Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der dynamischen Langzeiteigenschaften (Ermüdungsverhalten und Klimawechselfestigkeit)

von Vibrationsschweißnähten zur konstruktiven Bemessung von Kunststoffverbindungen

Das Vibrationsschweißen ist ein sehr schnelles Fügeverfahren und wird in vielen Branchen (v.a. Automotive- und Elektroindustrie) eingesetzt. Je nach Anwendungsfall werden geschweißte Bauteile während ihres Einsatzes (z.B. „under the hood“) dynamischen Belastungen (mechanisch und thermisch) ausgesetzt. Diese Belastungen können bereits bei wesentlich geringeren Spannungen und Verformungen bzw. Temperaturwechseln zum Versagen eines Bauteils führen als äquivalente statische Belastungen. Die angestrebten Forschungsergebnisse ermöglichen erstmals die Berücksichtigung von solchen praxisrelevanten dynamischen mechanischen und thermischen Belastungen im Lebenszyklus von vibrationsgeschweißten Kunststoffbauteilen. Durch die angestrebten Forschungsergebnisse werden entsprechende allgemeingültige Abminderungsfaktoren generiert, welche als konstruktive Bemessungsgrundlagen bei der Bauteilauslegung für dynamische Lasten berücksichtigt werden können.

Das Forschungsprojekt leistet somit durch eine Produktqualitätssteigerung einen innovativen Beitrag zur Schadensreduzierung von vibrationsgeschweißten Verbindungen und damit auch einen Qualitätsvorsprung in der gesamten Kunststoffbranche. Der dabei entstehende Wissensvorsprung stellt hierdurch eine wesentliche Chance dar, um bei kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) die Produktqualität nachweislich und nachhaltig zu verbessern. Den KMUs wird durch die generierten Ergebnisse des Projektes ermöglicht, sich durch das Verkaufsargument „Made in Germany“ auf dem internationalen Markt behaupten und vermarkten zu können.

Ergebniszusammenfassung:

Das vorliegende Forschungsvorhaben betrachtete die Langzeiteigenschaften von vibrationsgeschweißten Kunststoffnähten. Hierfür wurden plattenförmige Probekörper aus unverstärktem und glasfaserverstärktem Polyamid 6.6 mittels linearem Vibrationsschweißen gefügt. Im Rahmen eines Versuchsplans wurden dabei die Prozessparameter Schweißdruck, Schweißweg und Reibgeschwindigkeit variiert und ihr Einfluss auf die (quasi-statische) Kurzzeitfestigkeit geprüft. An ausgewählten Versuchseinstellungen wurden weiterführend Ermüdungs- und Klimawechselfestigkeit von geschweißten Probekörpern geprüft und Korrelationen mit den entsprechenden Kurzzeitfestigkeiten analysiert. Zusätzlich wurden die Eigenschaften der Schweißungen mit dem Verhalten des jeweiligen Grundmaterials bei gleicher Belastung verglichen. Zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeiten kamen Dauerschwing- und dynamische Laststeigerungsversuche zum Einsatz. Die Klimawechseltests erfolgten in Anlehnung an Prüfvorschriften aus dem Automobilbau mit anschließender Kurzzeitprüfung. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeiten der hergestellten Schweißverbindungen gut aus deren Kurzzeitschweißfaktoren und Ermüdungskennwerten des Grundmaterials abgeschätzt werden können. Die Festigkeiten der Schweißverbindungen beider Polyamid 6.6-Typen werden demnach bei schwingender Belastung in ähnlichem Maße gemindert wie die Vollmaterialien. Im Gegensatz dazu zeigen die Schweißverbindungen bei klimatischer Wechselbelastung deutlich stärkere Festigkeitsminderungen als das urgeformte Material. Entsprechend ist eine Prognose der Klimawechselbeständigkeit der Schweißverbindungen basierend auf Kennwerten des Grundmaterials nicht möglich. Die Erkenntnisse des Forschungsvorhabens können insbesondere für KMU die Sicherheit bei der Auslegung von dynamisch belasteten Kunststoffbauteilen erhöhen.