk

47

4.1 Inleiding

47

4.2 Spiegellassen

48

4.2.1 Lasopstelling

48

4.2.2 Lasparameters

52

4.2.2.1 Temperatuur

52

4.2.2.2 Druk

52

4.2.2.3 Tijd

53

4.2.2.4 Secundaire parameters

54

4.2.3 Destructief onderzoek

55

4.2.4 Referentie

57

4.2.5 Resultaten met behulp van driepuntsbuigproef

58

4.2.5.1 Temperatuur

58

4.2.5.2 Druk

60

4.2.5.3 Tijd

64

4.2.5.4 Secundaire parameters

66

4.2.6 Reproduceerbaarheid

69

4.2.7 Resultaten met behulp van lap shear proef

70

4.3 Infraroodlassen

74

4.3.1 Lasopstelling

74


75


77

4.4 Adhesieve verbindingen

79


79


80

4.5 Niet-destructief onderzoek

81

4.5.1 Microscopisch onderzoek

81

4.5.2 Ultrasoon onderzoek

85

4.6 Conclusies

86

Hoofdstuk 5: Simuleren in ABAQUS

87

5.1 Inleiding

87

5.2 Simulatie van de driepuntsbuigproef voor 2 losse plaatjes

88

5.2.1 Geometrie

88

5.2.2 Interactie tussen de onderdelen

90

5.2.3 Toekennen van body constraints

90

5.2.4 Meshen van de onderdelen

91

5.2.5 Uitvoeren van de simulatie

91

5.3 Simulatie van de driepuntsbuigproef voor een perfecte las

94

5.3.1 Geometrie

94

5.3.2 Interacties, body contraints en meshen

95

5.3.3 Uitvoeren van de simulatie

95

Hoofdstuk 6: Verdere stappen

97

6.1 Inleiding

97

6.2 Coating van het lastoestel tegen kleven

98

6.3 Infraroodlassen op grotere schaal

99

6.4 Lassen met een getand of gegolfd profiel

100

6.5 Simulatie in ABAQUS met behulp van cohesive elements

101

Appendix A: Ontwerp lasapparaat

102

Appendix B: Offertes

114

Appendix C: Normen

119

Referenties

124

Inhoud en doelstellingen

Hoofdstuk 1 : Inhoud en doelstelling

Het gebruik van composieten in de industrie is de laatste jaren sterk toegenomen, vooral het gebruik van vezelversterkte kunststoffen. Door de combinatie van laag gewicht en hoge mechanische

sterkte

zijn

zij

een

waardig

alternatief

voor

metalen

en

andere

constructiematerialen. Er zijn echter nog heel wat problemen omtrent composieten die een echte doorbraak in de weg staan. De grootste uitdaging is het verbinden van composietonderdelen. De methode bij uitstek vandaag zijn lijmverbindingen, omdat deze snel en eenvoudig zijn aan te brengen. Qua sterkte scoren ze natuurlijk ondermaats, wat vooral te wijten is aan de polymerische aard van lijmen. Mechanische verbindingen zijn op dit vlak veel beter, maar brengen dan weer andere nadelen met zich mee. De voorbereiding (gaten boren, …) vraagt meer tijd en zal bovendien de structuur van het composiet aantasten. Dit gaat dan evident gepaard met een lagere sterkte. Het doel van deze thesis bestaat er nu in om een andere piste te bestuderen, namelijk de lasverbindingen. Vandaag wordt al veel onderzoek verricht naar verschillende methodes;

1

Inhoud en doelstellingen

sommige daarvan worden ook al in de praktijk toegepast, veelal echter voor onderdelen die statisch belast worden. Voor dynamische belastingen worden die echter nog vaak gecombineerd met mechanische verbindingen, omdat men nog niet genoeg vertrouwen heeft in lasverbindingen in dergelijke omstandigheden. In het volgende hoofdstuk wordt eerst een overzicht gegeven van de verschillende lasmethodes. Ieder van deze processen heeft zijn eigen voor- en nadelen. Daarnaast wordt ook informatie verschaft over het gebruikte composiet, aangezien de mechanische en chemische eigenschappen sterk bepalend zijn voor het slagen van het toegepaste lasproces. Spiegellassen is één van vele processen en relatief eenvoudig van aard, maar er is nog weinig onderzoek naar verricht. Een belangrijk deel van deze thesis bestaat er dan ook in om dit proces te optimaliseren voor het gekozen materiaal. Om dit te kunnen verwezenlijken zal er eerst een lasapparaat ontwikkeld worden. Het ontwerp en de uitvoering hiervan wordt besproken in Hoofdstuk 3. De kern van het onderzoek is terug te vinden in Hoofdstuk 4. Om het spiegellassen op punt te stellen zullen vele proeven verricht worden. Dit verloopt in verschillende fases. In de eerste fase worden de parameters van het proces vastgelegd en onderzocht. De lassen die hieruit resulteren worden dan beproefd via een driepuntsbuigproef om de sterkte van de las te bepalen. Zo kan achterhaald worden welke parameters de beste lassen opleveren. In de volgende fase worden een aantal optimale lassen gemaakt, die vervolgens getest worden via een lap shear proef. Zo verkrijgt men het spanning-rekdiagram van de gelaste stukken en kan ook de breukmode van de lassen onderzocht worden. Naast spiegellassen wordt ook het infraroodlassen toegepast om de proefstukken te verbinden. Ook deze worden getest via de driepuntsbuigproef en de lap shear proef en achteraf vergeleken met de voorgaande resultaten. Een aantal van de lassen worden ook onderworpen aan niet-destructief onderzoek. Dit gebeurt door middel van microscopisch onderzoek en ultrasoon onderzoek. Zo kan bekeken worden hoe de structuur van de laszone is opgebouwd en in welke gevallen men kan spreken van een goede las. In Hoofdstuk 5 komt ook een deel modellering aan bod. Hierin wordt de driepuntsbuigproef gesimuleerd voor een aantal gevallen en vergeleken met experimentele resultaten. Het onderzoek zal uiteraard niet bij deze thesis blijven. In de volgende jaren zal hier ongetwijfeld op verder gebouwd worden. Daarom worden in Hoofdstuk 6 nog een aantal zaken aangehaald die hiervoor zinvol kunnen zijn.

2

Literatuurstudie

Hoofdstuk 2 : Literatuurstudie

2.1 Inleiding Sinds de ontdekking van bakeliet in 1908 door Leo Bakelandt [1] zijn kunststoffen en composieten meer en meer ons leven gaan bepalen. Er bestaat bijna geen enkel product meer waar kunststof niet bij gebruikt wordt. Waar het vroeger vooral bedoeld was voor het esthetische, worden deze materialen vandaag de dag meer en meer gebruikt voor dynamisch

belaste

onderdelen.

Vanuit

mechanisch

oogpunt

zijn

kunststoffen

en

composieten beter verantwoord. Zij combineren licht gewicht met voldoende sterkte, eigenschappen die in de maatschappij van vandaag, waar men zoveel mogelijk energie tracht te besparen, zeer goed van pas komen. Vandaag is het onderzoek naar en het gebruik van deze materialen al heel ver gevorderd, maar er zijn nog heel wat hinderpalen die overwonnen moeten worden. Eén van de grote problemen vandaag is het verbinden van composieten onderling, maar ook met andere stoffen. In dit hoofdstuk wordt dieper ingegaan op het gebruikte composietmateriaal en de processen die vandaag toegepast worden om kunststoffen en composieten met elkaar te verbinden. Daarnaast komen ook een aantal methodes om composietverbindingen te testen op hun kwaliteit.

3

Literatuurstudie

2.2 Vezelversterkte thermoplasten Kunststoffen zijn algemeen in te delen in 2 groepen: thermoharders en thermoplasten [2]. Beide

soorten

worden

vandaag

gebruikt

als

matrix

voor

composietmaterialen.

Thermoharders vertonen echter een groot nadeel t.o.v. thermoplasten: eens uitgehard kunnen ze niet terug in een gesmolten toestand gebracht worden. Daardoor is het onmogelijk om composieten op basis van thermoharders aan elkaar te lassen. Als men thermoplasten gebruikt als matrix voor composieten heeft men dit probleem niet. Het materiaal gebruikt in deze thesis is CETEX RTL, een product van de firma Ten Cate [3]. CETEX RTL bestaat uit polyfenyleensulfide, versterkt met behulp van koolstofvezels. Vooraleer een blik te werpen op dit materiaal worden eerst de componenten afzonderlijk besproken.

2.2.1 PPS Polyfenyleensulfide (zie Figuur 1) is een polymeer, bestaande uit een aaneenschakeling aromatische fenyleenringen en sulfides.

Figuur 1 PPS-keten.

Voor de productie van PPS vertrekt men meestal van p-dichloorbenzeen, dat men laat reageren met een sulfide volgens vergelijking (2.1)

ClC 6 H 4 Cl + Na 2 S →

1 [C 6 H 4 S ]n + 2 NaCl n

(2.1)

De zeer stabiele chemische bindingen van de moleculaire structuur zorgen voor een zeer hoge graad van moleculaire stabiliteit inzake thermische degradatie en chemische reactiviteit. De moleculaire structuur is bovendien verpakt in een symmetrische, kristallijne 3D-structuur, die tevens bijdraagt tot het verhogen van de thermische stabiliteit. PPS is een semi-kristallijn polymeer met een glastemperatuur van 90 °C en een smeltpunt van ongeveer 290 °C. Wegens de moleculaire structuur heeft PPS de neiging om te verkolen

4

Literatuurstudie

bij verbranding, waardoor het dus ook brandvertragend werkt. PPS is tevens onoplosbaar in ieder

oplosmiddel

beneden

een

temperatuur

van

ongeveer

200

°C.

Wanneer PPS vermengd wordt met koolstofvezels of andere versterkers, kan een grote variëteit aan composieten geproduceerd worden met een unieke combinatie aan eigenschappen zoals: •

thermische stabiliteit zowel op korte als lange termijn

•

hoge elasticiteitsmodulus en kruipweerstand

•

hoge weerstand tegen vele chemische agressieve producten

•

de mogelijkheid tot productie van precisiemallen voor hoge toleranties met hoge reproduceerbaarheid

•

niet-ontvlambaar zonder toevoeging van brandvertragende additieven

•

behoud

van

diëlektrische

en

isolerende

eigenschappen

in

verschillende

omstandigheden Voor meer informatie over PPS wordt verwezen naar [4].

2.2.2 Koolstofvezel Koolstof kan zowel in amorfe of kristallijne vorm voorkomen. Bij atmosferische druk en kamertemperatuur is koolstof niet smeltbaar. Dit is pas mogelijk vanaf een temperatuur van 4500 °C en dit onder een druk van 100 bar. Voor de productie van koolstofvezels vertrekt men normaal gezien van een organische startvezel of precursor. Als precursor gebruikt men meestal polyacrylnitrile (PAN). Alle nietkoolstofelementen worden dan door middel van carbonisatie verwijderd. Eens het C-gehalte van de precursor hoger is dan 93% spreekt men van koolstofvezel. Het volledige proces is beschreven in Figuur 2.

5

Literatuurstudie

Figuur 2 Productie van koolstofvezels.

Voor

meer

informatie

over

dit

proces

wordt

verwezen

naar

[5].

Koolstofvezels op basis van PAN hebben een grote elasticiteitsmodulus en sterkte dankzij een moleculaire oriëntering, evenwijdig met de lengteas, die reeds gedeeltelijk aanwezig is in de structuur van de precursor. De koolstofvezels worden na productie nabehandeld om een zo goed mogelijke hechting te krijgen tussen matrix en vezel. Mogelijke opties hiervoor zijn een lichte oxidatie van het oppervlak of het aanbrengen van een lichte deklaag. Ieder bedrijf heeft zo zijn eigen methode, maar meestal is dit nog een goed bewaard geheim. Afhankelijk van het type koolstofvezel, krijgen we volgende eigenschappen (zie Tabel 1):

Tabel 1 Eigenschappen van verschillende koolstofvezels.

HS

HM

UHM

ρ (kg/m3)

1750

1900

1950

E (GPa)

200-250

340-400

400-500

2000-2750

1700-2500

1700-2100

-0.6

-1

-1.5

σmax (MPa) α (10-6/K)

6

Literatuurstudie

Van deze koolstofvezels worden dan bundels gemaakt, die op hun beurt gebruikt worden voor het maken van weefsels. In het algemeen zijn er 3 basismethodes van weven, namelijk de plain weave, de twill weave en de satin weave (zie Figuur 3).

Figuur 3 Verschillende methodes van weven.

De keuze van het weefpatroon is heel belangrijk voor de mechanische eigenschappen van het composietmateriaal [6]. Het materiaal dat voor deze scriptie gebruikt wordt is gemaakt volgens het 5 Harness Satin weave. Deze weefsels worden gekenmerkt door een grote rek en ze bieden bovendien de grootste weerstand tegen scheuren.

7

Literatuurstudie

2.2.3 CETEX RTL CETEX RTL wordt geproduceerd met behulp van thermo-pressing (zie Figuur 4). Voor deze methode vertrekt men van de zogenaamde semipregs: in het geval van CETEX RTL zijn dit koolstofweefsels die vooraf voorzien worden van een laag PPS. Die worden in lagen gestapeld tussen de verwarmde matrijzen van de pers. In dit geval worden 8 lagen semipreg op elkaar gedrukt. Door de warmte van de matrijzen smelt de stapeling samen tot één geheel.

Figuur 4 Thermo-pressing.

Om de platen uit de machine te halen, zal men de matrijzen voor het persen insmeren met lossingsmiddel. Zo vermijdt men dat de platen aan de matrijzen blijven kleven. De materiaaleigenschappen van CETEX RTL zijn weergegeven in Tabel 2.

Tabel 2 Eigenschappen van CETEX RTL.

E11

56000 MPa

E22

57000 MPa

E33

5000 MPa

ν12 = ν13 = ν23

0,023

G12 = G13 = G23

5130 MPa

8

Literatuurstudie

2.3 Composietverbindingen 2.3.1 Adhesieve verbindingen Lijmverbindingen zijn vandaag nog altijd het meest in trek voor samenvoegen van kunststoffen en/of composieten. Iedere verbinding heeft echter zo zijn voor- en nadelen. Pluspunten van lijmverbindingen zijn: •

De

verbinding

komt

tot

stand

zonder

beïnvloeding

van

vorm

of

materiaaleigenschappen (er moeten geen gaten worden geboord en er komt geen warmte aan te pas). •

Ongelijksoortige materialen kunnen met elkaar verbonden worden.

•

Zeer dunnen en kleine onderdelen kunnen aan elkaar verbonden worden.

•

Nabewerkingen zijn niet nodig.

De nadelen zijn vooral te wijten aan de lijmen zelf. Die zijn in meeste gevallen zelf polymeren, waardoor men met volgende zaken moet rekening houden: •

Lijmen hebben tijd nodig om uit te harden. Hierdoor is de verbinding niet meteen op volle sterkte.

•

De sterkte van de lijmverbinding is moeilijk vooraf te berekenen.

•

De kwaliteit van de verbinding is langs niet-destructieve weg moeilijk te controleren.

•

Als de eigenschappen van de te verbinden onderdelen niet op elkaar afgestemd zijn, kan dit leiden tot grote mechanische spanningen in de lijmverbinding.

•

Lijmen zijn veelal ontvlambaar en in zekere mate toxisch.

•

De meeste lijmen krimpen bij het uitharden, wat aanleiding kan geven tot het ontstaan van eigenspanningen of van krimpscheuren.

Voor meer informatie omtrend lijmverbindingen wordt verwezen naar [7].

9

Literatuurstudie

2.3.2 Fusion bonding Vandaag zal men voor het combineren van kunststoffen onderdelen echter vaak kiezen voor een lasproces. Al deze processen worden vaak samen genoemd onder de naam “fusion bonding”. Hierbij worden de oppervlakken verwarmd tot smelttemperatuur en vervolgens tegen elkaar gedrukt om een las te vormen. Over de jaren heen zijn vele vormen van “fusion bonding” ontwikkeld, ieder met haar eigen voor- en nadelen. Iedere manier verloopt zoals hoger beschreven. Ze onderscheiden zich van elkaar hoofdzakelijk door de manier van opwarming. In principe kunnen deze methodes ook gebruikt worden voor het lassen van composieten. Sommige van de processen die hier beschreven worden, worden nu al toegepast in de industrie. Andere nog niet, vaak omdat het proces nog niet volledig op punt staat voor composietmaterialen.

2.3.2.1 Weerstandslassen Van alle technieken die hier besproken worden, is het weerstandslassen het best gecommercialiseerd. Deze vorm van fusion bonding wordt vandaag al gebruikt voor de constructie van de fuselage van vliegtuigen, in het bijzonder de Airbus A380 en de Boeing 787 Dreamliner [8]. Het aanbrengen van een las via deze methode is relatief eenvoudig (zie Figuur 5).

Figuur 5 Weerstandslassen.

Tussen de onderdelen plaatst men een metalen rooster, dat onder spanning wordt geplaatst. Door gebruik te maken van Jouleverwarming warmt de rooster op tot de gewenste temperatuur. Tijdens het opwarmen worden de onderdelen tegen de rooster gedrukt, zodanig dat de warmteoverdracht maximaal is en het materiaal aan het oppervlak smelt. 10

Literatuurstudie

Eens dit gebeurt, drukt men het geheel samen zodat tussen de onderdelen een continue las ontstaat. De metalen rooster blijft dus vervat in de las. Tijdens dit proces kan men vele parameters laten variëren zoals tijd, druk en temperatuur. Daarnaast zal ook het profiel van het verwarmingselement van belang zijn. Gedurende de laatste jaren zijn al verschillende onderzoeken hier op verricht. Taylor en Beevers [9] zijn tot de vaststelling gekomen dat metalen roosters de warmteoverdracht wel verbeteren, maar het kan leiden tot nadelige effecten zoals concentatie van schuifspanningen en vermindering van de corrosieweerstand. Arias en al. [10] hebben een andere vorm van weerstandslassen uitgetest. In plaats van het element continu onder spanning te plaatsen, stuurden ze elektrische pulsen met groot vermogen naar de metalen rooster. De aldus aangebrachte lassen toonden grote sterkte, maar dit proces leidt ook tot een verlaging van de temperatuursuniformiteit in de las. Het grote voordeel van deze techniek ligt vooral in zijn eenvoud. De componenten die men nodig heeft zijn beperkt en simpel om te construeren. De lassen die men zo kan leggen tonen bovendien grote sterkte ten opzichte van bijvoorbeeld lijmverbindingen. Deze techniek heeft ook nog een ander voordeel. Wanneer men de elementen samenlast zal door het squeeze-effect (zie Figuur 6) een hoeveelheid van de thermoplastische matrix wegvloeien.

Figuur 6 Squeeze-effect.

Om dit verlies op te vangen zal men voor het opwarmen extra matrixmateriaal toevoegen. Dit wordt dan samen opgewarmd met de rest, wat veel eenvoudiger is dan het materiaal eerst apart op te warmen. Waar ligt dan het nadeel? In de eerste plaats in de lengte en breedte van de lassen. Het oppervlak van de las wordt beperkt door de wet van Ohm [11], zodat weerstandslassen enkel bruikbaar is voor lange, smalle lassen. Dit probleem kan wel opgelost worden door gebruik te maken van sequentiële lassen (lassen parallel naast elkaaar). Daarnaast is de aanwezigheid van de metalen mesh een groot probleem. De structuur van het composiet wordt veranderd, in het slechtste geval beschadigd. Dit treedt dan vooral op onder de vorm van splitting van vezelbundels en desoriëntatie van de vezels. De nieuwe structuur heeft ook een nadelig effect op de mechanische en elastische eigenschappen.

11

Literatuurstudie

2.3.2.2 Inductielassen In plaats van een metalen rooster, zoals bij weerstandslassen het geval is, gebruikt men hier een geladen spoel (zie Figuur 7).

Figuur 7 Inductielassen.

Afhankelijk van de aangelegde wisselspanning wordt een magnetisch veld geïnduceerd. Dit veld werkt in op het composietmateriaal door generatie van eddy currents (zie Figuur 8). Hierdoor warmen de onderdelen op, voornamelijk opnieuw onder de vorm van Jouleverwarming.

Figuur 8 Eddy currents.

De belangrijkste parameter hier is de frequentie van de spanning. Als de frequentie verhoogd wordt, bv. van 10 Hz tot 10 MHz, zullen de eddy currents zich vooral situeren ter hoogte van de grootste weerstand. In dit geval is de grootste weerstand te vinden in het contactoppervlak tussen de onderdelen. Zo worden enkel de te lassen zones beïnvloed en

12

Literatuurstudie

wordt geen schade toegebracht aan de interne structuur zoals bij vorige methode het geval is. Het succes van inductielassen is sterk afhankelijk van het ontwerp van de spoel. Deze creëert een niet-uniform veld en zal dus leiden tot een niet-uniforme opwarming. Dit is meteen ook het grootste nadeel van inductielassen. Bovendien lenen niet alle materialen zich goed voor dit proces. Wanneer het gebruikt wordt voor een composiet op basis van koolstofvezels, zal de warmtedissipatie veel groter zijn door de grote geleidbaarheid van koolstof. Deze methode is vooral geschikt voor het samenvoegen van lange, smalle onderdelen. Hier kan aan verholpen worden door gebruik te maken van sequentiële lassen. Inductielassen is vooral nuttig voor het aanbrengen van continue lassen, zoals bijvoorbeeld de vleugel van een vliegtuig, de schoep van een propellor, ….

2.3.2.3 Ultrasoonlassen Deze techniek wordt het meest gebruikt voor het lassen van zuivere thermoplasten en is dan vooral bedoeld voor onderdelen met esthetische of afschermende functie [9,12]. Bij deze methode worden de onderdelen ingeklemd tussen een aambeeld (anvil) en een ultrasoon trillende stift of sonotrode (zie Figuur 9).

Figuur 9 Ultrasoonlassen.

De sonotrode wordt door middel van een ultrasoongenerator aan het trillen gebracht. Tijdens bedrijf bedraagt de frequentie enkele duizenden hertz. Deze hoogfrequente trillingen worden dan doorgegeven aan de te lassen onderdelen. Door een combinatie van oppervlakte- en intermoleculaire frictie in het materiaal wordt warmte gegenereerd.

13

Literatuurstudie

De initiatie van de opwarming van het contactoppervlak gebeurt meestal ter hoogte van een vooraf aangebrachte energierichter (zie Figuur 10).

Figuur 10 Voorbeelden van energierichters.

Dit proces aanwenden voor het lassen van vezelversterkte thermoplasten is een volledig andere zaak. Dit komt vooral omdat het moeilijk is om energierichters aan te brengen op plaatvormige componenten. Bovendien kan er bij hoge oscillaties distortie van de vezels optreden [9]. Net als inductielassen leent het proces zich ook niet echt voor composieten op basis van koolstofvezel omwille van de grotere energiedissipatie.

2.3.2.4 Laserlassen Zoals de naam al aangeeft, wordt bij deze vorm van lassen een laserstraal gebruikt als warmtebron. Hoewel deze methode beter toepasbaar is op metalen, heeft het toch al zijn weg gevonden naar thermoplastische composieten. De meeste van deze toepassingen vindt men terug in de automobielindustrie. Het proces start met het samenvoegen van de onderdelen. Vervolgens loopt de laserstraal langs de verbindingslijn (zie Figuur 11), waar de matrix van het composiet gedeeltelijk verbrandt, maar voor het overgrote deel achterblijft in gesmolten toestand. De stukken worden dan samengedrukt zodat het materiaal in de laszone stolt en zo een las ontstaat.

Figuur 11 Laserlassen.

14

Literatuurstudie

Het al dan niet slagen van deze methode is sterk afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal, in het bijzonder de stralingsabsorptie en de warmtegeleidingcoëfficiënt. Die laatste is voor composieten meestal groter dan voor metalen, waardoor het materiaal veel sneller opwarmt en in het slechtste geval verbrandt. Om dit probleem te verhelpen kan men de laserstraal defocuseren of het te lassen oppervlak sneller bestralen. Laserlassen is een snel, schoon en contactloos procédé. Dit is echter niet voldoende om de nadelen te compenseren. Het grootste obstakel is te wijten aan het gedrag van thermoplasten bij verhoogde temperatuur. Metalen vertonen bij opwarmen achtereenvolgens een vaste, vloeibare en gasvormige toestand. Bij composieten daarentegen zal de matrix eerst verweken eens de glastransitietemperatuur wordt overschreden. Bij verdere toename van de temperatuur daalt de viscositeit van het materiaal, waardoor thermoplasten boven de smelttemperatuur eerder ontbinden dan vergassen. Hiernaast is laserlassen relatief duur in vergelijking met andere methodes. De aankoop van een laserbron is in het geval van composieten pas economisch verantwoord als in grote aantallen geproduceerd wordt.

2.3.2.5 Infraroodlassen Bij dit proces wordt de warmte vrijgegeven onder de vorm van straling afkomstig van een infraroodlamp. Deze lampen zijn in de meeste gevallen quartzlampen met heel hoge intensiteit (zie Figuur 12).

Figuur 12 Infraroodlampen.

Er bestaan algemeen 3 klassen: IR-A, IR-B en IR-C. Ze onderscheiden zich door de golflengte van het uitgestraalde licht. Zo zendt een IR-A-lamp licht uit met een golflengte gaande van 760 tot 1400 nm. Voor een IR-B en een IR-C-lamp is dit respectievelijk van 1400 tot 3000 nm en van 3000 tot 10000 nm. De golflengte is sterk bepalend voor het verloop van het proces [13]. Hoe kleiner de golflengte, hoe hoger de lichtintensiteit en het uitgestraalde vermogen.

15

Literatuurstudie

Algemeen worden tijdens het proces 3 stappen doorlopen. In een eerste fase wordt het oppervlak opgewarmd via intense IR-straling (zie Figuur 13). Dit gebeurt door een lamp, die verschillende malen het oppervlak bestrijkt en bij iedere passage een precieze hoeveelheid warmte afgeeft aan het oppervlak. Dit herhaalt zich tot het matrixmateriaal aan het oppervlak smelt. Vervolgens worden de delen samengedrukt en afgekoeld onder druk. In principe hoeft de lamp niet te bewegen ten opzichte van het oppervlak. Dit geeft echter wel een minder uniforme opwarming.

Figuur 13 Infraroodlassen.

Deze methode biedt heel wat voordelen. Naast een hoge snelheid en geen contact met het verwarmingselement, kunnen tevens heel sterke lassen aangebracht worden. Daarnaast leent dit proces zich uitstekend tot automatisatie, waarbij het heel nauwkeurig kan gestuurd en gecontroleerd worden. Bovendien beschikt men over de mogelijkheid om een plat en een gebogen onderdeel met elkaar te combineren, iets wat via andere lasmethodes moeilijk kan gerealiseerd worden. Het proces schiet wel tekort in het feit dat IR-lampen een dure aangelegenheid is. Bovendien heeft het proces neveneffecten op de interne structuur van het materiaal. Bij het verwarmen dringt de straling diep door, wat kan leiden tot deconsolidaties en rimpelen van de verschillende

samenstellende

lagen

van

het

composietmateriaal.

16

Literatuurstudie

2.3.2.6 Spiegellassen In literatuur wordt deze methode ook wel hot-tool welding of hot-plate welding genoemd. In dit geval gebruikt men een warme plaat als warmtebron. De naam “spiegellassen” komt van het feit de warme plaat in industriële toepassingen vaak de vorm heeft van een klein handspiegel (zie Figuur 14).

Figuur 14 Toestel voor spiegellasen van buizen [14].

Het proces bestaat uit 4 stadia (zie Figuren 15 en 16). In het eerste stadium worden de onderdelen tegen de warme plaat gedrukt totdat de thermoplastische matrix begint te smelten. Eens dit begint, wordt de druk gereduceerd zodat er zich een dikke gesmolten kunststoflaag vormt. Na het verwijderen van de plaat drukt men de oppervlakken tegen elkaar en laat men de gesmolten laag stollen.

Figuur 15 Spiegellassen.

17

Literatuurstudie

Figuur 16 Drukverloop tijdens het spiegellassen.

De belangrijkste parameters voor het aanbrengen van een goede las zijn de dikte van de gesmolten film en de laspenetratie [9,15]. Hoe lager de penetratie, hoe sterker de las en omgekeerd. Bovendien is deze parameter rechtstreeks afhankelijk van de lasdruk. Dit kan men ook zien in het spanning-rekdiagram (zie Figuur 17). Bij lage indringing krijgen we een sterke maar brosse las. Bij hoge indringing krijgen we een zwakkere maar ductiele las. De penetratie die men wil instellen zal dus afhangen van de toepassing in kwestie.

Figuur 17 Invloed van de laspenetratie op het breukgedrag.

Deze techniek neemt wel iets meer tijd in beslag dan andere technieken. De lastijd is vooral afhankelijk van de grootte van het contactoppervlak en de thermische conductiviteit van het materiaal. Het grootste probleem blijft nog altijd het feit dat het materiaal aan de plaat blijft kleven. Om hier aan te verhelpen kan men een anti-kleeflaag aanbrengen op de verwarmingsplaat. Er zijn echter heel weinig materialen die anti-klevend zijn en bestand tegen hoge temperaturen.

18

Literatuurstudie

Deze problemen zijn echter op te lossen en kunnen niet op tegen de talrijke voordelen die deze techniek biedt. Het lasoppervlak mag in dit geval heel groot zijn, zodat men geen nood heeft aan sequentiële lassen. Het weerstandslassen zou hier tekort schieten aangezien bij dit proces de oppervlakte beperkt wordt door de wet van Ohm. De temperatuur kan tevens goed gestuurd en geregeld worden. Daarnaast zijn complexe geometrieën geen probleem. De toepassingen voor deze techniek zijn legio. Men vindt ze vooral terug in de automobielindustrie en infrastructuur voor gas-en waterdistributie.

19

Literatuurstudie

2.4 Testmethodes Eens het spiegellassen succesvol is voor het geselecteerd materiaal, worden de lassen onderworpen aan een proefprocédé. Voor deze scriptie wordt gebruikt gemaakt van de korte driepuntsbuigproef en de lapshearproef. In wat volgt worden deze proeven kort besproken, samen met hun troeven en minpunten.

2.4.1 Korte driepuntsbuigproef Zoals de naam al aangeeft, wordt het proefstuk belast op buiging. Zoals te zien is in Figuur 18 wordt het proefstuk opgelegd op 2 vaste punten. In het midden van het bovenkant wordt dan een cilinder gepositioneerd die verticaal kan bewegen en kracht kan uitoefenen op het proefstuk.

Figuur 18 Driepuntsbuigproef.

Vertrekkend vanuit nulbelasting wordt de kracht en dus ook de doorbuiging van het materiaal geleidelijk aan opgevoerd. Eens het materiaal faalt, wordt de proef beëindigt en wordt de verkregen data verwerkt. Enerzijds bekomt men een kracht-verplaatsingscurve, waarmee het monster kan beoordeeld worden op ductiel of bros gedrag. Met de numerieke gegevens kan dan ook de short beam strength Fsbs bepaald worden. Ook het breukgedrag van het proefstuk kan veel leren. De plaats van de breuk t.o.v. de las en de breukwijze zijn belangrijk voor de beoordeling. Voor buigproeven zijn gedurende de jaren heel wat standaarden gedefinieerd. De standaard toegepast in deze thesis is de ASTM-standaard D2344/D2344M ‘Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates’. Deze is speciaal

bedoeld

om

de

short

beam

strength

te

bepalen

van

vezelversterkte

20

Literatuurstudie

composietmaterialen men een maximale dikte van 6 mm. De proefstukken zelf moeten aan strikte afmetingen voldoen. Zo moeten lengte en breedte van het oppervlak voldoen aan:

l = 6*d b = 2*d

(2.2)

Volgens deze standaard wordt de short beam strength dan:

Fsbs = 0.75 *

P b*d

(2.3)

met: P = maximale opgelegde kracht voor breuk optreedt b = breedte van het specimen d = dikte van het specimen De typische breukvormen die men kan verwachten zijn te zien in Figuur 16

Figuur 19 Verschillende vormen van breuk.

Het voordeel van deze test ligt vooral in zijn eenvoud. Met een heel simpele opstelling kan men heel wat gegevens over het proefstuk achterhalen. Bovendien kan de proef heel gemakkelijk en in grote getallen herhaald worden. 21

Literatuurstudie

In andere studies [16] wordt deze proef maar zelden gebruikt omwille van de beperktheid aan data die verzameld wordt. In het kader van deze thesis is de korte driepuntsbuigproef beter verantwoord. Zo kan op een snelle en eenvoudige wijze een lasproces geoptimaliseerd worden. Later kan men dit dan nog altijd uitbreiden naar meer complexe testmethodes.

2.4.2 Lap shear proef Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de ASTM-standaard D5868-01 ‘Standard Test Method for Lap Shear Adhesion for Fiber Reinforced Plastic (FRP) Bonding’. De lap shear proef is de methode bij uitstek om een verbinding in afschuiving te belasten, aangezien geen ingewikkelde testopstelling nodig is en daar hij snel kan uitgevoerd worden. Net als bij de korte driepuntsbuigproef moet het proefstuk aan strikte afmetingen voldoen (zie Figuur 20).

Figuur 20 Aangeraden afmetingen voor de lap shear proef.

Voor het leveren van de nodige kracht wordt gebruik gemaakt van een trekbank. Vooraleer men de lap joint test, worden er tabs aangebracht op de uiteinden (zie Figuur 21).

Figuur 21 Aanbrengen van tabs.

22

Literatuurstudie

Zo is het proefstuk correct gealigneerd wanneer het tussen de klauwen van de trekbank geplaatst wordt. Vervolgens laat men de kracht toenemen totdat de verbinding verbroken wordt. De lap shear strengt τ kan dan eenvoudig berekend worden met behulp van (2.4).

τ=

Fmax ⎡ N ⎤ L × b ⎢⎣ mm 2 ⎥⎦

(2.4)

met: Fmax = de maximale opgelegde trekkracht voor breuk optreedt L = lengte van de overlap van de verbinding b = breedt van de overlap van de verbinding De lap shear test biedt echter nog een extra mogelijkheid. Als er op de lap joint een extensometer voor het meten van de rek wordt gemonteerd, kan voor een isotroop materiaal het spanning-rekdiagramma bepaald worden. Voor composieten, wat doorgaan anisotrope materialen zijn, kunnen in langse richting (richting 1) een aantal grootheden bepaald worden: de treksterkte Xt en S11 / E1. Als men ook de waarden wil kennen in de 2-richting moet er een extra trekproef volgens die richting uitgevoerd worden.

23

Spiegellassen en technologie

Hoofdstuk 3 : Spiegellassen en technologie

3.1 Inleiding In het vorig hoofdstuk werd kort het principe van spiegellassen en haar concurrerende processen besproken. Om dit proces nu te optimaliseren voor CETEX RTL is een uitgebreid proefprogramma noodzakelijk. Vooraleer dit kan opgestart worden, is er nood aan een geschikt lastoestel. Voor de aanvang van deze thesis werd reeds een dergelijke “spiegel” ontwikkeld, echter met vele gebreken die het correct uitvoeren van de proeven verhindert. Daarom wordt eerst een nieuwe “spiegel” geconstrueerd na een grondige analyse van de behoeften voor het nieuwe toestel en voorstelling van een verbeterd ontwerp.

24


3.2 Ontwerpsvoorstellen

3.2.1 Hot tool versie 1.0 Het toestel staat afgebeeld op Figuur 1. Het ontwerp is relatief eenvoudig: het bestaat uit een weerstand ingebed tussen 2 aluminium platen met houten handvat. Een deel van de platen is tevens voorzien van Teflonfilm, zodat er minder materiaal aan het oppervlak blijft kleven.

Figuur 1 Oud ontwerp.

De weerstand is een product van de firma ThermElec. Voor meer informatie wordt verwezen naar Tabel 1. Tabel 1 Gegevens weerstand ThermElec.

vermogen

600 W

nom. spanning

230 V

max. stroom

5A

Het toestel kan via de stekker eenvoudig aangesloten worden op het elektrisch net. Via een schakelaar ingebouwd in het handvat kan de weerstand onder spanning geplaatst worden, waardoor het toestel begint op te warmen. Eens het toestel op de gewenste temperatuur is, kan het spiegellassen succesvol uitgevoerd worden volgens het gekende procédé (zie Hoofdstuk 2).

25


Hoewel met dit toestel verbindingen kunnen gerealiseerd worden, vertoont het nog vele gebreken. Naar veiligheid toe presteert het apparaat ondermaats. Zo is de weerstand in de eerste plaats niet beschermd tegen overstroom, waardoor er in het slechtste geval brand kan ontstaan. Daarnaast is er geen indicatie van de temperatuur. Tijdens de testproeven werd dit gemeten via een extern thermokoppel, maar dit geeft niet echt een accuraat beeld (fouten, verschil oppervlaktetemperatuur t.o.v. inwendige temperatuur). De hanteerbaarheid van het toestel is ook niet ideaal. De afmetingen zijn eigenlijk te groot en te zwaar om de verbindingen met de gewenste afmetingen te realiseren. Oorspronkelijk was dit toestel bedoeld voor een zone van 5 cm x 50 cm op te warmen. Voor het nieuwe toestel is een oppervlak van 5 cm x 2 cm ruimschoots voldoende. Ook

het

houten

handvat

levert

hier

problemen

op.

Dankzij

de

lage

warmtegeleidingscoëfficiënt is het wel veilig genoeg om vast te nemen, maar op de plaats waar het handvat contact maakt met het aluminium treedt verbranding op van het oppervlak. Het grootste probleem is echter het elektrische design. De verwarmingsweerstand wordt rechtstreeks aangesloten op het elektrische net en warmt zo continu op zonder enige vorm van controle. Temperatuur is een belangrijke parameter bij het spiegellassen, dus als de operator deze niet op een gewenste waarde kan instellen, kan de de proefprocedure niet correct worden uitgevoerd. Het enige dat eventueel kan gedaan worden is het toestel uitschakelen eens het op temperatuur is. Dit is echter verre van nauwkeurig, daar het toestel dan nog even verder afkoelt. Hoeveel kan echter niet precies met zekerheid bepaald worden. Bovendien is deze manier van werken heel tijdrovend.

26



Zoals te zien is in Figuur 2, zal het nieuwe apparaat tweedelig zijn. Het bestaat uit een verwarmingselement, verbonden met een controle-eenheid. Het verwarmingselement bestaat uit 3 metalen platen. De bovenste en onderste plaat komen in contact te staan met het composietmateriaal, terwijl het centrale plaatje een verwarmingsweerstand bevat. Die staat in voor het genereren van hitte. De handvaten zijn vervaardigd uit vuurbestendig materiaal, zodat de operator geen risico loopt op brandwonden. Om de temperatuur te meten en controleren is ook een thermokoppel voorzien, bevestigd aan het buitenoppervlak van het verwarmingselement.

Figuur 2 Nieuw ontwerp spiegel.

Het verwarmingselement wordt ingeplugd in het controle-element via 2 stekkers. De ene is bedoeld voor het thermokoppel, de andere voor de spanning. Het belangrijkste element hierin is een temperatuurcontroller, die de temperatuur stuurt via aan/uit-regeling, via PID, of via autotuning, …. Die vervult de belangrijkste taak: het verwarmingselement op de gewenste temperatuur brengen en daarop houden. Afhankelijk van de gewenste waarde voor de temperatuur en het gekozen controlealgoritme wordt het verwarmingselement gevoed met de correcte spanning. Naast de controller zijn ook smeltveiligheden en een aan/uit-schakelaar voorzien. Zo zijn er voldoende beveiligingen voorzien om gebruiker en toestel te beschermen als er zich een onverwachte gebeurtenis voordoet.

27


3.3 Functionele eisen Vooraleer over te gaan tot uitwerking van het ontwerp en keuze van onderdelen wordt eerst een grondige analyse gemaakt van de verschillende eisen waaraan het toestel moet voldoen. Zonder een goed functionerend lasapparaat kunnen de proeven en dus ook de doelstellingen niet gehaald worden. Volgende zijn van primordiaal belang: •

Primaire functievervulling: om een las te kunnen aanbrengen moet het toestel in staat zijn om tenminste het oppervlak van het materiaal te smelten. Zoals terug te vinden is in Hoofdstuk 2 gebeurt dit pas bij 280-290°. Dit is dus de minimum haalbare temperatuur.

•

Veiligheid: in de eerste plaats denken we vooral aan de gebruiker. Het toestel wordt op zeer hoge temperatuur gebruikt, dus het risico op verbranding moet zo sterk mogelijk worden gereduceerd. Daarnaast moet het toestel zelf veilig zijn. Bij slecht functioneren van 1 van de gebruikte componenten of door externe invloeden (kortstondige overstroom in het elektrisch net, blikseminslag, …) moet er ingegrepen worden zodat operator en andere apparatuur gevrijwaard blijven.

•

Hanteerbaarheid: de grote nadelen van het oude ontwerp zijn haar grote omvang en gewicht. Om alle parameters van het spiegellassen te optimaliseren is een uitgebreid proefprogramma nodig, dus een gemakkelijke bediening van het toestel is een must.

•

Onderhoud: naarmate het proefproces vordert, kan de werking van toestel verminderen of kan een component defect raken. Met oog op de voortgang van het onderzoek moeten onderdelen eenvoudig bijgemaakt/bijgekocht en geïnstalleerd kunnen worden.

Volgende eigenschappen zijn minder noodzakelijk, maar kunnen toch voor een meerwaarde zorgen: •

Kosten: het lasapparaat is in principe enkel bedoeld voor proeven. Het toestel zal dus sporadisch gebruikt worden. Daarom heeft het geen zin om dure onderdelen aan te kopen. Als bovendien kan aangetoond worden dat proces toepasbaar is met een

28


goedkoop en eenvoudig ontwerp, betekent dit tevens een extra voordeel t.o.v. concurrerende processen. •

Fabricage: een eerste ontwerp is zelden onmiddellijk het beste ontwerp. Daarom is het belangrijk om het aantal componenten te beperken en zoveel mogelijk standaardcomponenten te gebruiken. Het aantal bewerkingen nodig om de overige onderdelen

te

maken

moeten

tevens

geminimaliseerd

worden.

Als

later

aanpassingen moeten gebeuren, dan kan dit op een eenvoudige en snelle manier.

•

Montage en demontage: hoe sneller het toestel kan geconstrueerd en eventueel aangepast worden, hoe beter. In dit stadium mag niet veel tijd verloren gaan. Ook van belang is het opstellen en opbergen van het toestel. Hoe meer tijd hier aan verloren

gaat,

hoe

minder

tijd

kan

besteed

worden

aan

de

proeven.

29


3.4 Uitwerking ontwerp 3.4.1 Samenbouw

3.4.1.1 Verwarmingselement Zoals te zien is in Figuur 3 bestaat het center van het toestel uit 3 metalen platen, aan elkaar bevestigd door middel van 5 verzonken bouten. Platen en bouten worden allemaal vervaardigd

uit

aluminium.

Deze

keuze

ligt

voor

de

hand:

de

hoge

warmtegeleidingscoëfficiënt α en de lage massadichtheid ρ zorgen voor een laag gewicht en opwarmingstijd. Zo worden problemen zoals ongelijkmatige uitzetting van verschillende materialen en een ongelijkmatig temperatuursprofiel vermeden. De boven-, tussen- en onderplaat zijn gemaakt volgens Figuur 4.

Figuur 3 Exploded view van het nieuwe ontwerp.

Figuur 4 Boven-, tussen- en onderplaat van het nieuwe ontwerp.

30


De middenplaat heeft een ietwat ingewikkelder design. In dit onderdeel is er immers een spiraalvormige verwarmingsweerstand vervat. De spiraalvorm is in dit geval best verantwoord: zo krijgt men een gelijkmatig verdeeld temperatuursveld. Zo is ook de vermogensdichtheid maximaal, wat belangrijk is naar het lassen toe. Om het toestel te hanteren zijn links en rechts handvaten voorzien. Deze worden gemaakt volgens Figuur 5. Het is de bedoeling dat de operator het toestel makkelijk kan bedienen, liefst zonder hittebestendige handschoenen. Daarom is een hittebestendig materiaal met lage α absoluut nodig. Dergelijk materialen zijn in de meeste gevallen echter heel bros, wat bewerking moeilijk maakt. Promatect is het enige materiaal dat courant verkrijgbaar is en toch relatief stevig is. Om het materiaal zo weinig mogelijk te belasten tijdens het frezen wordt het gemaakt via een L-profiel i.p.v. een T-profiel zodat één bewerking volstaat.

Figuur 5 Handvat in Promatect.

De laatste component van het verwarmingselement is het thermokoppel. Dit wordt aan het toestel bevestigd door het in te klemmen tussen de kop van één van de bouten en de bovenplaat (zie Figuur 6). Zo kan de temperatuurcontroller verwerkt in het controle-element een accurate waarde krijgen van de oppervlaktetemperatuur van het toestel en dus ook de laszone.

Figuur 6 Inklemming thermokoppel.

31


Het thermokoppel en de voedingsdraden van de weerstand worden voorzien van een stekker. Zo kan het verwarmingselement gemakkelijk met het controle-element verbonden worden. Op de markt zijn wel verwarmingsweerstanden beschikbaar met ingebouwd thermokoppel. Dit levert wel een extra probleem: de spanning in de voedingsdraden zorgt voor een magnetisch veld, dat op zijn beurt een stroom induceert in het thermokoppel. Zo krijgt de temperatuurcontroller een verkeerd beeld van de temperatuur. Voor het doel van deze thesis echter moet verstoring van het meetsignaal absoluut vermeden worden. Met voeding en thermokoppel gescheiden wordt dit probleem gemakkelijk omzeild.

3.4.1.2.Controle-element De primaire functie is het regelen van de elektrische spanning en zo ook de temperatuur van het verwarmingselement. Zoals eerder vermeld wordt dit ingeplugd vooraan in het controleelement (zie Figuur 7). Hiervoor zijn 2 stopcontacten voorzien, het linkse (1) voor het thermokoppel en het rechtse (2) voor de stroomtoevoer. Hierboven bevindt zich het controlescherm (3) van de temperatuurcontroller. Hiermee kan de gebruiker de parameters van de controller instellen en tevens de temperatuur van het verwarmingselement aflezen. Naast dit controlescherm wordt nog een schakelaar (4) gemonteerd om het element in en uit te schakelen.

Figuur 7 Vooraanzicht controle-eenheid.

32


Om toestel en gebruiker te beschermen tegen elektrocutie worden 2 smeltveiligheden (5) voorzien (zie Figuur 8). Wanneer de stroom hoger wordt dan de toegelaten waarde, branden deze

door

en

wordt

de

stroom

naar

het

verwarmingselement

onderbroken.

De controller is voorzien van een relaiscontact waar één van de stroomvoerende geleiders op wordt aangesloten (zie Figuur 9). Deze wordt gedurende bepaalde intervallen onderbroken zodat de gemiddelde spanning naar de weerstand varieert in de tijd. De keuze van deze intervallen hangt af van het ingestelde controlemechanisme (PID, on/off, …) Het werkt als volgt: eens de schakelaar in de ‘aan’ stand staat, wordt de controller actief. Deze controleert dan de ingestelde paramaters zoals setpoint, controlemechanisme, … Vervolgens wordt de verwarmingsweerstand gevoed totdat de gewenste temperatuur bereikt word. Eens dit voltooid is, kan de gebruiker lasverbindingen realiseren.

Figuur 8 Interne structuur controle-eenheid.

33


Figuur 9 Elektrisch schema controle-eenheid.

Voor gedetailleerde stuktekeningen en een stuklijst van het toestel wordt verwezen naar Appendix A.

3.4.2 Werking Dit behelst twee zaken. In de eerste plaats wordt dieper ingegaan op de warmtegeneratie door de weerstand en de warmteoverdracht van het toestel naar de te lassen onderdelen. Daarna volgt een korte uiteenzetting over de werking van een temperatuurcontroller.

3.4.2.1 Warmteoverdracht De warmte wordt uitsluitend gegenereerd door de verwarmingsweerstand gepositioneerd in de centrale plaat. De hitte, geproduceerd door Jouleverwarming, wordt via conductie naar de bovenste en onderste plaat geleid. Het composietmateriaal dat in contact staat met het buitenoppervlak van het verwarmingselement neemt aldus de geproduceerde warmte op. Aangezien het gebruikte composiet gebaseerd is op koolstofvezel, dat op zich zeer geleidend is, moeten maatregelen genomen zodat de warmte zo weinig mogelijk verloren gaat via deze weg. De temperatuur zal verschillen over de hele dwarsdoorsnede van het verwarmingselement. Voor een duidelijk beeld van het temperatuursprofiel over de dwarsdoorsnede wordt verwezen naar Figuur 10. Zoals te zien is op de figuur, zal de temperatuur van het buitenoppervlak iets lager zijn dan die binnenin. Het verloop is echter lineair, dus als de temperatuur in 1 punt van de dwarsdoorsnede gekend is, kan de rest gemakkelijk afgeleid worden via (3.1) en (3.2). Voor deze formules wordt het verwarmingselement herleidt naar

34


zijn elektrisch analogon (zie Figuur 11) met als energiebron de verwarmingsweerstand, die een hoeveelheid warmte q levert, en als weerstanden de verwarmingsweerstanden van de respectievelijke platen. Deze weerstand is gelijk aan L / (k * A) met L de dikte van de plaat, k de conductiecoëfficiënt en A de oppervlakte van de plaat.

Figuur 10 Temperatuursprofiel over de buitenste platen van het verwarmingselement.

Figuur 11 Elektrisch analogon buitenste plaat.

I=

∆V R

(3.1)

q=

∆T L k*A

(3.2)

Bovenstaande beschouwing speelt een belangrijke rol bij het bevestigen van het thermokoppel. De temperatuur aan het oppervlak moet hoog genoeg zijn om de te lassen onderdelen te laten smelten. In theorie is het oppervlak dus de beste plaats om het thermokoppel aan te brengen. Er kunnen echter eisen optreden uitgaande van het ontwerp of van de operator die dit niet mogelijk maken. Als het thermokoppel op een andere plaats wordt bevestigd, zal de gemeten temperatuur dus een constant verschil vertonen met de oppervlaktetemperatuur. Daarnaast is ook nog een ander element heel belangrijk. Het composietmateriaal bevindt zich normaal gezien op kamertemperatuur. Wanneer dit in contact komt met het verwarmingselement, zal de temperatuur in het contactoppervlak terugvallen zodat het materiaal smelt bij een andere temperatuur dan aanvankelijk vooropgesteld. Dit probleem kan wel gemakkelijk opgelost worden door het materiaal voor te verwarmen tot een bepaalde temperatuur alvorens de onderdelen dan effectief gelast worden.

35


Tevens moet vermeld worden dat het temperatuursprofiel voorgesteld in Figuur 10 enkel geldig is in de regimetoestand. Wanneer het toestel aan het opwarmen is of als er door externe invloed een temperatuursverandering optreedt, dan zal het temperatuursverloop niet meer lineair zijn.

3.4.2.2 Controlemechanismen In het originele ontwerp voor het lasapparaat is geen controller voorzien. Aangezien er geen feedback gebeurt tussen in- en uitgang (zie Figuur 12), warmt het toestel op wanneer het onder spanning staat. In het beste geval gaat dit door tot er een evenwichtstemperatuur bereikt wordt. Deze situatie is echter afhankelijk van de gekozen materialen. Indien slecht gekozen kan dit in het slechtste geval leiden tot het falen van het apparaat. De gebruiker is dus niet in staat om de eindtemperatuur in te stellen, laat staan aflezen. De enige manier waarover men beschikt is het apparaat te laten opwarmen en bij de goede temperatuur uit te schakelen. Dit is uiteraard geen goede manier van werken en zal ongetwijfeld leiden tot slechte resultaten.

Figuur 12 Systeem zonder feedback [17].

Om deze problemen te verhelpen is de beste oplossing om een controller te voorzien. Hierin heeft men verschillende opties. Aangezien de prijs van het toestel binnen de perken moet blijven,

worden

hier

enkel

de

eenvoudigste

methodes

bekeken.

Een eerst mogelijkheid is on/off-controle. Deze methode wordt afgebeeld in Figuur 13.

Figuur 13 Systeem met aan/uit-controle [17].

36


Het principe is heel simpel. Zolang de temperatuur aan het oppervlak lager is dan de gewenste temperatuur, wordt de verwarmingsweerstand met spanning gevoed. Eens deze wenswaarde bereikt is, wordt het circuit onderbroken. Dit proces herhaalt zich zolang het toestel actief is. Hoewel deze methode eenvoudiger en sneller werkt dan andere, vertoont ze een belangrijk gebrek. Het kortstondig onderbreken van het circuit betekent niet noodzakelijk dat de temperatuur op dat moment op de wenswaarde blijft. De stroom wordt pas onderbroken wanneer de oppervlaktetemperatuur de wenswaarde bereikt. Dit betekent echter ook dat de temperatuur binnenin het toestel op dat moment een aantal graden hoger zal liggen. Wanneer de stroom wegvalt zal er nog altijd een deel van die warmte naar boven komen en de oppervlaktetemperatuur zal hierdoor nog een aantal graden toenemen alvorens terug te dalen. Omgekeerd treedt hetzelfde probleem op. Eens het toestel terug begint af te koelen treedt de controller pas in werking eens de temperatuur onder de wenswaarde duikt. De oppervlaktetemperatuur zal nog verder dalen, aangezien het even duurt vooraleer de warmte naar het oppervlak komt door de thermische traagheid van het aluminium. De temperatuur zal dus niet constant op de wenswaarde blijven, maar zal een verloop vertonen zoals in Figuur 14.

Figuur 14 Temperatuurs- en spanningsverloop bij on/off-controle [17].

Een andere methode die courant toegepast wordt is de PID-methode. Het principe is aangegeven in Figuur 15.

37


Figuur 15 Systeem met PID-controle [17].

Dit algoritme is complexer dan het voorgaande. Een belangrijke parameter hier is de error, dit is het verschil tussen de gewenste uitgang en de werkelijke uitgang. Op basis van deze waarde wordt een ingang berekend die gebruikt wordt in het proces. Deze berekening omvat een versterkende, integrerende en differentiërende bewerking (zie 3.3).

t

u (t ) = MV (t ) = K p e(t ) + K i ∫ e(τ )dτ + K d 0

de dt

(3.3)

De parameters KP, KI, en KD zijn in het klassieke geval constante waarden. Om het algoritme sneller te laten werken kan men gebruik maken van auto-tuning. Hierbij worden ieder interval nieuwe waarden berekend voor deze waarden die betere resultaten opleveren. Via deze formule wordt berekend wanneer het circuit onderbroken en gesloten dient te worden. Aldus varieert de grootte van de spanning in de tijd (zie Figuur 16).

38


Figuur 16 Temperatuurs- en spanningsverloop via PID-controle [17].

Deze werkwijze heeft als voordeel dat de uitgang, in dit geval de temperatuur, veel vloeiender naar zijn wenswaarde streeft. De overshoot is in dit geval ook veel beperkter en wordt nul na verloop van tijd. De controle van temperatuur is hier dus veel beter in vergelijking met de directe controle. Het enige nadeel hier is dat het meer tijd vraagt. Dit kan echter gecompenseerd worden door naast een spanningregeling tevens een vermogensregeling te voorzien. Dit vraagt echter een bijkomende en duurdere controller en is voor deze thesis niet noodzakelijk.

39


3.5 Componentenkeuze De enige componenten die echt van belang zijn, zijn de verwarmingsweerstand en de temperatuurcontroller.

3.5.1 Verwarmingsweerstand Op de markt zijn vele modellen beschikbaar. Het probleem is echter dat de meeste enkel volgens een standaardvorm geproduceerd worden. Daarnaast bestaan slecht weinig versies die klein genoeg zijn en voldoende vermogen hebben voor deze toepassing. Naast de standaardmodellen bestaat ook de mogelijkheid de weerstand op maat te ontwerpen. Dit valt iets duurder uit, maar zo is men tenminste gegarandeerd van het resultaat. Dergelijke modellen worden meestal geleverd onder de vorm van staven, die in de gewenste vorm kunnen geplooid worden. Na het beschouwen van verschillende modellen (zie Appendix B), wordt gekozen voor het model RPT-126000 verdeeld door de firma Dirac Industries. Van dit type plooibare weerstanden zijn vele soorten beschikbaar, die zich onderscheiden in lengte, dwarsdoorsnede, … . De gekozen weerstand is 400 mm lang, heeft een weerstandswaarde van 170 Ω en een vermogen van 315 W (zie Figuur 17)

Figuur 17 Weerstand model RPT-126000 Dirac Industries.

3.5.2 Temperatuurcontroller Hier komt het erop aan de controller te kiezen met de beste prijs-kwaliteitsverhouding. Daarnaast moet hij compatibel zijn met de gekozen verwarmingsweerstand. Na een grondige studie van de beschikbare modellen (zie Appendix B) blijkt de beste keuze de temperatuurcontroller 1510 van Chromalox te zijn (zie Figuur 18). Die scoort het best qua verhouding prijs-kwaliteit en is in staat om zowel via directe controle als via PID-controle te

40


werken. Daarnaast biedt deze controller de mogelijkheid om het circuit te onderbreken wanneer een vooraf gekozen alarmwaarde wordt overschreden.

Figuur 18 Controller Chromalox type 1510.

41


3.5 Calibratie In de eerste plaats wordt de reactiesnelheid gemeten van de controller in directe mode en PID-mode. Daarnaast wordt ook de temperatuur van het oppervlak in kaart gebracht. Ondanks het aangepaste ontwerp met plooibare weerstand kan niet verwacht worden dat de temperatuur overal gelijk zal zijn. Dit is vooral belangrijk naar het lassen toe. Voor het bepalen van de opwarmingssnelheid worden 2 trajecten doorlopen. Eerst zal het toestel opwarmen van omgevingstemperatuur naar 90°. Eens evenwicht bereikt is, wordt de wenswaarde ingesteld op 100°. Het resultaat is weergegeven in Tabel 2.

omgeving -> 90°

90° -> 100°

directe controle

1 min 45 s

20 s

PID-controle

5 min

2 min

Tabel 2 Kalibratie toestel

Zoals valt op te maken uit de tabel is directe controle een stuk sneller. Het nadeel hier is natuurlijk dat de temperatuur rond de wenswaarde blijft schommelen, terwijl die bij PIDcontrole constant op de wenswaarde blijft. Voor het bepalen van het temperatuursprofiel wordt gebruik gemaakt van een pyrometer van de firma Fluke. Op voorafgekozen punten wordt de temperatuur opgemeten om zo een idee te krijgen van de temperatuursverdeling (zie Figuur 19).

Figuur 19 Temperatuursverdeling aan het oppervlak.

42


Zoals te verwachten was treedt is het middenste gedeelte van het verwarmingselement het heetst. Aan de randen van het toestel is duidelijk de invloed van de handvaten te zien. Die zorgen immers voor een temperatuursval aan de randen van het verwarmingselement. Hier moet rekening mee gehouden worden tijdens het lassen. Dit mag echter niet veel problemen opleveren, aangezien het center van het toestel breed genoeg is om de lassen aan te brengen. Het grootste gedeelte van de voedingsspanning zet de verwarmingsweerstand om in warmte. Door de spiraalvorm van de weerstand treedt nog een bijkomend effect op: er vormt zich een magnetisch veld aangezien de weerstand wisselspanningsgevoed werkt. De te lassen onderdelen ondervinden hier echter geen hinder van omdat ze door de aluminium platen worden afgeschermd. Aluminium is immers magnetisch inactief. Door het magnetisch veld worden echter wel foucaultstromen geïnduceerd in het aluminium, maar die zorgen enkel voor een nog snellere opwarming van het apparaat.

43


3.7 Variaties op het ontwerp Naast het standaardontwerp worden ook nog een aantal variaties hierop uitgeprobeerd. Hoewel het op zich reeds voldoet aan de vooropgesteld eisen zijn er natuurlijk nog andere mogelijkheiden. Een kort overzicht. Zoals valt op te maken uit Figuur 19 is de temperatuursverdeling minder gunstig dicht in de buurt van de handvaten. Dit is natuurlijk te wijten aan de lage conductiecoëfficiënt van het gebruikte materiaal, waardoor de warmte minder doordringt tot de randen van het verwarmingselement. Een mogelijkheid om dit op te lossen is de handvaten te vervaardigen uit een meer geleidende materie, bijvoorbeeld aluminium (zie Figuur 20). De temperatuur is nu wel gelijkmatiger, maar dit gaat ten koste van de veiligheid van de gebruiker,die in dit geval verplicht is om hittebestendige handschoenen te gebruiken.

Figuur 20 Verwarmingselement met aluminium handvaten.

Een veelvoorkomend probleem bij spiegellassen is het kleven van de kunststof (matrix) aan het toestel. Ook hier zijn een aantal oplossingen mogelijk. In de eerste plaats kan men contactloos lassen overwegen. In dit geval worden de te lassen onderdelen zo dicht mogelijk bij het toestel geplaatst. De warmteoverdracht gebeurt hier dus uitsluitend door straling. Dit proces vraagt veel meer tijd dan conductie, wat het voordeel van spiegellassen in het gedrang brengt. Deze vorm van lassen wordt op 2 verschillende manieren gerealiseerd. Enerzijds kan er geopteerd worden voor dikkere handvaten die verhinderen dat het verwarmingselement in contact komt het composietmateriaal (zie Figuur 21).

44


Figuur 21 Verwarmingselement met dikke handvaten.

Het kan ook anders. Het verwarmingselement wordt door middel van haken opgehangen, terwijl de proefstukken bevestigd worden onder het toestel. De plaatjes worden dan zo dicht mogelijk tegen het oppervlak van het verwarmingselement geplaatst. Eens de matrix aan het oppervlak gesmoten is worden de proefstukken manueel zo snel mogelijk op elkaar geplaatst en samengedrukt (zie Figuur 22).

Figuur 22 Verwarmingselement met ophanging.

Net zoals in voorgaand geval is de procestijd veel langer. Bovendien is er geen exacte kennis over de invloed van het manueel samendrukken van de proefstukken. Een veel eenvoudiger oplossing voor dit probleem is het originele toestel te voorzien van een antikleeflaag (zie Figuur 24). De keuze aan materialen is hier wel beperkt, aangezien weinig stoffen anti-klevend zijn bij 300°C en meer. De meest gebruikte is natuurlijk Teflon of PTFE (polytetrafluorethyleen). De werkingstemperatuur van Teflon ligt wel bij 260 °C, wat dus niet echt ideaal is. Bij het uittesten blijft er toch een grote hoeveelheid PPS aan de Teflonlaag kleven. Bovendien verliest Teflon zijn stabiliteit en wordt plastischer.

45


Figuur 23 Verwarmingselement met Teflon.

Een minder gekende materie, die in de industrie wel veel succes heeft, is Kaptonfilm. Dit is niets anders dan pure polyimide, wat bruikbaar is tot een temperatuur van 400 °C. Bij het uittesten blijft wel nog altijd PPS aan het toestel kleven, maar de hoeveelheid is miniem. De film blijft in dit geval wel stabiel (zie Figuur 24).

Figuur 24 Verwarmingselement met Kaptonfilm.

46

Lassen in de praktijk

Hoofdstuk 4 : Lassen in de praktijk

4.1 Inleiding Zoals eerder werd beschreven bestaan er vele methoden om kunststoffen te lassen, elk met hun eigen voor- en nadelen. Sommige van deze methodes worden ook al gebruikt voor het verbinden van composieten. In tegenstelling tot kunststoffen vertonen composieten echter een sterk anisotroop gedrag en bovendien is het ene composietmateriaal het andere niet. De optimale parameters voor een bepaald lasprocédé zijn dus telkens verschillend en volledig afhankelijk van het gekozen materiaal. In dit hoofdstuk wordt nagegaan in welke mate lassen kan gebruikt worden voor CETEX RTL en welke combinatie van parameters de sterkste verbindingen oplevert. Uit de grote keuze aan methodes worden er een aantal geselecteerd, namelijk spiegellassen en infraroodlassen. Als referentie worden ook een aantal lijmverbindingen gemaakt.

47


4.2 Spiegellassen 4.2.1 Lasopstelling Het opwarmen van de proefstukken gebeurd aan de hand van het lasapparaat voorgesteld in Hoofdstuk 3. Daarnaast is er ook een apparaat nodig om de nodige druk te leveren in de verschillende fases van het lassen. Hiervoor wordt gebruikt gemaakt van een servohydraulische Instron - trekbank van het type 8801. Qua kracht heeft die een dynamisch bereik tot 100 kN, wat ruimschoots voldoende is voor deze proeven. Daarnaast biedt hij de nodige functies om het lasproces goed op te volgen en correct te laten verlopen. Vooraleer het lassen kan beginnen moeten de proefstukken voorbereid worden. Alle proefstukken (zie Figuur 1) worden op maat gezaagd, opgeschuurd en ontvet met behulp van aceton. De afmetingen bedragen 150 mm x 25 mm x 2.5 mm. Deze maten leveren het minst problemen op naar het lassen toe en zijn belangrijk voor het beproeven van de lassen.

Figuur 1 Proefstukken.

De proefstukken worden vervolgens met behulp van dubbelzijdige tape bevestigd aan twee T-profielen, ingeklemd in de klauwen van de trekbank (zie Figuur 2).

Figuur 2 Bevestiging van proefstukken aan trekbank.

48


Het is heel belangrijk dat deze profielen zo goed mogelijk ten opzichte van elkaar uitgelijnd zijn. Indien dit niet het geval zou zijn dan zou de opwarming en de drukverdeling over het oppervlak niet gelijkmatig zijn. Dit kan leiden tot ongelijkmatig smelten van de proefstukken en dus slechte lasverbindingen. Eens de voorbereiding is afgerond kan het eigenlijke lassen beginnen. Hiertoe wordt eerst via de PC van de trekbank een contactdruk ingesteld voor het opwarmen. De opwarmingstijd wordt gemeten met behulp van een chronometer. Als het lastoestel op de ingestelde bedrijfstemperatuur is, wordt het tussen de T-profielen geplaatst en worden de proefstukken tegen boven- en onderkant van het toestel gedrukt (zie Figuur 3).

Figuur 3 Plaatsen van het lastoestel.

De proefstukken worden slechts opgewarmd over een lengte van 50 mm. Deze waarde is vooraf bepaald door de beproevingsmethodes en is tevens het maximale bereik van het lastoestel. Eens er zich een film van gesmolten PPS heeft gevormd aan het oppervlak van de onderdelen (zie Figuur 4) wordt het toestel verwijderd.

Figuur 4 Gesmolten proefstuk.

49


Nadat de waarde voor de contactdruk is aangepast worden de klauwen van de trekbank zo snel mogelijk op elkaar gedrukt (zie Figuur 5).

Figuur 5 Samendrukken van de proefstukken.

Als de afzonderlijke onderdelen te veel tijd krijgen om af te koelen zal het gesmotlen PPS gedeeltelijk beginnen stollen en overgaan naar z’n amorfe fase, waardoor het heel moeilijk wordt om de onderdelen met elkaar te verbinden. Het samendrukken moet dus gebeuren zolang de PPS zich in vloeibare toestand bevindt. De onderdelen krijgen nu de tijd om voldoende uit te harden onder druk. Eens de las zich gevormd heeft, worden de T-profielen voorzichtig van elkaar verwijderd en worden de verbonden proefstukken verwijderd (zie Figuur 6).

Figuur 6 Verwijderen van de las.

50


Voor verder onderzoek van de lassen worden die op maat 50 mm x 20 mm x 5 mm gezaagd (zie Figuur 7). Deze waarden zijn dan in overeenstemming met de eisen van de ASTMstandaard

D2344/D2344M

(zie

Appendix

C)

voor

de

uitvoering

van

een

korte

driepuntsbuigproef. De oorspronkelijke proefstukken moeten dus zeker langer en breder worden genomen dan deze waarden. Aan de rand van de laszone zal er immers altijd materiaal uitvloeien, die voor het testen van de lassen verwijderd moet worden.

Figuur 7 Proefstuk op maat gezaagd.

Proefondervindelijk is tevens ondervonden dat de proefstukken lang genoeg moeten zijn. Hoe korter de plaatjes zijn, hoe groter de kans dat delaminaties optreden (zie Figuur 8). In het slechtste geval kan er zelfs een laag koolstof aan het toestel blijven kleven.

Figuur 8 Delaminatie bij het opwarmen

51


4.2.2 Lasparameters In principe zijn er heel wat parameters die kunnen gevarieerd worden. Wegens de beperkte tijdspanne van het onderzoek worden hier enkel de belangrijkste parameters bekeken. Iedere variabele afzonderlijk beïnvloedt op één of andere manier het uiteindelijke resultaat. Het slagen van de lasverbinding berust hoofdzakelijk op adhesie, met andere woorden in welke mate het materiaal van het ene oppervlak zich aan het andere vasthecht. Uit studie [19] is gebleken dat de adhesie op haar beurt afhankelijk is van de graad van interdiffusie, waarbij de polymeerketens beide zijden van de interface indringen. Hoe groter de interdiffusie, hoe groter de adhesie en dus hoe sterker de las zal zijn.

4.2.2.1 Temperatuur Wegens de inherente beperkingen van de lasmethode kan de temperatuur enkel tijdens het opwarmen geregeld worden. Tijdens het uitharden is de laszone immers niet meer toegankelijk en kan de afkoeling niet gecontroleerd worden. In theorie zou de temperatuur tijdens het uitharden ook kunnen gecontroleerd worden maar dit vergt echter extra apparatuur die in het kader van deze thesis niet beschikbaar is. Beide fases zijn echter belangrijk voor het slagen van het proces. Als tijdens het opwarmen de gesmolten kunststoflaag te dun is, zal de graad aan interdiffusie onvoldoende zijn om tijdens het uitharden een sterke las te vormen. Het uitharden onder druk is ook belangrijk: als als de temperatuur niet snel genoeg zakt, zal dit leiden tot thermische degradatie [16,18,19].

4.2.2.2 Druk Doordat met een trekbank gewerkt wordt kan deze parameter veel nauwkeuriger onderzocht worden. De fases die hier van belang zijn, zijn de opwarmingsfase en de uithardingsfase. In beide gevallen moet er een optimum gezocht worden tussen 2 fenomenen. Als de druk te laag is, kunnen er zich bellen vormen in de laszone die zorgen voor minder hechting tussen de proefstukken [18,19]. Als de druk aan de andere kant te hoog is, zal er teveel gesmolten PPS uit de laszone geduwd worden. In het ergste geval blijft er geen PPS meer over zodat de onderliggende koolstofvezels bloot komen te liggen en direct contact maken. Op deze manier kan in geen enkel geval een goede las gevormd worden.

52


4.2.2.3 Tijd Hier zijn opnieuw de opwarmingsfase en de uithardingsfase van belang. Als de proefstukken te kort worden opgewarmd kunnen er nog altijd zones achterblijven waar het materiaal niet gesmolten is (zie Figuur 9).

Figuur 9 Proefstuk met gesmolten en ongesmolten zones.

Een te grote opwarmingstijd zal leiden tot het volledig wegvloeien en eventueel verbranden van de PPS, zeker in combinatie met een te hoge druk (zie Figuur 10).

Figuur 10 Koolstofvezels zichtbaar door te lang opwarmen.

De duur van uitharden is bepalend voor de sterkte van de las. De gesmolten PPS van de twee proefstukken moet hier voldoende tijd krijgen om in elkaar te vloeien en te stollen. Enkel wanneer de PPS volledig terug in kristallijne toestand is kan er sprake zijn van een goede las.

53


4.2.2.4 Secundaire parameters Tijd, druk en temperatuur zijn de belangrijkste parameters voor het lasproces. Daarnaast worden nog een aantal andere parameters onderzocht die al dan niet invloed kunnen hebben op de sterkte van de las. In de literatuur is hierover immers nog niets terug te vinden. Zo wordt gekeken naar het effect van de oriëntatie van de proefstukken ten opzicht van elkaar en het toevoegen van extra PPS om het uitvloeien te compenseren.

54


4.2.3 Destructief onderzoek Eén van de hoofddoelen van deze thesis is het optimaliseren van het spiegellassen voor composietmaterialen. Daarom zal dit proces uitvoeriger uitgewerkt worden dan de andere lasprocessen. In de eerste stap wordt uitsluitend gebruik gemaakt van de driepuntsbuigproef (zie Figuur 11).

Figuur 11 Driepuntsbuigproef.

Deze is te prefereren omwille van z’n eenvoud en snelheid. Op deze manier wordt er ook minder materiaal verspild in vergelijking met andere proeven. Aan de hand van deze proeven wordt voor iedere reeks parameters de short beam strength Fsbs bepaald (zie 2.4.1) met behulp van de ASTM D2344/D 2344M-norm. Zo kunnen de resultaten vergeleken worden en krijgt men een ruwe schatting van de optimale instelling voor het lassen. Vervolgens worden met de optimale parameters een reeks identieke lassen gemaakt en opnieuw beproefd via de driepuntsbuigproef. Zo kan worden nagegaan of de spreiding van de resultaten beperkt is. Indien dit niet het geval is, moeten alle proeven in voorgaande fase voor iedere instelling meerdere malen herhaald worden. In plaats van te werken met voorgaande gegevens wordt dan gewerkt met de gemiddelde waarde. Eens dit voltooid is, kan men aanvatten met de lap shear proeven (zie Figuur 12).

55


Figuur 12 Lap shear proef.

Ook hier worden alle lassen gemaakt volgens de optimale parameters. Met behulp van de resultaten kan niet enkel de treksterkte van de lassen bepaald worden maar kan ook het (S11,ε11)-diagram bepaald worden (zie 2.4.2). Tevens kan achterhaald worden of de lassen breken volgens de brosse of ductiele mode.

56


4.2.4 Referentie Als referentie wordt eerst een driepuntsbuigproef uitgevoerd met 2 plaatjes die los op elkaar geplaatst worden. Aangezien de plaatjes niet verbonden zijn zullen ze over elkaar bewegen en zullen de uiteinden van de plaatjes bij doorbuiging niet meer met elkaar samenvallen. Bij lasverbindingen wil men dit gedrag juist vermijden. Een goede las moet er immers voor zorgen dat de plaatjes samenblijven aan de uiteinden. De data die aldus verkregen wordt kan ook belangrijk zijn voor een simulatie via ABAQUSTM. Het resultaat van deze test staat afgebeeld in Figuur 13.

5000 4500 4000 3500 Kracht (N)

3000 2500

losse plaatjes

2000 1500 1000 500 0 -1

-500 0

1

2

3

Verplaatsing (mm)

Figuur 13 Kracht - verplaatsingscurve voor 2 losse plaatjes

Zoals te zien is in de figuur vertoont de curve een heel vloeiend verloop tot ongeveer 4500 N. Op dat moment treedt heel plots brosse breuk op ter hoogte van het midden van de plaatjes. De helling van de curve bedraagt voor het lineaire gedeelte ongeveer 1750 N/mm. De short beam strength Fsbs bedraagt in dit geval 33,75 MPa.

57


4.2.5 Resultaten met behulp van de driepuntsbuigproef

4.2.5.1 Temperatuur De ondergrens wordt bepaald door de smelttemperatuur van de matrix van het composietmateriaal. Voor PPS bedraagt deze 290 °C. De bovengrens voor de proeven wordt vastgelegd op 340 °C. Hierboven gaan heeft geen zin, aangezien er ondanks een korte opwarmingstijd toch veel PPS blijft kleven aan het toestel Na vergelijking met waarden uit de literatuur [18] worden de andere lasparameters ingesteld op een vooraf gekozen waarde (zie Tabel 1).

Tabel 1 Lasparameters.

druk tijdens opwarmen

1 MPa

druk tijdens uitharden

3.5 MPa

tijd voor uitharding onder druk

5 min

De tijd nodig voor het opwarmen van de proefstukken is afhankelijk van de temperatuur. De bedoeling is dat het volledige oppervlak wordt omgesmolten en dat zo weinig mogelijk materiaal aan het lasapparaat blijft kleven. Om deze waarden te bepalen werden eerst een aantal testen verricht waar de proefstukken louter werden opgewarmd, gevolgd door een inspectie van het omsmelten van de PPS en van vervuiling van het oppervlak van het lasapparaat. Zo werd voor iedere temperatuur de optimale opwarmingstijd bepaald (zie Tabel 2).

Tabel 2 Opwarmingstijd volgens ingestelde temperatuur.

290 – 310 °C

25 s

311 – 320 °C

20 s

321 – 330 °C

15 s

331 – 340 °C

10 s

De laatste parameters die dienen vastgelegd worden zijn de afmetingen van de lassen. Deze bedragen allemaal 50 mm x 20 mm. Deze afmetingen werden gekozen volgens de normen van het destructief onderzoek (zie 4.2.3) en worden gebruikt voor alle testen die volgen.

58


Na het aanbrengen van de verschillende lassen worden alle proefstukken getest via de driepuntsbuigproef. Voor iedere temperatuurswaarde wordt dan de kracht-verplaatsingscurve bepaald (zie Figuur 14). en de bijhorende short beam strength Fsbs berekend (zie Tabel 3).

Figuur 14 Kracht-verplaatsingscurves voor variabele temperatuur.

Tabel 3 Fsbs voor variabele temperatuur.

Temperatuur (°C)

Fsbs (MPa)

290

30.5

300

31.0

305

31.4

310

31,5

315

34,3

320

31,8

325

52,6

330

50,2

335

30,07

Zoals blijkt uit de figuur en de tabel ligt de optimale temperatuur voor het lassen rond 325 °C. Voor andere lasprocessen is gebleken dat de optimale temperatuur ook zo’n 20-30 °C boven

59


de smelttemperatuur ligt. Voor temperaturen beneden 325 °C ligt de sterkte van de verbinding een stuk lager. Volgens Stokes [15] is dit vooral te wijten aan het feit dat de gesmolten PPS teveel afkoelt vooraleer de stukken op elkaar gedrukt worden. Tegen dan is de PPS al teveel gestold wat het lassen bemoeilijkt. Ook hogere temperaturen leiden tot een afname van de sterkte van de lassen, maar het verschil met het optimum is hier kleiner. Dit is vooral te wijten aan het squeeze-effect. De viscositeit van de PPS is bij verhoogde temperatuur een stuk lager waardoor het gemakkelijker uitvloeit aan de randen van de las. Bovendien blijft er in deze gevallen meer PPS aan het toestel kleven. Als dit vergeleken wordt met de referentie kunnen een aantal zaken worden opgemerkt. De waarden voor Fsbs ligger voor de meeste lassen onder 33,75 MPa. Het lassen heeft hier dus een negatieve invloed op de structuur van het materiaal, waardoor het slechter presteert in buiging. Enkel rond het optimum worden hogere waarden bereikt; in beste geval is er een toename van 50%. Ook de helling vertoont overeenkomsten met de referentie. In het begin is de helling van de curves veel groter dan 1750 kN/mm. Voor T = 325 °C bedraagt die 6000 kN/mm. Wanneer de las breekt, valt die helling terug naar de referentiewaarde. Wanneer de las verbroken wordt, kunnen de plaatjes immers terug ten opzichte van elkaar bewegen en wordt dus het geval van twee losse plaatjes verkregen. De breukmode is ook hier terug heel bros. De beste las vertoont wel een ideaal breukpatroon, namelijk een dwarse breuk in het midden van het onderste plaatje. Pas wanneer deze breuk is opgetreden, breekt de las.

4.2.5.2 Druk De druk tijdens het opwarmen van het composietmateriaal wordt gevarieerd gaande van 0.5 MPa tot 1.5 MPa, vergelijkbaar met [15]. Bij testlassen is immers gebleken dat bij hogere drukken teveel PPS aan het toestel blijft kleven. De andere parameters worden net als in het vorige geval constant gehouden (zie Tabel 4).


temperatuur

320 °C

tijd voor opwarming

20 s


3.5 MPa


5 min

60


De kracht-verplaatsingscurves van ieder proefstuk zijn afgebeeld in Figuur 15. De bijhorende Fsbs is terug te vinden in Tabel 5. Voor de berekening van deze grootheid wordt de grootste kracht (zie 2.4.1) gebruikt alvorens zich de eerste vormen van breuk voordoen. Wanneer bijvoorbeeld de las gedeeltelijk doorbreekt, kan de kracht nog altijd verder toenemen maar in dat geval wordt die opgevangen door de plaatjes en niet door de las. Dergelijk gedrag zal ook leiden tot een afname van de helling van curve, zoals duidelijk het geval is voor een druk van 1,25 MPa.

6000 5000

Kracht (N)

4000 0,5 MPa

3000

1 MPa 1,25 MPa

2000

1,5 MPa 1000 0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-1000 Verplaatsing (mm)

Figuur 15 Kracht-verplaatsingscurves voor variabele druk tijdens opwarming.

Tabel 5 Fsbs voor variabele druk tijdens opwarming.

Druk tijdens opwarmen (MPa)

Fsbs (MPa)

0,5

33,9

1

38,3

1,25

35,6

1,5

35,15

61


In de figuur is het niet echt duidelijk vast te stellen maar uit de tabel blijkt duidelijk dat een druk van 1 MPa het beste resultaat levert. Als de druk op een lagere waarde wordt ingesteld, is de sterkte van de las kleiner. Dit komt doordat de warmte minder diep doordringt in het materiaal, waardoor de laag gesmolten PPS te dun is. Zoals eerder aangehaald (zie 4.2.2) is de graad aan interdiffusie in dit geval kleiner. Hogere drukken geven tevens minder goede lassen, wat zonder meer te wijten is aan het squeeze-effect en het kleven van PPS aan het toestel.

Vervolgens wordt de optimale druk bepaald nodig voor het uitharden. Die wordt gevarieerd van 1 MPa tot 5MPa. De overige variabelen worden ingesteld op een vaste waarde (zie Tabel 6). Tabel 6 Lasparameters

temperatuur

320 °C

tijd voor opwarming

20 s


1 MPa


5 min

De kracht-verplaatsingscurves zijn weergeven in Figuur 15. De respectievelijke waarden voor Fsbs zijn terug te vinden in Tabel 7.

7000 6000 1 MPa

5000

1,5 MPa 2 MPa

Kracht (N)

4000

2,5 MPa 3 MPa

3000

3,5 MPa 2000

4 MPa 4,5 MPa

1000

5 MPa

0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5


Figuur 16 Kracht-verplaatsingscurves voor variabele uithardingsdruk.

62


Tabel 7 Fsbs voor variabele uithardingsdruk.

Druk tijdens uitharden (MPa)

Fsbs (MPa)

1

34,0

1,5

29,0

2

25,6

2,5

33,6

3

34,2

3,5

50,5

4

36,6

4,5

31,2

5

32,2

De optimale druk tijdens het uitharden is bij benadering ongeveer 3.5 MPa. Als de druk op een lagere waarde wordt ingesteld, is de sterkte van de las minder. Dit komt doordat er minder mechanische verankering is tussen de proefstukken. Het is niet enkel belangrijk dat de toplagen van de proefstukken aan elkaar hechten, maar ook dat de onderliggende weefsels in elkaar gedrukt worden. Daarnaast moet het gehalte aan porositeiten (lucht, dampbellen) en onzuiverheden zo klein mogelijk zijn. Bij voldoende druk worden de porositeiten geëlimineerd [18]. Deze 2 factoren leiden beide tot een hogere graad aan interdiffusie (zie 4.2.2). Hogere drukken geven tevens minder goede lassen omdat de mechanische verankering hier verloren gaat. Dit komt doordat bijna alle PPS uit de laszone wordt gedrukt door het squeeze-effect, waardoor de vezels van de proefstukken contact maken met elkaar. Bij de kracht-verplaatsingscurves is net als in vorig geval goed vast te stellen wanneer de las breekt, met andere woorden wanneer de kracht gedragen wordt door de proefstukken. Een vergelijking met de referentie levert de zelfde vaststellingen op als in 4.2.5.1. De waarde voor Fsbs is het hoogst rond het optimum. Te lage of te hoge drukken kunnen zelfs leiden tot een waarde kleiner dan 33,75 MPa. Ook de curves vertonen hetzelfde verloop. In het begin is de helling heel steil, totdat de las breekt. Dan valt die terug naar een helling van ongeveer 1750 N/mm. Rond het optimum wordt dan weer het ideaal breukgedrag bereikt: onderaan treedt een dwarse breuk, gevolgd door het breken van de las. Als de vastgestelde optimale waarde vergeleken wordt met waarden voor andere processen, ligt die toch een stuk hoger. Voor weerstandslassen bijvoorbeeld bedraagt de contactdruk tijdens het uitharden maar 0.6 – 0.9 MPa [18].

63


4.2.5.3 Tijd Net als bij de druk speelt deze veranderlijke vooral een rol in de verwarmingsfase en de uithardingsfase. Als de proefstukken niet lang genoeg opgewarmd worden zal de laag gesmolten PPS te dun zijn. In het ergste geval kunnen er zelfs zone’s optreden waar het oppervlak nog intact is. Te lang opwarmen leidt tot meer uitvloeien aan de randen van de las en er kleeft dan ook meer materiaal aan het toestel. De opwarmingstijd is dus sterk afhankelijk van de temperatuur tijdens het opwarmen. De optimale waarden hiervoor werden reeds eerder proefondervindelijk bepaald (zie 4.2.4.1). Daarnaast is de tijd nodig voor het uitharden ook belangrijk. Tijdens deze fase moet de gesmolten PPS voldoende tijd krijgen om cohesie- en adhesiesterkte op te bouwen. Hoe geleidelijker dit proces gebeurt, hoe beter de kwaliteit van de las zal zijn. Als het materiaal uithardt onder druk, zal dit veel langzamer verlopen aangezien de temperatuur in dit geval veel trager daalt. De tijd voor uitharden wordt gevarieerd van 1 minuut tot 5 minuten. De andere parameters worden opnieuw constant gehouden (zie Tabel 8).


temperatuur

320 °C

tijd voor opwarming

20 s


1 MPa


3.5 MPa

De kracht-verplaatsingscurves zijn afgebeeld in Figuur 17. De bijhorende waarden voor Fsbs zijn terug te vinden in Tabel 9.

64


6000

5000 1 min

4000

1,5 min 2 min

Kracht (N)

3000

2,5 min 3 min 3,5 min

2000

4 min 4,5 min

1000

5 min

0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5


Figuur 17 Kracht-verplaatsingscurves voor variabele uithardingstijd.

Tabel 9 Fsbs voor variabele uithardingstijd.

Tijd voor uitharden (min)

Fsbs (MPa)

1

33,1

1,5

30,5

2

34,6

2,5

30,5

3

33,5

3,5

34,2

4

40,7

4,5

38,3

5

31,3

Het beste resultaat wordt dus bekomen voor een uithardingstijd van om en bij 4 minuten. Wanneer de las minder tijd krijgt om uit te harden onder druk zal de adhesiesterkte veel lager zijn, en dus ook de sterkte van de verbinding (zie 4.2.2). Bij grotere waarden voor de tijd is de kans op thermische degradatie veel groter. Hierdoor zal Fsbs terug dalen. Een vergelijking met de referentie levert dezelfde vaststelling op als in 4.2.5.1 en 4.2.5.2. .

65


4.2.5.4 Secundaire parameters Oriëntatie

Voor het onderzoek van de invloed van temperatuur, druk en tijd werden telkens 2 proefstukken met [(0,90)]4s-stapeling aan elkaar gelast. In de volgende testen wordt telkens een proefstuk met [(0,90)]4s-stapeling gelast aan een proefstuk met [(90,0)]4s-stapeling. Van de primaire parameters wordt enkel de druk tijdens het uitharden gevarieerd. Temperatuur en tijd worden constant gekozen (zie Tabel 10). Tabel 10 Lasparameters.

temperatuur

320 °C

tijd voor opwarming

20 s


1 MPa


2 - 4 MPa

De kracht-verplaatsingscurves zijn terug te vinden in Figuur 18. De

Fsbs-waarden zijn

weergeven in Tabel 11.

6000

5000

4000 2 MPa Kracht (N)

3000

2,5 MPa 3 MPa 3,5 MPa

2000

4 MPa 1000

0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5


Figuur 18 Kracht-verplaatsingscurves voor andere oriëntering.

66


Tabel 11 Fsbs voor andere oriëntering.

Druk tijdens uitharden (MPa)

Fsbs (MPa)

2

32,8

2,5

34,5

3

38,8

3,5

33,3

4

32,1

Als dit vergeleken wordt met de waarden uit 4.2.4.2 stelt men vast dat de waarden voor Fsbs lager uitvallen en dat het optimum bij een lagere druk terug te vinden is. De oriëntatie heeft dus zeker een invloed.

Toevoegen van PPS

Een onoverkomelijk probleem bij het spiegellassen is het squeeze-effect. Dit effect is des te meer uitgesproken als de druk groter is tijdens opwarmen en uitharden. Om dit verlies aan materiaal op te vangen kan er tussen de opwarmingsfase en de uithardingsfase PPS toegevoegd worden. Dit gebeurt onder de vorm van één of meerdere lagen folie. In Figuur 19 zijn de kracht-verplaatsingscurves terug te vinden voor een aantal lassen. De corresponderende waarden voor Fsbs staan in Tabel 12.

5000

4000

Kracht (N)

3000 1 laag 2000

2 lagen 3 lagen

1000

0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5


Figuur 19 Kracht-verplaatsingscurves voor variabele hoeveelheid PPS.

67


Tabel 12 Fsbs voor variabele hoeveelheid PPS.

aantal lagen PPS

Fsbs (MPa)

1

29,5

2

27,6

3

33,1

De waarden voor Fsbs liggen allemaal rond dezelfde waarde. Deze resultaten moeten wel met de nodige voorzichtigheid geïnterpreteerd worden. Hoewel de sterkte van de lassen lager is dan in vorige gevallen, zegt dit niets over de invloed van het toevoegen van PPS in vloeibare toestand. PPS werd hier immers toegevoegd onder de vorm van folie op kamertemperatuur. Wanneer de folie in contact komt met het verwarmde oppervlak van de proefstukken neemt het een deel van de warmte op die anders zou gebruikt worden voor het vormen van goede las. Om de invloed van deze parameter grondig te onderzoeken zou de PPS dus in vloeibare toestand moeten toegevoegd worden. Dit vraagt extra apparatuur die eventueel in een opvolgend onderzoek kan ontwikkeld worden. Als de stukken niet warm genoeg zijn wanneer de PPS voordoet of als er teveel lagen PPS worden aangebracht, kan zich nog een ander fenomeen voordoen (zie Figuur 20).

Figuur 20 Uitharden van de toegevoegde PPS

In dit geval is er te weinig warmte beschikbaar om de toegevoegde PPS te laten smelten. Door de warmte harden de toegevoegde lagen uit en worden wit van kleur, zoals te zien is op de figuur. Van een lasverbinding is hier absoluut geen sprake; de uitgeharde lagen PPS kunnen eenvoudig terug van het oppervlak gepeld worden.

68


4.2.6 Reproduceerbaarheid Wegens het feit dat de hoeveelheid testmateriaal en de tijd beperkt is, wordt voor ieder stel gekozen parameters slechts 1 proef verricht. Voor een grondig onderzoek zouden er eigenlijk 3 tot 5 moeten verricht worden waarvan dan de gemiddelde waarde wordt genomen om rekening te houden met eventuele spreiding. Voor deze studie kan dit opgelost worden door de proeven te herhalen voor 1 stel parameters en aantonen dat de spreiding minimaal is. In dat geval kan men de resultaten van voorgaande proeven gebruiken in plaats van een gemiddelde waarde. Uit de resultaten bekomen met de driepuntsbuigproef kunnen de optimale instellingen voor het spiegellassen afgeleid worden (zie Tabel 13).

Tabel 13 Optimale lasparameters.

temperatuur

325 °C

tijd voor opwarming

15 s

druk tijdens opwarming

1 MPa

tijd voor uitharden

4 min


3,5 MPa

Er worden een viertal lassen gemaakt volgens de optimale parameters, die vervolgens beproefd worden met de driepuntsbuigproef om de kracht-verplaatsingscurves te bepalen (zie Figuur 21).

6000 5000

Kracht (N)

4000 A 3000

B

2000

C D

1000 0 -0,2 0 -1000

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

V e rplaats ing (m m )

Figuur 21 Kracht-verplaatsingscurves voor studie van reproduceerbaarheid.

69


Zoals valt af te leiden liggen de curves heel dicht bij elkaar en hebben ze min of meer dezelfde helling, waaruit kan geconcludeerd worden dat de spreiding laag is. De reeds bekomen waarden voor Fsbs blijven dus geldig en mogen verder gebruikt worden.

4.2.7 Resultaten met behulp van de lap shear test Nu de optimale instellingen gekend zijn kan aangevat worden met de tweede fase van de proeven. Hier worden alle lassen gemaakt volgens Tabel 13 en getest via een lap shear proef (zie 2.4.2). Het spanning-rekdiagramma voor iedere las wordt weergegeven in Figuur 22.

spanning (Mpa)

250 200 150 100 50 rek [-] 0 0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

Figuur 22 Spanning-rekdiagram van verschillende lassen.

Deze data is volledig onbetrouwbaar, aangezien de curves geen lineair verloop hebben, maar een zekere kromming vertonen. Hierdoor kan de elasticiteitsmodulus niet bepaald worden. Dit verschijnsel is te wijten aan twee zaken. Enerzijds moet er rekening gehouden worden met de vervorming van het proefstuk tijdens de lap shear proef. Wanneer de trek toeneemt, zullen de gelaste plaatjes niet parallel blijven met de trekrichting, maar komen ze krom te staan (zie Figuur 23). Hierdoor wordt de ene zijde van een plaatje extra belast in trek, terwijl de andere zijde een druk ondervindt en de trekspanning gedeeltelijk wordt gereduceerd. Dit betekent dan ook dat de montering van de extensometer van belang is (zie Figuur 24).

70


Figuur 23 Kromming van de gelaste plaatjes

Figuur 24 Montage van extensometer met extra druk (links) en extra trek (rechts)

In plaats van het spanning-rekdiagram wordt het spanning-verplaatsingsdiagram opgesteld. Dit is afgebeeld in Figuur 25.

71


spanning (Mpa)

12 10 8 6 4 2 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

verplaatsing (mm)

Figuur 25 Spanning-verplaatsingsdiagram voor spiegellassen.

Deze gegevens zijn veel bruikbaarder. De lap shear strength Lss van beide lassen bedraagt ongeveer 10 MPa. Deze waarde wordt berekend in de veronderstelling dat het oppervlak van de las niet wijzigt. Bij het uitvoeren van de lap shear proef treedt echter afpelling op aan de randen van de las (zie Figuur 26).

Figuur 26 Afpelling van de las.

72


Hierdoor vermindert het oppervlak van de las, waardoor de eigenlijke lap shear strength een stuk hoger ligt. De oppervlakte van de las net voor breken bedraagt ongeveer een derde van de oorspronkelijke waarde. Lss bedraagt dus eigenlijk 30 MPa in plaats van 10 MPa. Deze waarde komt al heel dicht in de buurt van waarden uit de literatuur. Uit onderzoek van Van Wijngaarden [20] bijvoorbeeld blijkt dat Lss voor inductielassen van glasvezel versterkt PPS 25.1 MPa. Er kan dus geconcludeerd worden dat de kwaliteit van de lassen hoog is. Dit is ook te zien aan het breukgedrag (zie Figuur 27). In dit geval is het niet de las die breekt, maar treedt er delaminatie op in het materiaal zelf, waardoor een stuk uit het ene plaatje breekt en verbonden blijft met het andere plaatje.

Figuur 27 Delaminatie bij lap shear proef.

73


4.3 Infraroodlassen

4.3.1 Lasopstelling Zoals eerder beschreven (zie Hoofdstuk 2) verschilt het infraroodlassen niet zo veel van het spiegellassen. In tegenstelling tot het spiegellassen wordt de warmte gegenereerd door infraroodlampen en overgedragen op de werkstukken door middel van straling. De infraroodlampen die hiervoor gebruikt worden hebben een groot vermogen en zijn niet bij de eerste de beste doe-het-zelfzaak te verkrijgen. Deze lampen vragen bovendien een aanzienlijke investering die in het geval van een proefopstelling niet verantwoord is. Als men deze technologie op grotere schaal wil toepassen wordt dit een veel interessanter alternatief voor spiegellassen. Wegens gebrek aan IR-lampen werd daarom een beroep gedaan op de firma Weisstechnik [20]. Dit bedrijf is de exclusieve verdeler van IR-lampen van het merk Heraeus en aanverwante producten zoals IR-ovens, IR-verwarmingstoestellen, IR-drooginstallaties, …. Het bedrijf heeft in het kader van onderzoek een kleine infraroodoven (zie Figuur 28) ter beschikking voor potentiële klanten en studenten.

Figuur 28 Infraroodoven.

Deze oven kan op eenvoudige wijze in vermogen en dus ook in temperatuur geregeld worden. Bovendien is er beschikking over IR-lampen van korte (type IR-A) en gemiddelde

74


golflengte (type IR-B) (zie Figuur 29). Hoe korter de golflengte, hoe groter de lichtintensiteit, vermogen en indringdiepte.

Figuur 29 Infraroodlampen met middellange (links) en korte golflengte (rechts).

Na het kiezen van vermogen en golflengte worden de proefstukken in de oven geplaatst en opgewarmd. Het voordeel van deze methode is de mogelijkheid om alles visueel te volgen. Eens de PPS volledig gesmolten is, wordt de oven uitgeschakeld en worden de proefstukken manueel op elkaar geplaatst. De druk nodig voor het uitharden van de las wordt hier uitgeoefend met behulp van een bankschroef aangezien er geen trekbank ter beschikking is. Wanneer de las voldoende is uitgehard worden de gelaste stukken verwijderd uit bankschroef.

4.3.2 Resultaten met behulp van de driepuntsbuigproef Net als voor het spiegellassen worden eerst een aantal lassen gemaakt die nadien getest worden via een driepuntsbuigproef. Wegens de beperktheid van de lasopstelling kunnen niet zoveel parameters gevarieerd worden. Enkel de golflengte, de tijd en het vermogen kunnen naar wens ingesteld worden. De andere parameters blijven voor deze proeven constant. Voor meer details over de instellingen voor iedere las wordt verwezen naar Tabel 14 .

Tabel 14 Instellingen voor het infraroodlassen.

Naam

Golflengte

Tijd

Vermogen

A

kort

1 min 55 s

50 %

B

kort

1 min 45 s

50 %

75


C

kort

1 min 45 s

50 %

D

kort

1 min 55 s

50 %

E

kort

1 min 35 s

50 %

F

kort

40 s

75 %

G

kort

1 min 35 s

50 %

H

kort

30 s

75 %

I

middellang

25s

100 %

J

middellang

1 min 50s

50 %

Iedere las wordt vervolgens met een driepuntsbuigproef getest, waaruit de krachtverplaatsingscurve (zie Figuren 30 en 31) en de short beam strength Fsbs wordt afgeleid (zie Tabel 15).

7000

6000

5000 A

4000

B C

3000

D E

2000

F

1000

0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-1000

Figuur 30 Kracht-verplaatsingscurves voor infraroodlassen – driepuntsbuigproef.

76


7000

6000

Kracht (N)

5000 G

4000

H I 3000

J

2000

1000

0 -0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Verplaatsing (mm)

Figuur 31 Kracht-verplaatsingscurves voor infraroodlassen – driepuntsbuigproef.

Tabel 15 Fsbs (MPa) van infraroodlassen.

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

43,7

45,9

45,6

31,7

45,4

49,1

46,6

35,0

32,0

47,8

Ondanks het feit dat niet alle parameters van het proces nauwkeurig konden geregeld worden, vertonen de meeste infraroodlassen een hoge waarde voor Fsbs, die niet veel verschilt van de maximale waarde bereikt via spiegellassen. Door het kleine aantal proeven kan niet met zekerheid bepaald worden wat de invloed is van iedere parameter afzonderlijk. Eén zaak valt toch op: de lassen die gerealiseerd werden op hoog vermogen (75 % of 100 %) vertonen een kleine waarde voor Fsbs. De indringing van de hitte is hier veel hoger waardoor de interne structuur van het composietmateriaal sterker aangetast wordt.

4.3.3 Resultaten met behulp van de lap shear proef Vervolgens worden ook een aantal proefstukken gelast om te testen via de lap shear proef. De instellingen toegepast voor het lassen van de verschillende proefstukken zijn terug te vinden in Tabel 16.

77


Tabel 16

Naam

Golflengte

Tijd

Vermogen

K1

kort

1 min 30 s

50 %

K2

kort

1 min 20 s

50 %

Via de lap shear test wordt voor iedere las het corresponderende spanningverplaatsingsdiagramma bepaald (zie Figuur 32), waaruit de lap shear strength Lss kan berekend worden.

8

K1

7

K2

spanning (Mpa)

6 5 4 3 2 1

verplaatsing (mm)

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Figuur 32 Spanning-verplaatsingscurves voor infraroodlassen.

De corresponderende waarde voor Lss bedraagt voor de beste las (K2) ongeveer 7 MPa. Dit komt toch ook aardig in de buurt van de Lss van de spiegellassen. Bovendien moet men hier ook rekening houden dat het oppervlak van de lasverbinding door afpelling vermindert, waardoor de echte Lss hoger ligt dan 7 MPa.

78


4.4 Adhesieve verbindingen Het lassen van composietmaterialen is een relatief recente ontwikkeling. Vandaag gebeuren de meeste verbindingen van composieten nog altijd via lijmen. Om aan te tonen dat gelaste verbindingen een grote vooruitgang zijn, worden tevens een aantal adhesieve verbindngen gemaakt. Die zullen dan ook getest en vergeleken worden met de resultaten voor gelaste verbindingen.

4.4.1 Resultaten bekomen via de driepuntsbuigproef Hiervoor wordt gebruikt gemaakt van volgende lijmen: Locktite, een foto-elastische lijm en Locktite Super Glue-3. Na het uitvoeren van de driepuntsbuigproeven kunnen de kracht-verplaatsingscurves (zie Figuur 29) en Fsbs bepaald worden (zie Tabel 19).

5000 4500 4000 3500 Locktite

3000 Kracht (N)

FE lijm 2500

Locktite SG-3 A

2000

Locktite SG-3 B Locktite SG-3 C

1500

Locktite SG-3 D

1000 500 0 -0,5

-500

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Verplaatsing (mm)

Figuur 33 Kracht-verplaatsingscurves voor adhesieve verbindingen.

79


Tabel 17 Fsbs voor adhesieve verbindingen

Soort lijm

Fsbs (MPa)

Locktite

25,4

FE lijm

33,8

Locktite Super Glue-3

35,1


35,0


35,0


34,8

Zoals verwacht presteren adhesieve verbindingen slechter dan de lasverbindingen. Als dit vergeleken wordt met het geval van 2 losse plaatjes, verschillen de waarden voor Fsbs niet veel van de referentiewaarde. Lijmen hebben hier dus weinig invloed op het gedrag.

4.4.2 Resultaten bekomen via lap shear proef In Figuur 34 zijn de spanning-verplaatsingsdiagramma weergegeven, gevolgd door de respectievelijke lap shear strength in Tabel 20.

7 6

spanning (MPa)

5 4 3 2 1 0 -0,1

0

0,1

-1

0,2 0,3 verplaatsing (mm)

0,4

0,5

0,6

Figuur 34

Op dit vlak scoren adhesieve verbindingen een stuk beter en kunnen ze concurreren met lasverbindingen. Wanneer de verbinding zuiver op afschuiving wordt belast, zullen adhesieven veel beter presteren [7]. De maximale waarde van Lss bedraagt in dit geval ongeveer 6 MPa.

80


4.5 Niet-destructief onderzoek In plaats van materiaal te verspillen aan destructief onderzoek kan men voor het controleren van de kwaliteit van de las ook anders te werk gaan. Via niet-destructief onderzoek kan de structuur van de laszone bekeken worden en kan zo een oordeel geveld worden over de sterkte van de las. Eerst zal een microscopisch onderzoek verricht worden. Daarna zullen nog een aantal stukken onderworpen worden aan een ultrasone scan.

4.5.1 Microscopisch onderzoek Vooraleer de lassen kunnen bekeken worden, moeten ze voldoende opgepolijst worden. Anders zal het moeilijk worden om een duidelijk beeld te krijgen van de las aangezien de microscoop moeilijk kan focussen op een ruw oppervlak Eerst worden een aantal spiegellassen in detail bestudeerd. Met het blote oog is eigenlijk gemakkelijk vast te stellen waar de lasverbinding zich bevindt. De structuur is immers relatief grof en bevat een aantal holtes. Dit wordt des te meer duidelijk als de laszone meer en meer wordt uitvergroot. De structuur van een spiegellas is verrevan uniform en bevat heel wat porositeiten en onzuiverheden (zie Figuren 35 en 36). Deze onzuiverheden zijn niet enkel afkomstig van het lasproces, maar ook van het verzagen en polijsten van de proefstukken.

Figuur 35 Porositeiten in de las.

81


Figuur 36 Uitvergroot beeld van een porositeit.

Bij maximale uitvergroting is het verschil tussen de laszone en het composietmateriaal heel duidelijk: in de plaatjes kunnen heel goed de vezels onderscheiden worden, terwijl in de laszone de oriëntering van de vezels sterks verstoord is (zie Figuren 37 en 38).

Figuur 37 Ongeschonden structuur van het composietmateriaal.

82


Figuur 38 Verstoorde structuur van het composietmateriaal.

Wanneer men een blik werpt op infraroodlassen, komt men tot heel andere vaststellingen. Met het blote is het praktisch onmogelijk om te zeggen waar de las zich precies bevindt. Zelfs met behulp van de microscoop is dit geen eenvoudige taak. Er moet al sterk uitvergroot worden vooraleer men de laszone kan onderscheiden van het ongeschonden composiet. De structuur van een infraroodlas is veel uniformer en bevat praktisch geen porositeiten en onzuiverheden. Dit verklaart ook eigenlijk waarom de infraroodlassen minder goed presteren bij de lap shear proef in vergelijking met de spiegellassen. De druk bij het infraroodlassen was ongetwijfeld te laag, waardoor er onvoldoende mechanische verankering is tussen de beide delen (zie Figuren 39 en 40).

Figuur 39 Quasi-perfecte structuur.

83


Figuur 40 Geringe distortie van de vezels.

84


4.5.2 Ultrasoon onderzoek De volgende fase van het niet-destructief onderzoek bestaat uit ultrasoon scannen van de lassen. Het principe hiervan is relatief eenvoudig. Aan één kant van de las valt ultrasoon geluid in. Dit geluid zal ofwel doorgelaten, geabsorbeerd of gereflecteerd worden. Afhankelijk van de structuur van het materiaal, in dit geval het materiaal in de laszone is het gereflecteerde gedeelte verschillend. Als het materiaal veel porositeiten en/of onzuiverheden bevat zal er meer geluid geabsorbeerd worden omwille van een verschil in akoestische impedantie met het composiet. Omgekeerd, als het materiaal nagenoeg foutvrij is, zal er veel meer gereflecteerd worden. Voorwaarde voor het maken van een betrouwbare scan is dat het proefstuk zo vlak mogelijk is. Dit procédé wordt toegepast op een aantal lassen. Het resultaat is weergegeven in Figuur 41..Als de scan fel gekleurd is, betekent dit dat de plaatjes goed met elkaar verbonden zijn. Donkere gebieden wijzen op een minder goede lasverbinding. Dit is heel goed te zien op de figuur, waarbij een las gescand werd die vooraf beproefd is met een driepuntsbuigproef. Aan de uiteinden is de lasverbinding nog relatief goed intact. Enkel in het midden, daar waar het proefstuk gebroken is, is de scan donker van kleur. In de linkerfiguur is tevens één helft donker. Dit is te wijten aan het niet voldoende vlak zijn van het specimen.

Figuur 41 Ultrasone scans van een proefstuk na destructief testen

85


4.6 Conclusies Spiegellassen Van alle bestudeerde lasverbindingen scoren die het best. Dit is ook niet verwonderlijk, aangezien een deel van de scriptie erin bestond om dit proces te optimaliseren. De lassen scoren heel goed, zowel in buiging als in afschuiving. Fsbs en Lss bedragen in het optimale geval respectievelijk 52 MPa en 10 MPa. De corrigeerde waarde voor Lss bedraagt ongeveer 30 MPa. In vergelijking met andere lasmethodes scoort het spiegellassen relatief goed, ondanks het proefprogramma redelijk simplistisch is. Als dit uitgewerkt wordt op grotere schaal zullen ongetwijfeld nog betere resultaten worden bekomen. Ook de manier waarop de verbinding breekt overtreft de verwachtingen. Bij een goede lasverbinding treedt de eerste breuk op in het materiaal en dan pas in de lasverbinding. Wanneer het spiegellassen wordt uitgevoerd onder optimale opstandigheden, zal onderaan het proefstuk een dwarse breuk optreden, gevolgd door het breken van de las. De breuk treedt hier ook heel geleidelijk op; er kan dus tevens geconcludeerd worden dat de las zich ductiel gedraagt. Dit gedrag wordt vastgesteld zowel via de driepuntsbuigproef, alsook via de lap shear proef.

Infraroodlassen Ondanks het beperkte aantal gerealiseerde verbindingen is de kwaliteit van de lassen heel hoog. De hoogste waarden voor Fsbs en Lss die via infraroodlassen bereikt worden bedragen respectievelijk 50 MPa en 7 MPa. In vergelijking met het spiegellassen hoeft dit procédé zeker niet onder te doen. Het kan dus ten zeerste aanbevolen worden om deze techniek om grotere schaal en meer in detail te bestuderen. In deze scriptie werden immers slechts 3 parameters gevarieerd. Eén van de belangrijkste, namelijk de druk uitgeoefend tijdens het uitharden kon hier zelfs niet gecontroleerd worden. Zoals uit vorige beschouwingen is gebleken, is die heel bepalend voor de sterkte van de verbinding.

Adhesieve verbindingen Deze werden eigenlijk louter verricht om te kunnen vergelijken met de lasverbindingen. Aangezien hier geen parameters werden gevarieerd, is hier niet echt sprake van een optimalisatie. Zoals eerder aangehaald scoren de lijmverbindingen ondermaats wanneer ze beproefd worden via de driepuntsbuigproef. Enkel bij de lap shear proeven scoren ze relatief goed.

86

Simuleren in ABAQUS

Hoofdstuk 5 : Simuleren in ABAQUS

5.1 Inleiding Naast een uitgebreid experimenteel luik is er voor deze scriptie ook een deel simulatie voorzien. In de eerste plaats zal getracht worden om de driepuntsbuigproef toegepast op 2 losse plaatjes te simuleren. Zo kan de betrouwbaarheid van de experimentele gegevens gecontroleerd worden. Daarnaast kan ook achterhaald worden wat de kritieke punten zijn bij deze proef en kan ook voorspeld worden waar de breuk zich zal voordoen. In de volgende fase is het de bedoeling om een las te simuleren. ABAQUS biedt hier wel voldoende functies voor, maar dergelijke simulaties vragen veel tijd. Daarom zal uitgegaan worden van een benaderde structuur, die dan ook via driepuntsbuiging wordt getest.

87

Simuleren in ABAQUS

5.2 Simulatie van de driepuntsbuigproef voor 2 losse plaatjes

5.2.1 Geometrie De opbouw van de proefopstelling is relatief eevoudig te modelleren. In totaal zijn er 5 componenten, namelijk twee opleggingen, twee proefplaatjes en een rol die kracht kan uitoefenen op het proefstuk. In de experimentele proefopstelling is de geometrie van de opleggingen redelijk complex. Om de modellering hiervan te vermijden kunnen ze vervangen worden door twee kleine cilinders met straal 2 mm, wat precies ook de kromtestraal is van de opleggingen. De rol en de opleggingen worden beide gesimuleerd als stalen cilinders met een respectievelijke straal van 5 mm en 2 mm. Om het meshen eenvoudig te maken worden ze gepartitioneerd door middel van twee orthogonale vlakken die de as van de cilinder bevatten. Daarenboven wordt nog een extra partitie toegepast die de cilinder verdeelt in een kleine cilinder en een omhullende buis (zie Figuur 1).

Figuur 1 Rol en oplegging.

De centrale cilinder wordt dan beschouwd als een ‘analytical rigid body’ (oneindig stijf lichaam). Het is dus enkel de mantel van de rol en de opleggingen die zal kunnen vervormen. Hierdoor wordt het model eenvoudiger en zal de rekentijd een stuk korter zijn. Bij het ontwerp van het proefstuk wordt ook een kleine kunstgreep toegepast, die de PC heel wat rekenwerk zal besparen. Aangezien de opstelling symmetrisch is, volstaat het om slechts één kwart van het proefstuk te modelleren. Aangezien er gewerkt wordt met proefstukken van 50 mm x 20 mm x 2,5 mm komt dit neer op een model met afmetingen 25 mm x 10 mm x 2,5 mm. Op die manier is er dan ook maar één oplegging nodig.

88

Simuleren in ABAQUS

Het proefstuk wordt dan net als de vorige componenten gepartitioneerd. Aangezien een plaatje opgebouwd is uit 8 lagen semipreg (zie Hoofdstuk 2), wordt het gemodelleerd met behulp van langse partities(zie Figuur 2).

Figuur 2 Plaatje.

Naast de langse partities worden ook nog een aantal dwarse partities voorzien. Dit is nodig omdat er rekening moet gehouden worden met de interactie tussen rol en plaatje (indrukking) en plaatje en proefstuk (wrijving). Dit is ook gemakkelijker naar het meshen toe en bespaart eveneens heel wat rekentijd. Aan het proefstuk worden dan als afsluiter de gekende eigenschappen van CETEX RTL toegekend (zie Hoofdstuk 2). De samenbouw van de opstelling is afgebeeld in Figuur 3.

Figuur 3 Samenbouw van de driepuntsbuigproef.

89

Simuleren in ABAQUS

5.2.2 Interactie tussen de onderdelen Om het model verder uit te bouwen moeten ook de interacties rol – plaatje en oplegging – plaatje geïntegreerd worden, alsook de interactie tussen de plaatjes. Het verband tussen de rol en het proefstuk is het eenvoudigst. De rol beweegt naar beneden en oefent zo een normaalkracht uit in het midden van het bovenste plaatje. Dit wil zeggen dat er een normaal contact bestaat tussen beide. De neerwaartse beweging van de rol wordt daarenboven gelimiteerd tot 5 mm. Dit is eigenlijk al een overschatting, aangezien de doorbuiging in de experimenten nooit groter was dan 3 mm. De relatie tussen de oplegging en het onderste plaatje is iets anders. Wanneer beide plaatjes doorbuigen, zal het onderste plaatje wrijven over de opleggingen. In dit geval is er dus een frictioneel contact. De wrijvingscoëfficiënt van CETEX RTL op staal bedraagt 0,2. Dit frictioneel contact bestaat ook tussen beide plaatjes onderling. Aangezien de plaatjes los op elkaar gestapeld zijn, kunnen ze vrij over elkaar heen bewegen. De wrijvingscoëfficiënt is in dit geval niet gekend. Daarom wordt eerst uitgegaan van een waarde van 0,2 . Indien de resultaten niet stroken met de experimentele data kan deze waarde indien nodig nog aangepast worden.

5.2.3 Toekennen van body contraints Om het model te vervolledigen moeten er ook nog een aantal body constraints toegekend worden. Zo is al ingesteld dat de rol neerwaarts zal bewegen, maar als er niets is om de rol tegen te houden zal de simulatie niets opleveren. Er worden daarom 4 bodyconstraints toegekend: •

De rol mag enkel bewegen volgens de z-as.

•

De oplegging moet stationair blijven

•

Aangezien enkel een kwart van de plaatjes gemodelleerd is, moeten nog extra symmetrievoorwaarden worden toegekend. Zo mag het frontale vlak niet bewegen in de y-richting. Dit is echter niet voldoende. Daarnaast mag het zijvlak niet bewegen in de x-richting. Enkel met deze constraints zal het proefstuk op de juiste manier reageren.

90

Simuleren in ABAQUS

5.2.4 Meshen van de onderdelen Hoe fijner de mesh, hoe nauwkeuriger het resultaat zal zijn. Dit betekent echter ook een exponentiële toename van de rekentijd. Het komt er dus op aan om een compromis te zoeken tussen beide. De rol en de oplegging worden beide gemesht met een h/L-verhouding van ongeveer 0,01. Voor de plaatjes wordt een iets hogere waarde gekozen: de h/Lverhouding bedraagt in dit geval 0,05 (zie Figuur 4).

Figuur 4 Mesh van de opstelling.

5.2.5 Uitvoeren van de simulatie Het resultaat van de simulatie is weergegeven in Figuren 5 en 6.

Figuur 5 Verloop van S11 – spanning.

91

Simuleren in ABAQUS

Figuur 6 Verloop van S13-spanning.

Er kan dus duidelijk vastgesteld worden dat de plaatjes over elkaar heen bewegen. Als de spanningsverdeling in detail wordt bekeken kan men zien dat de kritische punten voor de S11-trekspanning in het middelste vlak van het proefstuk gelegen zijn. Beide plaatjes worden onderaan sterk in trek belast, terwijl de bovenkant een grote drukkracht ondervindt. Voor de S13-schuifspanning daarentegen zijn de grootste waarden geconcentreerd rond de punten waar de plaatjes contact maken met de rol en de oplegging. Ook de binnenste zones van de plaatjes ondervinden aanzienlijke schuifspanningen. Om te controleren of de simulatie in lijn is met de experimentele data wordt de reactiekracht die de rol ondervindt geplot in functie van de doorbuiging (zie Figuur 7).

14000 12000

Kracht (N)

10000 8000 simulatie

6000

experiment

4000 2000 0 -0,5 -2000 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Verplaatsing (mm)

Figuur 7 Kracht-verplaatsingscurve voor 2 losse plaatjes met µ = 0,2.

92

Simuleren in ABAQUS

Zoals te zien zijn de optredende krachten te groot in vergelijking met de experimentele gegevens. Dit is ongetwijfeld te wijten aan een foute inschatting van de wrijvingscoëfficiënt tussen beide plaatjes. De waarde voor de wrijvingscoëfficiënt wordt nu ingesteld op 0,1. Opnieuw simuleren levert een veel beter resultaat (zie Figuur 8). Het begin van de simulatie strookt nog niet helemaal met de werkelijkheid, maar naar het einde toe is het verschil met het experiment miniem.

6000 5000

Kracht (N)

4000 3000

simulatie

2000

experiment

1000 0 -0,5 0 -1000

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Verplaatsing (mm)

Figuur 8 Kracht-verplaatsingscurve voor 2 losse plaatjes met µ = 0,1.

93

Simuleren in ABAQUS

5.3 Simulatie van de driepuntsbuigproef voor een perfecte las Voor een eenvoud van rekenen wordt uitgegaan van volgende benadering. Er wordt verondersteld dat de aangebrachte las perfect is van aard. Een las is pas perfect als die de sterkte van het omliggende materiaal evenaart of overtreft. In dit geval bestaat het omringende materiaal uit Carbon PPS. Als de materiaaleigenschappen van de las minstens gelijk zijn aan die van Carbon PPS, kan een perfecte las gesimuleerd worden.

5.3.1 Geometrie Aan rol en oplegging wordt niets veranderd, enkel het proefstuk moet aangepast worden. Nu bestaat het proefstuk immers uit 1 geheel, dat gevormd wordt door het lassen van twee plaatjes Carbon PPS. Net als bij de plaatjes voert men langse en dwarse partities in. Door samenstellen van twee plaatjes krijgt men in totaal 16 lagen. Hierbij neemt men de twee contactlagen van de plaatjes samen als model voor de las (zie Figuur 8).

Figuur 9 Proefstuk van een perfecte las.

Lassen van composieten gaan altijd gepaard met een kleine diktereductie. Uit de experimentele data blijkt dat die gemiddeld 0,03 mm bedraagt. In het model wordt hier mee rekening gehouden door de las 0,03 mm dunner te maken.

94

Simuleren in ABAQUS

5.3.2 Interacties, body constraints en meshen Deze stappen zijn analoog aan de modellering van de driepuntsbuigproef voor twee losse plaatjes. Bij de definitie van de interacties is in dit geval het frictioneel contact tussen de plaatjes niet nodig. De plaatjes vormen hier immers één geheel.

5.3.3 Uitvoeren van de simulatie Het resultaat voor S11 is weergegeven is Figuur 10.


Zoals te zien is op de figuur, is er in dit geval geen sprake van beweging tussen de gelaste plaatjes. De eindvlakken blijven hier tijdens het doorbuigen in elkaars verlengde liggen. Het proefstuk gedraagt zich in dit geval net als één plaatje: de onderkant ondervindt grote trekspanningen, terwijl de bovenkant vooral in druk belast wordt. Dit gedrag vertoont veel overeenkomsten met een aantal experimentele lassen. Zo was er bij de beste lassen enkel een dwarse breuk onderaan het proefstuk. Bovenaan trad er schade op door indrukking van de rol in het materiaal. Het verloop van S13 is weergegeven in Figuur 11.

95

Simuleren in ABAQUS


Zoals te zien is wordt vooral het centrum van het proefstuk, met andere woorden de laszone sterk in afschuiving belast. De kracht-verplaatsingscurve voor een perfecte las staat afgebeeld in Figuur 10.

30000 25000

Kracht (N)

20000 15000

simulatie

10000

experiment

5000 0 -5000

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Verplaatsing (mm)

Figuur 12 Kracht-verplaatsingscurve voor een perfecte las.

Over de correctheid van deze resultaten kan geen oordeel geveld worden. In de figuur is ook de curve gegeven van een optimale las. Die scoort nog ondermaats ten opzichte van het model, maar in toekomstig onderzoek kan hier werk van worden gemaakt.

96

Verdere stappen

Hoofdstuk 6 : Verdere stappen

6.1 Inleiding Uit de voorgaande hoofstukken blijkt dat het lassen van composieten grote voordelen biedt ten opzichte van andere verbindingen. Er moet echter nog een grote weg afgelegd worden op het vlak van onderzoek vooraleer een praktische implementatie als volledig betrouwbaar kan beschouwd worden. Daarom wordt in hetgeen wat volgt een aantal oplossingen aangeboden voor problemen die zijn opgetreden en mogelijke verbeteringen.

97

Verdere stappen

6.2 Coating van het lastoestel tegen kleven Zoals bij het spiegellasen is gebleken is dit een heel grote hinderpaal, vooral als men dit proces wil commercialiseren. In het onderzoek werden reeds een aantal stoffen zoals Teflon en Kaptonfilm getest op hun bruikbaarheid. Teflon was hier niet echt geschikt aangezien de maximum gebruikstemperatuur beperkt is tot 260 °C. Dit is onvoldoende aangezien de smelttemperatuur van PPS 290 °C bedraagt en de optimale temperatuur van het lassen ongeveer 325 °C is. Bij deze temperaturen heeft de laag Teflon de neiging om te rimpelen en plastisch te vervormen, zelfs als de laag voldoende wordt voorgespannen Bovendien levert dit ook een gezondsheidsrisico op, aangezien Teflon giftige stoffen vormt bij een te hoge temperatuur. Kaptonfilm is ten opzichte van Teflon wel beter, aangezien het bruikbaar is tot 400 °C, wat ruimschoots voldoende is voor PPS. Het enige probleem is dat er bij het opwarmen van het composietmateriaal nog altijd een kleine hoeveelheid vloeibare PPS aan het oppervlak blijft kleven. Kaptonfilm kan ook problemen geven in combinatie met andere materialen. Polyimide bijvoorbeeld wordt vandaag ook veel gebruikt als matrix voor composieten. De smelttemperatuur van polyimide ligt echter op 400 °C, waardoor Kaptonfilm in dit geval te kort zal schieten. Een alternatief is het gebruik van Thermolon, een materiaal dat nog maar een aantal jaar bestaat en beschouwd wordt als de opvolger van Teflon. Vandaag wordt Thermolon al gebruikt voor de productie van antikleefpannen (zie Figuur 1). Thermolon heeft een aantal belangrijke eigenschappen dat het tot een waardig alternatief maakt voor Teflon. Zo is het bruikbaar tot 450 °C en er komen geen schadelijke stoffen vrij. Bovendien is het een milieuvriendelijke coating: bij de productie wordt de CO2-uitstoot met 60 % gereduceerd ten opzichte van een conventionele Teflonpan. Jammergenoeg is dit materiaal nog niet voor particulieren beschikbaar, daar het sterk beschermd wordt door patenten. In de toekomst kan hier echter wel snel verandering in komen.

Figuur 1 Thermolonpan [22].

98

Verdere stappen

6.3 Infraroodlassen op grotere schaal Op proefschaal is het onderzoek naar infraroodlassen niet haalbaar, tenzij men bereidt is grote investeringen te doen met betrekking tot infraroodlampen. Toepassingen op grotere schaal zijn wel interessant aangezien de aankoop van infraroodlampen in dat geval veel voordeliger is. Bovendien is de keuze dan veel groter. Algemeen bestaat er 3 klassen: IR –A, IR-B en IR-C naargelang de golflengte van het uitgezonden infraroodlicht. De prijs van dergelijke lampen is ook lager: standaard mag uitgegaan worden van een prijs van 500 € per meter. Ter vergelijking: voor kleinere modellen (15 cm lengte) mag men rekenen op een prijs van 400 € per lamp. In dit geval wordt het probleem van een antiklevende coating ook vermeden aangezien infraroodlassen contactloos gebeurt. De ontwikkeling van een lastoestel op grotere schaal zal ook veel meer mogelijkheiden bieden naar regeling en automatisatie toe. Naast ingebrachte vermogen van de lampen moet ook de druk uitgeoefend door de zuigers geregeld worden, alsook de snelheid waarmee de zuigers op en neer bewegen. De regeling van het uitgestraalde vermogen kan in principe ook gebeuren met een PIDcontroller analoog aan die gebruikt voor het proeftoestel. Deze biedt echter enkel een regeling van de spanning aan, terwijl het ook interessant zou zijn als het vermogen van de lampen kan gestuurd worden. Zo kunnen de lampen nog sneller en nauwkeuriger geregeld worden. Bovendien kunnen veel ingewikkelder temperatuurprofielen opgelegd worden. Bij de proeven op laboschaal werd doorgaans één gewenste temperatuur gekozen. De taak van de controller bestond er dan in om op een zo snel mogelijk wijze naar deze waarde te gaan en de temperatuur min of meer constant te houden. In de praktijk kan dit uitgebreid worden met betrekking tot lastemperatuur, lasdiepte, tijdsduur om een optimale temperatuursprofiel te bepalen.

De werking van een eenvoudige PID-controller brengt nog andere problemen met zich mee. Daarin wordt de weerstand, lamp, … afwisselend onder 0 en 230 V geplaatst. Dit is niet enkel belastend voor de controller, maar ook voor de verschillende componenten van het toestel. Een manier om dit op te lossen is gebruik te maken van een thyristorregeling, waarbij de spanning en dus ook de temperatuur op continue wijze kan gevarieerd worden.

99

Verdere stappen

6.4 Lassen met een getand of gegolfd profiel De opwarming voor het lassen op laboschaal gebeurt hier door de proefstukken tegen het oppervlak van een warme, vlakke plat te drukken. In plaats van een vlak profiel kunnen ook andere profielen overwogen worden zoals getand, gegolfd, ….

Figuur 2 Mogelijke profielen voor het verwarmingselement.

Wanneer het oppervlak van de onderdelen wordt opgewarmd, wordt op die manier ook een profiel aangebracht. Als de onderdelen dan op elkaar gedrukt worden, haken ze als het ware in elkaar waardoor de mechanische verankering en dus ook de sterkte van de lasverbinding zal toenemen. De stukken moeten wel goed afgestemd zijn op elkaar: zo moeten de profielen elkaars spiegelbeeld zijn en moeten de stukken zo goed mogelijk ten opzichte van elkaar gepositioneerd zijn (zie Figuur 3).

Figuur 3 Correcte en foute alignering van geprofileerde proefstukken.

100

Verdere stappen

Door het aanbrengen van een profiel zal echter ook de vezeloriëntering verstoord worden, wat nadelig is voor de sterkte van de verbinding.

6.5 Simulatie in Abaqus met behulp van cohesive elements Om een beter inzicht te krijgen in het gedrag van de lassen bij driepuntsbuigproef, lap shear proef, vermoeiingsproef,… is een simulatie van groot belang. Een aanzet hiervoor werd reeds gegeven in Hoofdstuk 5. De resultaten die hiermee werden bekomen waren nog niet zo nauwkeurig en de verkregen informatie was beperkt, daar het niet eenvoudig is om een realistisch model van de las op te stellen. Dit kan verholpen worden door gebruik te maken van de zogenaamde ‘cohesive elements’. Dit zijn speciale elementen in ABAQUSTM die gebruikt worden om delaminaties en lijmverbindingen te kunnen modelleren. Deze laten een veel betere modellering toe van het materiaal in de laszone. Werken met cohesive elements is echter geen sinecure; het vraagt veel tijd, inzicht en ervaring om tot goede resultaten te komen en binnen het tijdsbestek van deze scriptie was er nog onvoldoende tijd voorhanden, aangezien de nadruk vooral op het experimenteel aspect lag.

101

Appendix A

Appendix A : Ontwerp lasapparaat

102

Appendix A

A – 1 : samenbouw verwarmingselement

103

Appendix A

Nr.

Stuk

1

bovenplaat

2

middenplaat

3

onderplaat

4

M6 verzonken bout met zeskant

5

linkerhandvat

6

rechterhandvat

7

verwarmingsweerstand

104

Appendix A

A – 2: stuktekening bovenplaat

105

Appendix A

A – 3: stuktekening middenplaat

106

Appendix A

A – 4: stuktekening onderplaat

107

Appendix A

A – 5: stuktekening verwarmingsweerstand

108

Appendix A

A – 6: stuktekening linker- en rechterhandvat

109

Appendix A

A – 7: stuklijst verwarmingselement Stuk

Materiaal

Aantal

bovenplaat

aluminium

1

middenplaat

aluminium

1

onderplaat

aluminium

1

linkerhandvat

Promatect

1

rechterhandvat

Promatect

1

M6 verzonken bout met zeskant

aluminium

5

verwarmingsweerstand RF - RPT

1

thermokoppel type K

1

stekker voor verwarmingsweerstand

1

stekker voor thermokoppel

1

110

Appendix A

A – 8: stuklijst controle-eenheid

Stuk

Aantal

230 V voedingskabel met stekker – lengte 2 m

1

smeltveiligheid – max. stroom 1A

2

houder voor smeltveiligheid

2

schakelaar

1

temperatuurcontroller Chromalox 1510

1

behuizing

1

stopcontact verwarmingsweerstand

1

stopcontact thermokoppel

1

111

Appendix A

A – 9: Verwarmingsweerstand RPT-126500

112

Appendix A

A – 10: Chromalox temperatuurcontroller 1510

113

Appendix B

Appendix B : Offertes

114

Appendix B

B – 1 : offerte Dirac Industries

115

Appendix B

B – 2 : Offerte Weisstechnik

116

Appendix B

117

Appendix B

118

Appendix C

Appendix C : Normen

119

Appendix C

C – 1: Norm voor driepuntsbuigproef

120

Appendix C

121

Appendix C

C – 2: Norm voor lap shear proef

122

Appendix C

123

Referenties

Referenties

[1]

100 years of Bakelite, the material of a 1000 uses. Daniel Crespy, Marianne Bozonnet, and Martin Meier History of Science, DOI: 10.1002/anie.200704281

[2]

A comparison between thermoplastics and thermoset composites Wang E., Gutowski T. Sampe journal, Vol.26, Issue 6, p.19-26

[3]

firma Ten Cate www.tencate.com

[4]

A study on behaviour of PPS Hou C.S., Zao B.C., Yang J. Journal of Apple

[5]

cursus Composieten I prof.dr.ir. J. Degrieck

[6]

It’s not just an aesthetic decision : choosing the right weave design K. Anderson januari 2007

[7]

cursus Constructietechnieken prof.dr.ir. A. D’hooghe

[8]

Composite decisions www.designnews.com/article/CA6303105

124

Referenties [9]

Fusion bonding/welding of thermoplastic composites A. Yousefpour en al. Journal of Thermoplastic composites, 2004, editie 17, p.303-341

[10]

Simulation of impulse resistance welding for thermoplastic matrix composites Arias A. en al. Journal of Thermoplastic composites

[11]

Wikipedia www.wikipedia.org

[12]

Some characteristics of ultrasonic welding of polymers Yang W. en al. Journal of Composites, 2002, editie 25

[13]

Heraeus n.v. Special Lights division www.heraeus-noblelight.com

[14]

Geberit n.v. www.geberit.nl

[15]

A phenomenological study of the hot-tool welding of thermoplastics Vijay K. Stokes Journal of Polymer science, 2000, editie 41, p.4317-4343

[16]

Resistance welding of thermoplastic composites – an overview D. Stavrov, H. Bersee Journal of Composites, 2005, editie 36, p.39-54

[17]

cursus Modelleren en Regelen van Dynamische Systemen prof.dr.ir. R. De Keyser

[18]

Experimental investigation of resistance welding of thermoplastic composites D. Stavrov, H. Bersee Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering

125

Referenties [19]

Polymer dynamics applied to PEEK matrix composites welding J.-F. Lamèthe, P. Beauchêne Office National d’Etudes de Recherches Aérospatialses (ONERA)

[20]

Welding technologies for a generic carbon fiber reinforced thermoplastic assembly M.J van Wijngaarden Kok & Van Engelen Composite structures bv

[21]

Weisstechnik n.v.

[22]

Greenpan www.green-pan.com

126

Promotoren: prof.dr.ir. Joris Degrieck, prof.dr.ir. Wim Van Paepegem Begeleider: dr.ir. Ives De Baere

Recommend Documents