Schweiß- und Fügetechnik für Kunststoffe

Komplexe Kunststoffbauteile lassen sich oft erst durch den anwendungsgerechten Einsatz eines Fügeverfahrens realisieren. Der Schlüssel zur erfolgreichen Bauteilentwicklung und -fertigung sind daher die sichere Auswahl, Gestaltung und der Umgang mit dem Fügeverfahren unter Berücksichtigung der vielfältigen Anforderungen und Randbedingungen.

Wir forschen auf dem Gebiet der Schweißtechnik mit folgenden Schwerpunkten:

  • Werkstoffeinfluss
  • fügegerechte Bauteil- und Prozessauslegung 
  • Verfahrensanalyse, - entwicklung und -optimierung

Neben einem hervorragend ausgestatteten Schweißtechnikum stehen unseren erfahrenen Experten dazu zahlreiche Verfahren zur Prüfung von Fügenähten zur Verfügung.

Aktuelle Forschungsthemen im Bereich Fügetechnik

Die IKV-Forschungstätigkeiten zur Fügetechnik spannen seit den 1950er Jahren den Bogen von der Grundlagenforschung zur anwendungsnahen Forschung und Entwicklung. Aktuell befassen wir uns in der Forschung mit folgenden Themen der industriellen Kunststoff-Schweißtechnik:

Unabhängig vom gewählten Schweißverfahren wird zur mechanischen Auslegung geschweißter Komponenten die Fügenahtfestigkeit benötigt, da diese oftmals eine Schwachstelle und somit eine potenzielle Versagensstelle im Bauteil darstellt. Diese ist neben den mechanischen und thermischen Eigenschaften der gefügten Werkstoffe entscheidend von den Parametern des Fügeprozesses abhängig.

Aktuell erfolgt die Auslegung der Fügezone in einem iterativen Prozess, in dem sowohl Fügeparameter als auch die eigentliche Geometrie der Fügezone sukzessive angepasst werden. Eine auf physikalischen Modellen basierende Vorhersage resultierender Schweißnahtfestigkeiten existiert bisher nicht.

Am IKV wird daher eine Multiskalensimulation zur Berechnung der Schweißnahtfestigkeit für das Laserdurchstrahlschweißen aufgebaut und validiert. Auf Basis eines Reptationsmodells wird die in der Fügezone vorliegende Festigkeitsverteilung berechnet. Dazu ist als Eingangsgröße eine realitätsnahe Simulation der lokalen Temperaturverteilung in der Fügenaht notwendig, die in vorhergehenden Schritt entwickelt wird. Neben der Festigkeitsverteilung haben die im Schweißprozess thermisch induzierten Eigenspannungen einen Einfluss auf die Bauteilfestigkeit gefügter Komponenten. Aufbauend auf der thermischen Simulation wird daher die Eigenspannungsverteilung in der Fügenaht berechnet, die in Kombination mit der Reptationsfestigkeit zur Bestimmung der Fügenahtfestigkeit genutzt wird.

Dieses Thema wird in enger Zusammenarbeit mit dem Forschungsbereich Simulation erforscht.

Durch den verstärkten Einsatz von Kunststoffen in zahlreichen industriellen Bereichen sowie einem erhöhten Bedarf an Leichtbaustrukturen gewinnt das Fügen von Metallen und Kunststoffen immer mehr an Bedeutung. Derartige Verbindungen sind prozesstechnisch allerdings nicht einfach zu realisieren, da die Werkstoffe sehr unterschiedliche physikalische sowie mechanische Eigenschaften aufweisen und insbesondere eine flächige, stoffschlüssige Verbindung schwer realisiert werden kann.

Ziel der Arbeiten am IKV ist die fundamentale Aufklärung der vorherrschenden Haftungsmechanismen und Verbundeigenschaften sowie die Erlangung eines tiefgreifenden Verständnisses des Schädigungsverhaltens von lasergefügten Kunststoff-Metall-Verbunden, die einer physikalisch/chemischen Oberflächenvorbehandlung unterzogen wurden.

Die Metallprobekörper werden unter Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen im Überlappverfahren mit Kunststoffprobekörpern lasergefügt. Zum Erzielen des Haftverbundes kommen Plasmavorbehandlung und -beschichtung sowie metallische Zwischenschichten zum Einsatz. Für die unterschiedlichen Verbunde erfolgt die Untersuchung der Haftfestigkeit und Haftmechanismen. Zusätzlich werden die Einflüsse auf die Alterung des Verbundes analysiert. Im begleitenden Modellierungsteil erfolgt die thermische und thermomechanische Abbildung des Lasersfügeprozesses zur Berechnung der lokalen Temperaturfelder sowie der thermisch induzierten Eigenspannungen. Abschließend werden die unterschiedlichen Prozessvarianten verglichen und bewertet.

Dieses Thema wird in enger Zusammenarbeit mit dem Forschungsbereich Simulation erforscht.

In einem aktuellen ein BMBF-Verbundprojekt „INNOVATIV Compound“ (Nr. 01LY1512B) entwickelt das IKV mit den Partnern Eisenhuth GmbH & Co. KG, Allod Werkstoff GmbH & Co. KG, Calorplast Wärmetechnik GmbH, Kessen Maschinenbau GmbH, Protech GmbH und Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. elektrisch bzw. thermisch leitfähiger Kunststoffcompounds mit ausgezeichneten Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften für die Herstellung von Bipolar- und Wärmetauscherplatten. Neben der Materialentwicklung spielt die Fügetechnik eine Schlüsselrolle zur Realisierung bei der Stackmontage der Bipolar- bzw. Wärmetauscherplatten. Das Kunststoffschweißen ist eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Schraubmontage.

Im Schweißlabor des IKV wird daher die Schweißbarkeit der leitfähigen Kunststoffcompounds mit ausgewählten Kunststoffschweißverfahren, wie z. B. Ultraschall- und Infrarotschweißen, bewertet. Weiterhin wird der Füllstoffeinfluss von Graphit und Kautschuk auf Schweißprozess analysiert, um die Schweißbarkeit der Kunststoffcompounds über Materialmodifikationen weiter optimieren und potenziell geeignete Schweißverfahren an die Fügeaufgabe anpassen zu können. Ziel ist es, zukünftig neue Brennstoffzellen-, Redox-Flow Batterie- und Wärmetauschersysteme auf dem Markt zu etablieren.

Bislang existiert wenig Prozesswissen zum Schweißen neuartiger Biokunststoffe, die für Spritzgießanwendungen geeignet sind. Häufig weisen die auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellten Kunststoffe ein von petrochemisch hergestellten Kunststoffen abweichendes Aufschmelz- bzw. Erstarrungsverhalten auf. Somit ist nicht bekannt, inwiefern die Wahl der Prozessparameter beim Spritzgießen einen Einfluss auf die Schweißnahtqualität hat. Das Ziel des IKV ist, in einer Machbarkeitsstudie die Schweißbarkeit neuartiger biobasierter Kunststoffe für Spritzgießanwendungen grundlegend zu untersuchen. Weiterhin sollen mögliche Einflüsse auf die Schweißnahtqualität beim Ultraschall- bzw. Infrarotschweißen ermittelt werden, die aus einer Variation der Spritzgießparameter bei der Bauteilherstellung resultieren können, um das Potenzial der Biokunststoffe zur Herstellung neuer Produkte effizienter nutzen zu können.

Eine realitätsnahe Simulation des Erwärmvorgangs beim Laserdurchstrahlschweißen verbessert das Prozessverständnis, erleichtert die Prozesseinrichtung und verkürzt die Bauteilauslegung entscheidend.

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurde daher ein thermisches Simulationsmodell entwickelt, dass den Anwender des Laserdurchstrahlschweißens dabei unterstützt, den Prozess schneller und zuverlässiger einzurichten. Das entwickelte Berechnungsmodell erlaubt es, die Abmaße der Wärmeeinflusszonen zu bestimmen, sodass Prozessfenstergrenzen ermittelt und vorhergesagt werden können. Darüber hinaus kann mithilfe der räumlichen Temperaturverteilung der Erwärm- und Abkühlvorgang nachvollzogen werden, sodass Zykluszeiten darauf aufbauend optimiert werden können.

Beim Schweißen der Werkstoffe entstehen infolge lokaler thermischer Ausdehnungen und Schwindungen des Materials Eigenspannungen. Vor allem Zugspannungen sind eine unerwünschte Folge des Schweißens, da sie sich mit den zulässigen Betriebsspannungen überlagern und so zum frühzeitigen Versagen des Bauteils führen. Daher ist die Kenntnis der durch den Schweißprozess eingebrachten Eigenspannungen notwendig, um mit einer geeigneten Prozessführung die Eigenspannungsverteilung zu minimieren. Das IKV befasst sich mit der Entwicklung eines thermo-mechanischen Modells zur Berechnung der thermisch induzierten Eigenspannungen im Laserschweißprozess. Als Basis dient ein thermisches Modell bzw. die realitätsnahe Temperaturverteilung in der Schweißnaht. Das thermo-mechanische Modell wird auf Basis eines visko-elastischen Materialverhaltens aufgebaut.

Geschäumte Spritzgießformteile mit reduzierter Dichte weisen neben der Gewichtsersparnis auch eine reduzierte Zykluszeit und verbesserte Maßhaltigkeit auf. Bislang stehen keine Erfahrungswerte bezüglich des Laserschweißens von geschäumten Bauteilen zur Verfügung, die zur Fertigung komplexer, funktionsintegrierter Bauteilgruppen notwendig sind. Um das Fügeverfahren für geschäumte Bauteile im industriellen Maßstab anwenden zu können, werden am IKV durch laufende Untersuchungen Kenntnisse gewonnen, in wie weit die Schaumstruktur einen Einfluss auf den Schweißprozess, die Fügenahtfestigkeit und die Schweißnahtstruktur nimmt. Diese Kenntnisse ermöglichen eine anwendungsspezifische Anpassung des Spritzgieß- sowie des Fügeprozesses und garantieren eine gleichbleibende Bauteilqualität.

Kunststoff/Metall-Hybrid-Verbindungen erlangen in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Entsprechend lässt sich als aktuelle Herausforderung die Erschließung von Synergieeffekten bei der Nutzung von Kunststoffen und Metallen festhalten. Dies erfordert die Entwicklung von werkstoffgerechten Fügetechnologien. Das IKV untersucht daher das Laserfügen von Kunststoff/Metall-Hybriden. Dabei werden verschiedene Ansätze zur Oberflächenvorbehandlung, wie beispielsweise Laserstrukturierung, Plasmavorbehandlung, oder Haftvermittlersysteme, betrachtet und die resultierende Fügenahtqualität untersucht. Um die Eignung der verschiedenen Material-/Strukturkombinationen zum Hybridfügen qualitativ zu bestimmen, werden die gefügten Proben unter anderem in Zug-Scherversuchen und Klimawechseltests auf ihre Verbundqualität hin untersucht. 

In der Praxis wird die Auslegung der Fügezone derzeit in einem iterativen Prozess durchgeführt, in dem sowohl Fügeparameter als auch die eigentliche Geometrie der Fügezone in Anlehnung an Richtlinien sukzessive angepasst werden. Eine auf physikalischen Modellen basierende Vorhersage resultierender Schweißnahtfestigkeiten existiert bisher nicht. In einem aktuellen Forschungsvorhaben wird daher eine Multiskalensimulation zur Berechnung der Schweißnahtfestigkeit am Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens aufgebaut und validiert. Durch eine Simulation der auf molekularer Ebene stattfindenden Interdiffusionsvorgänge auf Basis eines Reptations-Modells wird die in der Fügezone vorliegende Festigkeitsverteilung bestimmt. Weiterhin werden thermomechanische Simulationen zur Bestimmung der Eigenspannungsverteilung in der Fügenaht in Abhängigkeit der Schweißparameter durchgeführt. Durch eine simulative Bestimmung sowohl der Festigkeits- als auch der Eigenspannungsverteilung ist eine deutlich verbesserte Abbildung des strukturmechanischen Verhaltens gefügter Bauteile möglich.

Aufgrund diverser Vorteile, wie Materialersparnis, kürzeren Zykluszeiten oder geringerem Verzug, stellt das Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) für zahlreiche Anwendungen schon heute eine Alternative zum konventionellen Spritzgießen kompakter Formteile dar. Geschäumte Spritzgießformteile finden sich neben Haushaltsgeräten, Unterhaltungselektronik, Verpackung oder Medizintechnik insbesondere im Automotivebereich, wo der Trend hin zu komplexeren, funktionsintegrierten Produkten geht, die zunehmend modular aufgebaut werden. Dabei spielt für eine wirtschaftliche Bauteilherstellung die Verbindungstechnik immer häufiger eine entscheidende Rolle.

Für das Schweißen geschäumter Spritzgießformteile liegt aktuell jedoch nur ein sehr begrenztes Prozesswissen vor. Insbesondere bei den strahlungsbasierten Schweißverfahren Infrarot- und Laserdurchstrahlschweißen stellen die optischen Eigenschaften der Fügepartner und die Nachexpansion des Treibmittels eine Einschränkung dar, die die Verarbeitbarkeit und die erreichbaren Eigenschaften der verschweißten Fügepartner aktuell stark einschränkt.

Ziel der Arbeiten am IKV ist es daher, Richtlinien zum konsekutiven Spritzgießen und Schweißen von geschäumten Spritzgießformteilen zu entwickeln. Auf Basis dieser Richtlinien kann mit deutlich reduzierten Investitionskosten anwendungsspezifische Anlagentechnik ausgewählt und der Prozess aufgebaut werden.

Dieses Thema wird in enger Zusammenarbeit mit dem Forschungsbereich Werkstofftechnik erforscht.

Jens Wipperfürth, M.Sc.

Abteilungsleiter Formteilauslegung und Werkstofftechnik +49 241 80-28359 jens.wipperfuerth@ikv.rwth-aachen.de

Haben Sie Fragen zu diesem Forschungsbereich am IKV? Dann freue ich mich auf Ihren Anruf oder Ihre Nachricht.

Wir erarbeiten Lösungen für die Industrie

Die Fügetechnik ist als Querschnitts- und Schlüsseltechnologie in allen Bereichen der Kunststofftechnik vertreten, wobei sowohl Anwender als auch Zulieferer besonders vom branchenübergreifenden Austausch profitieren. Kunststofffügetechnik findet sich heute beispielsweise in der Mikroelektronik, beim Schweißen und Siegeln von Verpackungsfolien, optisch ansprechenden Fügenähten in Automobil-Rückleuchten, hochbelastbaren Verbindungen in faserverstärkten Strukturbauteilen oder medizintechnischen Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Sauberkeit. Weiterhin ist die Schweißtechnik aus Haushaltsgeräten, Elektronikanwendungen und Sportgeräten nicht mehr wegzudenken.

Die anwendungsnahen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IKV betrachten den gesamten Produktenstehungsprozess, da nur eine frühzeitige und durchgängige Berücksichtigung im Hinblick auf den späteren Fügeprozess zum Erfolg führt. 

Häufige Fragestellungen

Kooperationsprojekte mit unseren Partnern aus der Industrie behandeln oft mehrere der folgenden  Fragestellungen, für die wir individuelle und unmittelbar umsetzbare Lösungen erarbeiten:

  • Fügegerechte Bauteilkonstruktion und Materialauswahl
  • Bauteil- und Prozessauslegung mittels Simulation
  • Einfluss des Herstellungsprozesses auf fügerelevante Eigenschaften (z.B. Maßhaltigkeit und innere Struktur spritzgegossener Fügeteile)
  • Machbarkeitsstudien und Bewertung der Schweißeignung an Probekörper
  • Ermittlung von Verarbeitungseigenschaften
  • Verfahrensentwicklung und -analyse
  • Parameterstudien und Optimierung
  • Fehleranalyse an Versuchs- und Produktionsanlagen
  • Prüfung von Fügeverbindungen (zerstörend und zerstörungsfrei)
  • Einfluss von mechanischen Belastungen und Umgebungsmedien (Alterung von Fügenähten)
  • Verfahrensauswahl

Lernen Sie uns kennen!

Erfahren Sie mehr über unsere Angebote für Unternehmen aus der kunststoffverarbeitenden Industrie.

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Technologietransfer in Industrie und Handwerk

Unser Anspruch ist es, Innovationen aus der Forschung zeitnah in industriellen Anwendungen nutzbar zu machen. Dazu stellen wir den Transfer der Forschungsergebnisse über Beratung und industrienahe Entwicklungsprojekte, die aktive Mitarbeit im DVS sowie regelmäßige nationale und internationale Veröffentlichungen sicher. Weiterhin laden wir Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette und über alle Branchen hinweg zur Projektbegleitung in unseren Forschungsvorhaben ein. 

Seit vielen Jahren bringen wir uns in den Gremien des DVS - Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. ein. Dort initiieren wir öffentlich geförderte Forschungsprojekte über den Fachausschuss 11 (Fügen von Kunststoffen) und beteiligen uns an der Erstellung von Richtlinien, in denen aktuelle Forschungsergebnisse für die industrielle Praxis bereitgestellt werden:

  • AG W 4.11 (Mechanisches Fügen von Kunststoffen)
  • AG W 4.12 (Laserstrahlschweißen von Kunststoffen)
  • AG W 4.13 (Infrarotschweißen in der Serienfertigung)
  • AG W 4.14 (Fügen von endlosfaserverstärkten Kunststoffen)
  • AG W4. 1d (Ultraschallschweißen)