DE102017119491A1

DE102017119491A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von einem Duromer-Objekt mit einem weiteren Objekt über thermoplastische äußere Schichten

Info

Publication number: DE102017119491A1
Application number: DE102017119491.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Linde; Brian Wardle
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US20190061273A1; US10994493B2; CN109421282A

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt offenbart, wobei das erste Objekt aus einem Duromer hergestellt ist und eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst, wobei das zweite Objekt zumindest eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst. Ferner wird eine Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen auf die das thermo-plastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts aufgebracht, und das zweite Objekt auf das erste Objekt aufgelegt. Dabei liegt zumindest ein Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des zweiten Objekts auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen. Zudem wird eine Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen angelegt, sodass ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen fließt, wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des zweiten Objekts erwärmt werden und miteinander verschweißt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen zweier Objekte, wobei ein erstes der Objekte aus einem Duromer hergestellt ist und eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst, und ein zweites der Objekte zumindest eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst.
In der Industrie werden vermehrt Kunststoffmaterialien zur Herstellung von Bauteilen und Vorrichtungen eingesetzt. Insbesondere faserverstärkte Verbundwerkstoffe (faserverstärkte Kunststoffe) werden aufgrund ihres geringeren Gewichts und auch ihrer größeren Tragfähigkeit gegenüber metallischen Materialien bevorzugt. So setzt sich auch im Flugzeugbau der Einsatz faserverstärkter Verbundwerkstoffe, beispielsweise kohlefaserverstärkter Kunststoffe, immer weiter durch.
Ferner sind inzwischen auf Basis von Duromer (auch als Duroplast oder „Thermoset“ bezeichnet) hergestellte faserverstärkte Kunststoffbauteile für die Herstellung der Primärstruktur eines Flugzeugs (die tragende Struktur des Flugzeugs) zugelassen und daher gängige Praxis. Ein auf Basis von Duromer/Duroplast hergestellter Verbundwerkstoff wird nachfolgend als „Thermoset composite“ oder nur „Thermoset“ bezeichnet. Diese Thermoset-Verbundwerkstoffe werden mithilfe eines Kunstharzes und mindestens einer Gewebeschicht, die von dem Kunstharz durchtränkt ist, vorgefertigt. In einem chemischen Prozess härtet das Kunstharz aus, wobei nahezu jede Bauteilform erzielt werden kann. Dieser Aushärtvorgang ist jedoch irreversible, wodurch das Bauteil nach Aushärtung nicht wieder verformt oder anderweitig verändert werden kann, ohne das Thermoset negativ zu beeinflussen.
Im Gegensatz zu den irreversiblen Thermoset-Verbundwerkstoffen werden auch thermoplastische Verbundwerkstoffe zur Herstellung von Bauteilen und Vorrichtungen eingesetzt. Auch im Flugzeugbau werden inzwischen thermoplastische Verbundwerkstoffe verwendet. Diese bieten den Vorteil, dass der zugrundeliegende thermoplastische Kunststoff nach der Fertigstellung des Bauteils durch Erwärmung wieder verformt werden kann oder auch mit einem anderen thermoplastischen Kunststoffbauteil verschweißt werden kann. Neben einer besseren Umweltverträglichkeit gegenüber Thermoset-Verbundwerkstoffen bieten thermoplastische Verbundwerkstoffe außerdem noch den Vorteil einer besseren Schadenstoleranz. Jedoch sind thermoplastische Verbundwerkstoffe deutlich teurer als Thermoset-Verbundwerkstoffe.
Aufgrund des irreversiblen Herstellung- und Formungsprozesses bei Thermoset-Verbundwerkstoffen können zwei aus diesem Material hergestellte Bauteile nicht so einfach miteinander verbunden werden, beispielsweise verschweißt werden, wie dies bei thermoplastischen Verbundwerkstoffen möglich ist. Deshalb werden Thermoset-Verbundwerkstoffe, wie in 1 schematisch dargestellt, mittels Verbindern zusammengefügt. So sind in 1 ein erstes Bauteil 110 und ein zweites Bauteil 120 dargestellt, die in einem bestimmten Bereich überlappen. In dem Überlappungsbereich ist mindestens ein Verbinder 115 vorgesehen, der durch beide Bauteile 110, 120 durchgreift und diese aneinanderpresst. Ein Verbinder 115 kann beispielsweise als Schraube/Bolzen mit Mutter oder als Niet ausgeführt werden.
Alternativ können zwei Bauteile aus Thermoset-Verbundwerkstoff auch miteinander verklebt werden, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Dabei kann auf ein Bauteil 110 ein Klebstoff 116 aufgebracht werden, beispielsweise mittels einer Düse, Bürste oder Pinsel 117. Als Klebstoff eignet sich ein auf Epoxy basierender Klebstoff (wie zum Beispiel der Klebstoff mit der Typbezeichnung „FM 300“). Das zweite Bauteil 120 wird auf das so vorbereitete erste Bauteil 110 aufgelegt und verklebt. Eines oder beide der Bauteile 110, 120 kann/können im ungehärteten Zustand verklebt werden, wobei der Klebeprozess dann mit der Aushärtung der Bauteile in einem Autoklav stattfinden kann.
Insbesondere bei Verwendung mindestens eines ungehärteten Bauteils 110, 120 ist die Verklebung sehr aufwendig, da die Geometrie des aufzubringenden Klebstoffs 116, aber auch die Oberflächenvorbereitung beider Bauteile 110, 120, sowie der Aushärtungsprozess die Qualität des zusammengesetzten Bauteils maßgeblich beeinflussen. Beispielsweise kann eine zu hohe Aushärttemperatur zu einer Delamination oder anderen Schäden des bereits ausgehärteten Bauteils führen. Das Verkleben von zwei bereits ausgehärteten Bauteilen 110, 120 ist für die Herstellung der Primärstruktur von Flugzeugen aus Sicherheitsgründen nicht vorgesehen, da deren Klebeverbindung aufgrund der schlechteren Materialverbindung der beiden Bauteile mit dem Klebstoff eine mögliche Schwachstelle darstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, wodurch aus mindestens zwei Verbundwerkstoff-Objekten (oder - Bauteilen) zusammengesetzte Konstruktionen kostengünstig hergestellt werden können und deren mechanische Eigenschaften nur geringfügig oder gar nicht beeinträchtigt werden.
Hierzu lehrt die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt, wobei das erste Objekt aus einem Duromer hergestellt ist und eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst, und wobei das zweite Objekt zumindest eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem ersten Objekt um ein Thermoset-Objekt, das zumindest einen irreversiblen Abschnitt oder Körper umfasst. Darauf kann unmittelbar oder mittelbar (also mit einer oder mehreren Zwischenschichten) die äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material aufgebracht sein. Die thermoplastische äußere Schicht, auch als thermoplastischer Schleier bezeichnet, verbessert die mechanischen Eigenschaften des Thermoset-Objekts. Beispielsweise wird die Duktilität des Thermoset-Objekts verbessert, was zu einem Abmindern einer eventuellen Schadensausbreitung und Hemmung oder Verlangsamung einer Delamination im Schadensfall oder Überlastungsfall führt. Beispielhafte Thermoset-Materialien werden unter der Bezeichnung M21E und M21EX geführt.
Das zweite Objekt kann entweder vollständig oder teilweise aus thermoplastischem/n Material/ien bestehen, sodass zumindest eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material besteht. Selbstverständlich kann das zweite Objekt auch, wie das erste Objekt, aus einem Duromer hergestellt sein, auf das die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht unmittelbar oder mittelbar aufgebracht ist.
Die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts, und/oder gegebenenfalls des zweiten Objekts, kann bereits vor dem Aushärten des aus Duromer bestehenden Teils des Objekts aufgebracht werden. Dadurch lässt sich eine feinere und vollständigere chemische Verbindung der Duromer- und der thermoplastischen Moleküle erzielen, als dies bei einem Aufbringen nach Aushärten des Duromers der Fall wäre. Auch kann dadurch die äußere Schicht dünner ausgeführt werden, als beispielsweise beim Auftragen einer thermoplastischen Schicht auf ein ausgehärtetes Thermoset-Objekt.
Das Verfahren kann folgende Schritte umfassen:

- Aufbringen einer Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts;
- Auflegen des zweiten Objekts auf das erste Objekt, wobei zumindest ein Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des zweiten Objekts auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen liegt; und
- Anlegen einer Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen, sodass ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen fließt, wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des zweiten Objekts erwärmt werden und miteinander verschweißt werden.

Die Kohlenstoffnanoröhrchen können mithilfe eines Lösemittels auf das erste Objekt aufgebracht werden. Anschließend kann das Lösemittel verdunsten und eine dünne Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (also eine Schicht, die Kohlenstoffnanoröhrchen enthält) auf dem ersten Objekt zurücklassen. Alternativ oder zusätzlich können die Kohlenstoffnanoröhrchen auch zunächst zu einer papierähnlichen Struktur zusammengepackt werden, ein sogenanntes „bucky paper“, welche dann auf das erste Objekt aufgelegt wird. Diese papierähnliche Struktur wird ebenfalls mit Hilfe eines Lösemittels, in dem sich die Kohlenstoffnanoröhrchen befinden, hergestellt, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen am Ende wie Fasern aneinanderhängen.
Die so hergestellte Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen kann aus wenigen übereinanderliegenden Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen und so eine äußerst geringe Schichtdicke aufweisen. Ein Kohlenstoffnanoröhrchen hat eine Durchmesser von ca. 1 nm, sodass die hergestellte Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen eine Schichtdicke von ca. 2 bis 10 nm aufweisen. Insbesondere kann eine Schichtdicke von 2 bis 5 nm erzielt werden, die ausreicht, um die beiden thermoplastischen Materialien zu erwärmen und miteinander zu verschweißen.
Ferner kann die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen eine durchgängige Beschichtung der äußeren Schicht des ersten Objekts mit Kohlenstoffnanoröhrchen bewirken. Alternativ können die Kohlenstoffnanoröhrchen linien- und/oder gitterförmig (geradlinig oder gekrümmt) aufgebracht werden. Selbstverständlich können die Kohlenstoffnanoröhrchen in jeder beliebigen Form auf dem ersten Objekt und/oder dem zweiten Objekt aufgebracht werden.
In einer Ausgestaltung kann eine weitere Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem zweiten Objekt, und insbesondere auf der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des zweiten Objekts aufgebracht werden. Nach dem Auflegen des zweiten Objekts auf das erste Objekt können die beiden Schichten aus Kohlenstoffnanoröhrchen aufeinander liegen, wodurch sie gemeinsam als Stromleiter dienen. Beispielsweise können beide Schichten aus Kohlenstoffnanoröhrchen auf dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt linien- oder gitterförmig aufgebracht werden und nach dem Auflegen des zweiten Objekts auf das erste Objekt so aufeinander zu liegen kommen, dass sie zusammen eine Gitterstruktur (oder ein feineres Gitter mit kleineren Abständen zwischen Gitterlinien) bilden.
Aufgrund des Stromflusses durch die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen wird Wärme genau an der Stelle erzeugt, an der das erste und zweite Objekt miteinander verschweißt werden sollen. Bei komplexeren Bauteilen lassen sich einzelne Verbindungen auch nacheinander herstellen, beispielsweise durch nacheinander erfolgende Herstellung mehrerer Bereiche mit einer Kohlenstoffnanoröhrchenschicht und/oder durch nacheinander erfolgendes Anlegen der Spannung an unterschiedlichen Stellen der Kohlenstoffnanoröhrchenschicht(bereiche).
In einer Ausgestaltung kann die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des zweiten Objekts durch Remote-Joule-Erhitzen aufgrund des durch die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen fließenden elektrischen Stroms erwärmt werden. Im Gegensatz zu einem Erhitzen auf Basis des Joule-Effekts, bei dem das Strom durchflossene Material selbst Abwärme aufgrund des Stromflusses erzeugt, werden beim Remote-Joule-Erhitzen aufgrund des Stromflusses durch die Kohlenstoffnanoröhrchen Atome des die Kohlenstoffnanoröhrchen umgebenden Materials zu einer schnelleren Schwingung angeregt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des die Kohlenstoffnanoröhrchen umgebenden Materials, während die Kohlenstoffnanoröhrchen selbst keine Erwärmung durch den Stromfluss erfahren.
Das Remote-Joule-Erhitzen ermöglicht eine sehr präzise und gut steuerbare Erwärmung in einem sehr geringen Bereich um die Kohlenstoffnanoröhrchen. Dadurch können die das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts (die aufeinanderliegen und die Kohlenstoffnanoröhrchen umgeben) erwärmt und aufgeschmolzen werden. Durch Vermischen der Schichten und anschließendes Abkühlen werden die beiden das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts miteinander verschweißt.
Durch den Stromfluss in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen kann das umliegende Material auf bis zu 500 °C erwärmt werden. Je nach Typ des thermoplastischen Materials in den zu verschweißenden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts liegt die zu erzielende Schweißtemperatur zwischen 320 °C und 400 °C. Bei der zu erzielenden Schweißtemperatur wird das thermoplastische Material durch die Erwärmung aufgeweicht oder sogar verflüssigt, wodurch sich die thermoplastischen Moleküle der Schichten der jeweiligen zu verschweißenden Objekte miteinander vermischen und eine einheitliche zusammengefügte Schicht thermoplastischen Materials bilden. Beispielsweise können Hochtemperatur-Thermoplaste zu Einsatz kommen, wie sie für den Flugzeugbau - insbesondere zur Herstellung der Primärstruktur - qualifiziert sind. Zu diesen Thermoplasten gehören PEEK (Polyetheretherketon) mit einer Schmelztemperatur von ca. 380 °C, wobei die Schweißtemperatur bei ca. 400 °C (+/- 10°C) eingestellt werden kann. Ferner kann auch PEKK (Polyetherketonketon) als Thermoplast Einsatz finden. Hier liegt die Schmelztemperatur zwischen 320 °C bis 370 °C, je nach verwendeter Sorte. Bei üblichen Sorten PEKK liegt die Schmelztemperatur bei 350 °C bis 370 °C und die Schweißtemperatur entsprechend etwas darüber (um ca. 5 bis 20 °C höher).
Die bei diesem Vorgang erzeugte Erwärmung des thermoplastischen Materials erfolgt direkt an den zu verschweißenden, aufeinanderliegenden Oberflächen des ersten und zweiten Objekts, da die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen an diesen Oberflächen angebracht ist. Durch präzise Steuerung des Stromflusses und somit der Erwärmung kann ein Übergangsbereich der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten Objekts zu dem das Duromer enthaltenden Teil des ersten Objekts seine Temperatur nicht oder nur geringfügig ändern. Mit anderen Worten wird die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts nur an der zu verschweißenden Seite erwärmt und aufgeschmolzen, während die gegenüberliegende Seite der Schicht kalt oder zumindest fest bleibt. Dies verhindert einerseits, dass der das Duromer enthaltende Teil des ersten Objekts aufgrund einer Erwärmung beschädigt wird, wie dies bei üblichen Schweißverfahren, bei denen das gesamte Bauteil oder zumindest ein größerer Teil davon erwärmt wird. Andererseits wird das thermoplastische Material, welches mit dem das Duromer enthaltenden Teil des ersten Objekts eine Verbindung auf molekularer Ebene hergestellt hat, beispielsweise während des Aushärtens des das Duromer enthaltenden Teils des ersten Objekts, nicht wieder auf geschmolzen, wodurch diese Verbindung nicht beeinträchtigt wird.
Gleiches gilt auch für das zweite Objekt, unabhängig aus welchem Material dieses hergestellt ist. So kann auch das zweite Objekt aus einem Duromer hergestellt sein. Mit anderen Worten ist zumindest ein Teil des zweiten Objekts aus einem Duromer gefertigt, wobei das zweite Objekt weiterhin die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht aufweist. Durch Verwendung eines aus Duromer hergestellten zweiten Objekts lässt sich das aus dem ersten und zweiten Objekt hergestellte Bauteil kostengünstig produzieren, da Thermoset-Objekte kostengünstiger gefertigt werden können, als beispielsweise reine thermoplastische Objekte. Im Flugzeugbau sind Bauteile aus Thermoset-Objekten zugelassen, sodass hier deutliche Einsparungen ermöglicht werden.
Für den Fall, dass auch das zweite Objekt einen aus Duromer hergestellten Teil aufweist, wird dieser Teil des zweiten Objekts während des Verschweißen nicht erwärmt und somit nicht beschädigt. Im Fall anderer Materialien im zweiten Objekt, beispielsweise thermoplastische Materialien, ist es auch qualitätsfördernd, wenn diese während des Verschweißens nicht (erneut) erwärmt werden. Zwar können thermoplastische Materialien mehrfach erwärmt werden, um eine Form des Objekts zu verändern oder ein Verschweißen mit einem anderen Objekt zu ermöglichen. Jedoch wirken sich auch bei thermoplastischen Materialien Erwärmungs- und Abkühlzyklen geringfügig negativ auf die Materialeigenschaften aus. Ebenso kann die Form des zweiten Objekts, und insbesondere der thermoplastischen Anteile des zweiten Objekts, besser erhalten werden, wenn nur ein äußerst kleiner Bereich an der zu verschweißenden Schicht erwärmt (aufgeschmolzen) wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das erste Objekt und/oder das zweite Objekt einen Verbundwerkstoff umfassen. Beispielsweise können eine oder mehrere Fasern in dem ersten und/oder zweiten Objekt integriert sein. Auch können eine oder mehrere Gewebebahnen mit einem Duromer (zu einem Thermoset-Composite) oder mit einem thermoplastischen Material getränkt, geformt und ausgehärtet werden, um einen Teil des ersten und/oder zweiten Objekts herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich kann die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts und/oder die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des zweiten Objekts jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 und 20 µm aufweisen. Dieser thermoplastische Schleier ist insbesondere beim Verschweißen mittels Remote-Joule-Effekt ausreichend dick, da nur wenige Atomschichten oder Moleküle des thermoplastischen Materials erhitzt und verschweißt werden müssen.
Die zum Verschweißen erwärmte Menge thermoplastischen Materials der beiden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts, die die tatsächliche Verschweißung des ersten und zweiten Objekts bewirkt, liegt bei wenigen Molekül-Dicken. Daher liegt sie bei lediglich ca. 1 und 10 µm. Dadurch wird der Einfluss auf die übrigen Abschnitte und Teile des ersten und zweiten Objekts auf ein Minimum reduziert. Alternativ kann aber auch die gesamte Stärke der äußeren Schichten thermoplastischen Materials des ersten und zweiten Objekts verschweißt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren des Weiteren den Schritt des Anbringens von elektrisch leitenden Anschlüssen an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. Diese elektrisch leitenden Anschlüsse können in Form von Metallfolien implementiert werden, die an den Kohlenstoffnanoröhrchen elektrisch leitend angebracht werden. Beispielsweise können die Anschlüsse mit den Kohlenstoffnanoröhrchen elektrisch leitend verklebt oder verschweißt werden. Die elektrisch leitenden Anschlüsse können eine Verlängerung der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen außerhalb des ersten und/oder zweiten Objekts bewirken oder darstellen. Somit kann das Anlegen einer Spannung ein Anlegen der Spannung an die elektrisch leitenden Anschlüsse umfassen. Die elektrisch leitenden Anschlüsse können insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seiten oder Enden der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen angebracht werden. Aufgrund der Anordnung der elektrisch leitenden Anschlüsse kann der Stromfluss durch die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen bestimmt werden, wodurch auch unterschiedliche Bereiche der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen nacheinander zum Verschweißen verwendet werden können.
Weiterhin kann das Verfahren den Schritt des Aufbringens eines Drucks auf das erste Objekt und das zweite Objekt umfassen, sodass der zumindest eine Teile der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des zweiten Objekts, der auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen liegt, auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts gedrückt wird. Mit anderen Worten wird das erste Objekt und das zweite Objekt so aufeinandergedrückt, dass die zu verschweißenden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts aufeinandergedrückt werden. Dadurch wird der Verbund der zur verschweißenden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts und somit die Qualität der Schweißnähte oder Schweißbereiche verbessert.
Beispielsweise kann das Aufbringen des Drucks ein Anordnen von mindestens einem magnetischen Bauteil und einem von dem mindestens einen magnetischen Bauteil magnetisch angezogenen weiteren Bauteil an gegenüberliegenden Seiten des ersten Objekts und des zweiten Objekts umfassen. Dabei drücken das mindestens eine magnetische Bauteil und das weitere Bauteil das erste Objekt und das zweite Objekt aufeinander.
In einer Ausgestaltung ist ein magnetisches Bauteil in Form einer oder mehrere Walzen vorgesehen, die über das erste oder zweite Objekt gezogen wird/werden. In der/n Walze/n befindet sich ein Permanentmagnet oder Elektromagnet. Das andere des ersten oder zweiten Objekts kann in einem weiteren magnetischen Bauteil aufgenommen sein oder darauf liegen. Wird nun die eine oder mehreren magnetischen Walzen über das erste oder zweite Objekt gezogen, können sich beide magnetischen Bauteile anziehen und dabei das erste und zweite Objekt zusammendrücken. Die beiden magnetischen Bauteile sind dabei möglichst so anzuordnen, dass die von ihnen erzeugte Presskraft im Wesentlichen senkrecht auf die beiden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts, die miteinander verschweißt werden, wirkt.
Im Vergleich zu früheren Verschweißungsmethoden, bei denen das erste und zweite Objekt in einem Autoklav und/oder Vakuumsbeutel eingebracht werden müssen, ist die hier beschriebene Verschweißungsmethode deutlich einfacher und zeitsparender und erlaubt eine bessere Lageausrichtung der beiden Objekte zueinander während des Verschweißens.
In noch einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren den Schritt eines Anordnens von mindestens einem Temperatursensor auf und/oder in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. Beispielsweise kann der mindestens eine Temperatursensor in Form eines sehr dünnen Foliensensors mit der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen oder im Anschluss daran aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Temperatursensor auf und/oder in der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten Objekts und/oder des zweiten Objekts angeordnet werden. Beispielsweise kann mindestens ein Temperatursensor auf einer der zu verschweißenden Seite der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten und/oder des zweiten Objekts gegenüberliegenden Seite angeordnet werden. Dies kann bereits vor einem Auftragen der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Temperatursensor auf die das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten und/oder zweiten Objekts aufgebracht werden, bevor die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht wird.
Je nach Anordnung des einen oder der mehreren Temperatursensoren lässt sich ein Temperaturverlauf während des Verschweißens in Schichtdickenrichtung der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht erfassen. Damit kann überwacht werden, ob der Übergangsbereich zwischen dem thermoplastischen Material der äußeren Schicht und dem weiteren Material des ersten bzw. zweiten Objekts während des Verschweißens erwärmt wird. Ebenso lässt sich ein Temperaturverlauf in Längs- und Breitenrichtung der äußeren Schichten des ersten bzw. zweiten Objekts sowie der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen überwachen (also innerhalb der Ebenen, in denen sich die Schichten erstrecken). Insbesondere kann überwacht werden, ob der Temperaturverlauf möglichst gleichmäßig erfolgt.
Die Erfindung lehrt ferner eine Vorrichtung zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt, wobei das erste Objekt aus einem Duromer hergestellt ist und eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst, wobei das zweite Objekt zumindest eine äußere Schicht aus einem thermoplastischen Material umfasst. Die Herstellung und Zusammensetzung des ersten Objekts und des zweiten Objekts können einer zu dem gelehrten Verfahren beschriebenen Herstellung und Zusammensetzung entsprechen.
Dabei kann die Vorrichtung ein Halteelement umfassen, das dazu eingerichtet ist, das erste Objekt aufzunehmen und zu halten, wobei das zweite Objekt auf das erste Objekt aufgelegt ist. Das Halteelement kann, wie eine Gussform, eine dem ersten Objekt entsprechende Form aufweisen, sodass dieses mit mindestens einer Seite oder Oberfläche im Wesentlichen bündig in dem Halteelement liegt.
Ferner kann das Halteelement dazu eingerichtet sein, dass die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts freiliegt. Dadurch kann zumindest ein Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des zweiten Objekts auf der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten Objekts aufliegen. Dazwischen, also auf der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten Objekts, ist eine Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht, sodass der zumindest eine Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des zweiten Objekts auf der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen liegt.
Zudem kann die Vorrichtung mindestens einen Stromanschluss umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen anzulegen. Beispielsweise kann die Vorrichtung ein oder mehrere elektrisch leitende Kabel und/oder Anschlussklemmen aufweisen. Bei Anlegen einer Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen durch den mindestens einen Stromanschluss fließt ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen, wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des zweiten Objekts erwärmt werden und miteinander verschweißt werden.
Die Erwärmung und das Verschweißen erfolgt gemäß einer der zu dem gelehrten Verfahren beschriebenen Varianten und Ausgestaltungen.
Ferner kann die Vorrichtung des Weiteren ein Presswerkzeug umfassen, das dazu eingerichtet ist, das zweite Objekt auf das erste Objekt zu drücken. Das Presswerkzeug kann eine Form aufweisen, die der Form des zweiten Objekts auf der der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht gegenüberliegenden Seite entspricht, d.h. wie eine Gussform oder ein Teil davon. Damit kann das Presswerkzeug das zweite Objekt auf das erste Objekt drücken, ohne dass das zweite Objekt seine Lage verändert.
Alternativ oder zusätzlich kann das Presswerkzeug in Form einer Walze ausgestaltet sein. Die Walze kann dazu eingerichtet sein, über das erste oder zweite Objekt gezogen zu werden, wobei sie das erste oder zweite Objekt auf das entsprechend andere des ersten und zweiten Objekts drückt.
Ferner kann das Presswerkzeug einen Permanentmagneten oder Elektromagneten umfassen, der mit einem entsprechenden Permanentmagneten oder Elektromagneten, der in dem Halteelement angeordnet ist, zusammenwirkt. Insbesondere können sich die Magneten in dem Presswerkzeug und dem Halteelement anziehen, sodass das erste und zweite Objekt ohne weitere äußere Einflüsse zusammengepresst werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Presswerkzeug oder das Halteelement ein magnetisch wirksames Material umfassen, das von einem Magneten in dem anderen des Presswerkzeug oder des Halteelement angezogen wird.
Ferner kann die Haltevorrichtung ein magnetisch wirksames Material oder einen Magneten enthalten, der sich über die gesamte Länge der Haltevorrichtung erstreckt, entlang der das Presswerkzeug, zum Beispiel in Form einer Walze, bewegt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Vorrichtung des Weiteren eine Stromquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Stromanschluss anzuschließen, und den elektrischen Strom, der durch die Kohlenstoffnanoröhrchen fließt, bereitzustellen. Bei der Stromquelle kann es sich um eine Batterie, einen Inverter, oder sonstigen gebräuchlichen industriellen Stromanschluss handeln.
Zudem kann die Vorrichtung des Weiteren eine Steuerung umfassen, die dazu eingerichtet ist, den von der Stromquelle bereitgestellten elektrischen Strom so zu regeln, dass die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des ersten Objekts und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht des zweiten Objekts erwärmt werden und miteinander verschweißt werden. Je nach Anordnung des mindestens einen Stromanschlusses und der Ausgestaltung der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (beispielsweise linien- oder gitterförmig angeordnete Kohlenstoffnanoröhrchen) kann die Steuerung nacheinander unterschiedliche Bereiche der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts miteinander verschweißen. Selbstverständlich kann auch die gesamte Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen im Wesentlichen gleichzeitig erwärmt werden die gesamte Schnittfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt verschweißt werden.
Hierfür kann die Vorrichtung zusätzlich oder alternativ einen oder mehrere Temperatursensoren auf und/oder in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. So kann die Steuerung Signale von dem Temperatursensor oder mehreren Temperatursensoren empfangen und auf Basis der empfangenen Signale den von der Stromquelle bereitgestellten elektrischen Strom regeln. Dadurch kann die erforderliche Schweißtemperatur nur für den notwendigen Zeitraum erzielt werden, sodass das thermoplastische Material der äußeren Schichten des ersten und zweiten Objekts miteinander verschmelzen (verschweißen).
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung einen oder mehrere Temperatursensoren auf und/oder in der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten Objekts und/oder zweiten Objekts umfassen. Dabei kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, ein Signal von dem Temperatursensor oder mehreren Temperatursensoren zu empfangen und den von der Stromquelle bereitgestellten elektrischen Strom in Abhängigkeit des Signals des Temperatursensors zu regeln. So kann der von der Stromquelle bereitgestellte elektrische Strom heruntergeregelt werden, falls in einem Übergangsbereich zwischen der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht des ersten und/oder zweiten Objekts und einem weiter innen liegenden Abschnitt des ersten bzw. zweiten Objekts (also der zu verschweißenden Seite der äußeren Schicht abgewandten Seite) eine zu hohe Temperatur gemessen wird. Dadurch können Schäden durch Erhitzen an bereits geformten und ausgehärteten Teilen des ersten und/oder zweiten Objekts verhindert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

1 zeigt schematisch mittels Verbindern zusammengefügte Bauteile aus Verbundwerkstoff gemäß dem Stand der Technik;
2 zeigt schematisch eine Verklebung zum Zusammenfügen zweier Bauteile aus Verbundwerkstoff gemäß dem Stand der Technik;
3 zeigt schematisch den Aufbau eines Thermoset-Composite-Objekts;
4 zeigt schematisch die Anordnung zweier Thermoset-Composite-Objekte vor deren Verschweißung;
5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt; und
6 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Verfahren zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt.

Gemäß der hierin beschriebenen Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von einem ersten Objekt mit einem zweiten Objekt vorgesehen. Das erste Objekt kann ein Thermoset-Composite-Objekt sein. Mit anderen Worten kann das erste Objekt zumindest teilweise aus einem Duromer hergestellt werden.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Thermoset-Composite-Objekts 10. Dieses umfasst einen faserverstärkten Kern 12, der beispielsweise aus einer oder mehreren Gewebebahnen und einem Duromer (oder Thermoset) gefertigt ist. Auf mindestens einer Seite oder Oberfläche des Kerns 12 ist eine äußere Schicht 11 aus einem thermoplastischen Material aufgebracht. Eine solche äußere Schicht 11 aus einem thermoplastischen Material verbessert mechanische Eigenschaften des Objekts 10, insbesondere im Schadensfall. Beispielsweise verhindert oder zumindest hemmt eine äußere Schicht 11 aus einem thermoplastischen Material die üblicherweise nach einem Anprall eines anderen Objekts auf das Thermoset stattfindende Delamination.
Die eine oder beiden Schichten 11 aus dem thermoplastischen Material können zwischen 10 und 20 µm dick sein. Bereits solch dünne Schichten tragen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Objekts 10 bei.
In 4 ist schematisch die Anordnung zweier solcher Thermoset-Composite-Objekte 10 und 20 dargestellt, bevor die beiden Objekte 10 und 20 miteinander verschweißt werden. Die in 4 dargestellten Objekte 10 und 20 sind auf beiden Seiten mit einer Schicht 11 bzw. 21 aus einem thermoplastischen Material dargestellt. Ausreichend ist jedoch, dass die zu verschweißenden Oberflächen (Schichten) der Objekte 10 und 20 aus einem thermoplastischen Material bestehen. So kann zumindest eines der Objekte, beispielsweise das Objekt 20, auch vollständig aus einem thermoplastischen Material (mit und ohne Faserverstärkung) hergestellt sein. Für den Fall, dass das erste Objekt 10 und das zweite Objekt 20 jeweils ein Thermoset-Composite-Objekt darstellen, lässt sich das aus beiden Objekten 10, 20 herzustellende Bauteil kostengünstig fertigen.
Zumindest auf der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 11 des ersten Objekts 10 ist eine Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 aufgebracht. Die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 können durch eine Lösung (Lösemittel) oder als Folie oder als sogenanntes „bucky paper“ auf das erste Objekt 10 aufgebracht werden. Die Form der Kohlenstoffnanoröhrchen 30 ist beliebig, solange möglichst ein flächiger Bereich des ersten Objekts 10, beispielsweise durch einen linien- oder gitterförmigen Verlauf der Kohlenstoffnanoröhrchen 30, bedeckt ist.
Selbstverständlich kann die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 auf das zweite Objekt 20, und insbesondere dessen ein thermoplastisches Material umfassende Schicht 21, die dem ersten Objekt 10 zugewandt ist, aufgetragen werden. Alternativ kann jeweils eine Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 auf das erste Objekt 10 und das zweite Objekt 20 auf deren jeweiligen äußeren Schichten 11, 21, die sich zugewandt sind und miteinander verschweißt werden sollen, aufgetragen werden.
An die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 kann eine Spannung angelegt werden, sodass ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 fließt. Dies erfolgt in einem Zustand, in dem die jeweiligen äußeren Schichten 11, 21 des ersten Objekts 10 bzw. zweiten Objekts 20 auf- und aneinander liegen. In 4 ist zur Veranschaulichung des Schichtaufbaus das zweite Objekt 20 von dem ersten Objekt 10 losgelöst dargestellt. Zum Verschweißen der beiden Objekte 10, 20 müssen diese selbstverständlich aneinander anliegen. Aufgrund des Stromflusses durch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 wird das thermoplastische Material der äußeren Schicht 11 des ersten Objekts 10 und das thermoplastische Material der äußeren Schicht 21 des zweiten Objekts 20 erwärmt (aufgeweicht und/oder verflüssigt), wodurch beide Schichten 11, 21 miteinander verschweißt werden.
Ferner kann ein Temperatursensor 40 auf und/oder in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30, und/oder auf und/oder in der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 11, 21 des ersten Objekts 10 und/oder zweiten Objekts 20 angeordnet sein. Je nach Lage kann so eine Temperatur in einer entsprechenden Schicht des Verbundes des ersten Objekts 10 und des zweiten Objekts 20 gemessen und ausgewertet werden. Ebenso kann die Temperatur über einen Bereich innerhalb einer Ebene einer der äußeren Schichten 11, 21 des ersten Objekts 10 und des zweiten Objekt 20 oder der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 gemessen und ausgewertet werden.
5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Verschweißen von dem ersten Objekt 10 mit dem zweiten Objekt 20. Diese Vorrichtung umfasst ein Halteelement 50, das dazu eingerichtet ist, das erste Objekt 10 aufzunehmen und zu halten. Das Halteelement 50 weist hierfür eine Form auf, die der des ersten Objekts 10 entspricht, sodass das erste Objekt 10 sicher fixiert ist. Auf das erste Objekt 10 ist das zweite Objekt 20 aufgelegt. Insbesondere liegen die beiden zu verschweißenden äußeren Schichten 11, 21 des ersten Objekts 10 bzw. zweiten Objekts 20 aufeinander, wobei die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 dazwischen liegt. In 5 ist beispielhaft ein Stringer 10 für ein Flugzeug dargestellt, auf den eine Haut 20 (beispielsweise Außenhaut des Flugzeugs) aufgeschweißt wird.
Die Vorrichtung umfasst ferner einen Stromanschluss 55, der dazu eingerichtet ist, eine Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 anzulegen. Der Stromanschluss 55 kann beispielsweise aus einem oder mehreren Kabeln, Anschlussklemmen, elektrischen Verbindern, etc. bestehen. Der Stromanschluss 55 verbindet die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 mit einer Stromquelle 56. Damit ein Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 fließt, verbindet der Stromanschluss 55 gegenüberliegende Seiten der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 bzw. des ersten und zweiten Objekts 10, 20 mit unterschiedlichen Polen der Stromquelle 56.
Zum einfachen Anschließen des Stromanschlusses 55 an die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 können elektrisch leitende Anschlüsse 35 an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 angebracht sein, woran wiederum der Stromanschluss 55 angeschlossen wird. Die elektrisch leitenden Anschlüsse 35 können aus dem zusammengesetzten Bauteil bestehend aus dem ersten und zweiten Objekt 10, 20 hervorstehen, um ein leichtes Anschließen des Stromanschluss 55 zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine Folie 35 mit einem elektrischen Leiter an einem Rand der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 angebracht sein, sodass die Folie 35 leicht zugänglich ist. Auf oder in der Folie 35 können entsprechend der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 zwischen dem ersten und zweiten Objekt 10, 20 ebenfalls Kohlenstoffnanoröhrchen 30 angeordnet sein.
Zudem kann die Vorrichtung ein Presswerkzeug 60 aufweisen, das dazu eingerichtet ist, das zweite Objekt 20 auf das erste Objekt 10 zu drücken. Die durch das Presswerkzeug 60 aufgebrachte Presskraft kann beispielsweise ausschließlich auf der Masse des Presswerkzeugs 60 basieren. Zusätzlich kann das Presswerkzeug 60 mit einem Magneten 61 ausgestattet sein. Der Magnet 61 kann mit einem entsprechenden Magneten 51 in dem Halteelement 50 derart zusammenwirken, dass sie sich anziehen und das erste und zweite Objekt 10, 20 zusammendrücken.
Ferner kann einer oder beide der Magneten 51, 61 als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgebildet sein. Alternativ kann anstatt eines der beiden Magnete 51, 61 ein magnetisch wirksames Element vorgesehen sein, dass durch den Magnet 51, 61 in dem Halteelement 50 bzw. Presswerkzeug 60 angezogen wird. Ebenfalls alternativ kann auch das Halteelement 50 oder das Presswerkzeug 60 magnetisch wirksam sein und durch einen Magneten 51, 61 in der anderen Komponente (Halteelement 50 oder Presswerkzeug 60) angezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Presswerkzeug auch in Form eines Vakuumsbeutels ausgestaltet sein, der das erste und zweite Objekt 10, 20 umschließt und bei Herstellen eines Vakuums in dem Beutel die beiden Objekte 10, 20 zusammendrückt. Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres Presswerkzeug auf dem zweiten Objekt 20 im Wesentlichen vollständig aufgebracht werden. Entsprechend dem Halteelement 50 kann somit das zweite Objekt 20 durch das Presswerkzeug 60 vollständig auf das erste Objekt 10 gedrückt werden.
Schließlich umfasst die Vorrichtung eine Steuerung 57, die dazu eingerichtet ist, den von der Stromquelle bereitgestellten elektrischen Strom so zu regeln, dass die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht 11 des ersten Objekts 10 und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht 21 des zweiten Objekts 20 erwärmt werden und miteinander verschweißt werden. Hierfür kann die Steuerung 57 einen Spannungsverlauf und/oder Stromstärkeverlauf durch die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 erfassen und (beispielsweise mithilfe von Referenzwerten) auswerten.
Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere Temperatursensoren 40 (4) im Bereich der zu verschweißenden äußeren Schichten 11, 21 angeordnet sein, deren Signale die Steuerung 57 erfasst und auswertet. Sobald eine Verschweißtemperatur für das thermoplastische Material für die notwendige Zeitdauer erzielt wurde, kann die Steuerung 57 den Stromfluss durch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 stoppen. Anschließend kühlt das thermoplastische Material aus, und die beiden Schichten 11, 21 - und somit die Objekte 10, 20 - sind miteinander verschweißt worden.
6 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Verfahren zum Verschweißen von einem ersten Objekt 10 mit einem zweiten Objekt 20, wobei das erste Objekt 10 aus einem Duromer 12 hergestellt ist und eine äußere Schicht 11 aus einem thermoplastische Material umfasst. Das zweite Objekt 20 umfasst zumindest eine äußere Schicht 21, die ebenfalls ein thermoplastisches Material umfasst.
In einem ersten Schritt S205 wird eine Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht 11 des ersten Objekts 10 aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Schritt S205 die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht 21 des zweiten Objekts 20 aufgebracht werden.
In einem weiteren Schritt S210 wird das zweite Objekt 20 auf das erste Objekt 10 aufgelegt. Das zweite Objekt 20 wird dabei so auf das erste Objekt 10 aufgelegt, dass zumindest ein Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 21 des zweiten Objekts 20 auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 liegt.
Ein optionaler Schritt S215 sieht ein Anbringen von elektrisch leitenden Anschlüssen 35 an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 vor. Die elektrisch leitenden Anschlüsse 35 dienen der Verlängerung der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 in einem Bereich außerhalb des ersten und/oder zweiten Objekts 10, 20 zum leichteren Verbinden der Kohlenstoffnanoröhrchen 30 mit einer Stromquelle 56.
Ebenfalls optional kann in Schritt S216 mindestens ein Temperatursensor 40 auf und/oder in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30, und/oder auf und/oder in der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 11, 21 des ersten Objekts 10 und/oder zweiten Objekts 20 angeordnet werden. Der mindestens eine Temperatursensor 40 dient der Bestimmung einer Temperatur oder eines Temperaturverlaufs innerhalb der zu verschweißenden Schichten 11, 21 und/oder innerhalb des die zu verschweißenden Schichten 11, 21 umgebenden Materials des ersten bzw. zweiten Objekts 10, 20.
Der Schritt S216 kann beispielsweise bei der erstmaligen Herstellung eines Bauteils bestehend aus dem ersten und zweiten Objekt 10, 20, also bei der Herstellung eines Prototypen, durchgeführt werden. Die von dem mindestens einen Temperatursensor 40 gemessenen Temperaturen während des Verschweißens des ersten Objekts 10 mit dem zweiten Objekt 20 und der zugehörige Spannungs- und/oder Stromstärkenverlauf können gespeichert und ausgewertet werden. Bei anschließend herzustellenden Bauteilen bestehend aus einem ersten und zweiten Objekt 10, 20, die im Wesentlichen identisch gefertigt wurden, kann auf den Schritt S216 (die Anbringung mindestens eines Temperatursensors 40) verzichtet werden und der gespeicherte Spannungs- und/oder Stromstärkenverlauf zum Verschweißen des ersten und zweiten Objekts 10, 20 angewandt werden.
Je nach Ausgestaltung und insbesondere Gewicht des ersten und zweiten Objekts 10, 20, kann in einem weiteren optionalen Schritt S217 ein Druck auf das erste Objekt 10 und/oder das zweite Objekt 20 aufgebracht werden, sodass der zumindest eine Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 21 des zweiten Objekts 20, der auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 liegt, auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht 11 des ersten Objekts 10 gedrückt wird. Dadurch wird ein sicherer Verbund der beiden äußeren Schichten 11, 21 des ersten bzw. zweiten Objekts 10, 20 gewährleistet.
Schließlich wird in einem Schritt S220 eine Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen 30 angelegt, sodass ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 fließt. Der Stromfluss durch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 bewirkt ein Erwärmen und Verschweißen der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 11 des ersten Objekts 10 und der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht 21 des zweiten Objekts 20. Das Anlegen einer Spannung kann ein Anlegen der Spannung an die elektrisch leitenden Anschlüsse 35 umfassen.
Die Schritte S217 und S220 können in einer alternativen Ausgestaltung auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Ebenfalls alternativ können die beiden Schritte S217 und S220 gleichzeitig ausgeführt werden.
Abschließend sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Varianten, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Varianten, Ausgestaltungen und Anführungsbeispiele einschränken.

Claims

Verfahren zum Verschweißen von einem ersten Objekt (10) mit einem zweiten Objekt (20), wobei das erste Objekt (10) aus einem Duromer (12) hergestellt ist und eine äußere Schicht (11) aus einem thermoplastischen Material umfasst, wobei das zweite Objekt (20) zumindest eine äußere Schicht (21) aus einem thermoplastischen Material umfasst, und wobei das Verfahren umfasst: Aufbringen einer Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30) auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10); Auflegen des zweiten Objekts (20) auf das erste Objekt (10), wobei zumindest ein Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht (21) des zweiten Objekts (20) auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30) liegt; und Anlegen einer Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30), sodass ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen (30) fließt, wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10) und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (21) des zweiten Objekts (20) erwärmt werden und miteinander verschweißt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10) und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (21) des zweiten Objekts (20) durch Remote-Joule-Erhitzen aufgrund des durch die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30) fließenden elektrischen Stroms erwärmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Objekt (20) zumindest teilweise aus einem Duromer (22) hergestellt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Objekt (10) und/oder das zweite Objekt (20) einen Verbundwerkstoff umfasst/umfassen, und/oder wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10) und/oder die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (21) des zweiten Objekts (20) jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 und 20 µm aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren umfassend: Anbringen von elektrisch leitenden Anschlüssen (35) an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30), wobei das Anlegen einer Spannung ein Anlegen der Spannung an die elektrisch leitenden Anschlüsse (35) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, des Weiteren umfassend: Aufbringen eines Drucks auf das erste Objekt (10) und das zweite Objekt (20), sodass der zumindest eine Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht (21) des zweiten Objekts (20), der auf der aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30) liegt, auf die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10) gedrückt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Aufbringen des Drucks ein Anordnen von mindestens einem magnetischen Bauteil und einem von dem mindestens einen magnetischen Bauteil magnetisch angezogenen weiteren Bauteil an gegenüberliegenden Seiten des ersten Objekts (10) und des zweiten Objekts (20) umfasst, wobei das mindestens eine magnetische Bauteil und das weitere Bauteil das erste Objekt (10) und das zweite Objekt (20) aufeinander drücken.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, des Weiteren umfassend: Anordnen von mindestens einem Temperatursensor (40) auf und/oder in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30), und/oder auf und/oder in der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht (11, 21) des ersten Objekts (10) und/oder zweiten Objekts (20).
Vorrichtung zum Verschweißen von einem ersten Objekt (10) mit einem zweiten Objekt (20), wobei das erste Objekt (10) aus einem Duromer (12) hergestellt ist und eine äußere Schicht (11) aus einem thermoplastischen Material umfasst, wobei das zweite Objekt (20) zumindest eine äußere Schicht (21) aus einem thermoplastischen Material umfasst, und wobei die Vorrichtung umfasst: ein Halteelement (50), das dazu eingerichtet ist, das erste Objekt (10) aufzunehmen und zu halten, wobei das zweite Objekt (20) auf das erste Objekt (10) aufgelegt ist, und wobei zumindest ein Teil der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht (21) des zweiten Objekts (20) auf einer auf die das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht (11) des ersten Objekts (10) aufgebrachten Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30) liegt; und mindestens einen Stromanschluss (55), der dazu eingerichtet ist, eine Spannung an die Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30) anzulegen, sodass ein elektrischer Strom durch die Kohlenstoffnanoröhrchen (30) fließt, wobei die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10) und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (21) des zweiten Objekts (20) erwärmt werden und miteinander verschweißt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, des Weiteren umfassend: ein Presswerkzeug (60), das dazu eingerichtet ist, das zweite Objekt (20) auf das erste Objekt (10) zu drücken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, des Weiteren umfassend: eine Stromquelle (56), die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Stromanschluss (55) anzuschließen, und den elektrischen Strom, der durch die Kohlenstoffnanoröhrchen (30) fließt, bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, des Weiteren umfassend: eine Steuerung (57), die dazu eingerichtet ist, den von der Stromquelle (56) bereitgestellten elektrischen Strom so zu regeln, dass die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (11) des ersten Objekts (10) und die das thermoplastische Material umfassende äußere Schicht (21) des zweiten Objekts (20) erwärmt werden und miteinander verschweißt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, des Weiteren umfassend: einen Temperatursensor (40) auf und/oder in der Schicht Kohlenstoffnanoröhrchen (30), und/oder auf und/oder in der das thermoplastische Material umfassenden äußeren Schicht (11, 21) des ersten Objekts (10) und/oder zweiten Objekts (20), wobei die Steuerung (57) dazu eingerichtet ist, ein Signal von dem Temperatursensor (40) zu empfangen und den von der Stromquelle (56) bereitgestellten elektrischen Strom in Abhängigkeit des Signals des Temperatursensors (40) zu regeln.