Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse zum anwendungsgerechten Schweißen von geschäumten Thermoplasten in Sandwichbauweise

Integralschäume bestehen aus einer soliden Randschicht und einem geschäumten, zellularem Kern. Dieser Aufbau erlaubt die Steigerung der spezifischen Biegesteifigkeit bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion und geringer Verzugsneigung. Im Vergleich zum hohen Reifegrad industriell etablierter Kunststoff-Schweißverfahren für kompakte Bauteile, existiert für das Fügen geschäumter Thermoplaste noch kein belastbarer Kenntnisstand zur geeigneten Konstruktions- und Prozessauslegung. Die wissenschaftliche Zielstellung des Projektes liegt in der systematischen Analyse und Bewertung der schweißtechnischen Anforderungen hinsichtlich Konstruktion und Prozess sowie der Definition der Werkstoff- und Prozesseinflussgrößen beim Vibrations- und Infrarotschweißen von geschäumten Thermoplasten. Da der Spritzgießprozess maßgeblich die Ausgangseigenschaften für den Fügeprozess vorbestimmt, ist es notwendig, die Prozesskette von der Bauteilherstellung im Spritzguss bis zum Ende des Fügeprozesses ganzheitlich und voneinander abhängig zu betrachten. Es sollen somit erstmalig die Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen entlang der gesamten Verarbeitungskette eingeschätzt und die Grenzen der Verfahrenskombination Schäumen und Schweißen verifiziert werden. Die Zusammenhänge zwischen der Bauteilstruktur und dem Fügeprozess sind wissenschaftlich zu analysieren. Das angestrebte Projekt soll kmU die Möglichkeit geben, bereits vorwettbewerblich und bei der Erstellung von Angeboten auf eine wissenschaftlich fundierte Wissensbasis beim Schweißen geschäumter thermoplastischer Bauteile zugreifen zu können. Nur die Kenntnis zur sicheren Bauteilauslegung, Schweißnahtgestaltung und zur geeigneten Auswahl des Schweißverfahrens kann das Bestehen von kmU, v.a. jene ohne eigene Entwicklungsabteilung, gegenüber den „Branchenriesen“ ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde erstmals die gesamte Prozesskette von der Herstellung geschäumter Bauteile bis zur Weiterverarbeitung durch Schweißprozesse (Vibrations- und Infrarotschweißen) systematisch untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die entstehende Schaumstruktur der Bauteile bereits während der Herstellung im hohen Maße beeinflussbar ist. Je nach Schäumtechnologie (chemisch oder physikalisch), gewählten Spritzguss- (Einspritzgeschwindigkeit, Masse- und Werkzeugtemperatur) und Schäumparametern (Treibmittelart, -gehalt, Schäumgrad), Material und Bauteilgeometrie (mit und ohne Steg), ergeben sich sehr unterschiedliche Schaummorphologien und solide Randschichtdicken innerhalb des Bauteils. Die Ausbildung einer möglichst dicken soliden Randschicht in der Fügeebene, ist für die Prozessgestaltung und -auslegung im anschließenden Schweißprozess von großer Bedeutung und wirkt sich positiv auf die erreichbaren Schweißnahtfestigkeiten aus. Die Wahl des Schweißverfahrens und der Schweißparameter ist abhängig von der Schaumstruktur im Bereich der Fügefläche und der Lagerzeit zwischen Herstellung im Schaumspritzgussprozess und der Weiterverarbeitung im Schweißprozess. Besonders bei infraroter Strahlung wird das Erwärm- und Abkühlverhalten von der Schaumstruktur im Bauteilinneren sowie der Lagerzeit beeinflusst. Kurze Lagerzeiten führen zum Aufschäumen von Treibmittelresten in der Fügeebene, reduzierten Schweißnahtfestigkeiten, erhöhten Oberflächentemperaturen und geringen Schmelzeschichtdicken.

Der wirtschaftliche Nutzen besteht vor Allem aus der ganzheitlichen Betrachtungsweise der Prozesskette, der Vorstellung geeigneter Verfahrens- und Prozessparameter sowie konstruktiver Empfehlungen zur verfahrensgerechten Bauteilgestaltung und Verarbeitung. Daraus ergeben sich optimale Einsatz- und neue Anwendungsmöglichkeiten sowie ein maximal mögliches Leichtbaupotenzial bei hohen Festigkeiten.