Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Warmgasschweißen von Kunststoffen - Analyse der Wärmeübergangsmechanismen und Grenzen der Technologie

Aufgrund der hohen technischen Sauberkeit, der kontaktlosen Erwärmung und der Möglichkeit, Hochtemperaturkunststoffe zu verarbeiten, erfährt das Warmgasschweißen eine stetig steigende industrielle Verbreitung. Zum Fügen von glasfaserverstärkten und Hochtemperaturkunststoffen ist es neben dem Infrarotschweißen das am häufigsten eingesetzte Verfahren. Einhergehend mit den zunehmenden Anwendungszahlen steigen jedoch die Anforderungen an eine werkstoff- und bauteilgerechte Prozessauslegung. Zum aktuellem Zeitpunkt ist der dafür benötigte Kenntnisstand zum Erwärmverhalten, zur Schmelzebildung und den Wärmeübergangsmechanismen schlichtweg nicht vorhanden. Somit beruht die aktuelle Prozessführung in der Industrie hauptsächlich auf Erfahrungswerten. Erschwert wird dieser Umstand von der Tatsache, dass die aktuelle Patentsituation dem Anwender suggeriert, dass ein Warmgasschweißen ohne Schutzgas nicht zuverlässig praktikabel sei. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die Wärmeübergangsmechanismen und das Aufschmelzverhalten beim Warmgasschweißen, vorrangig mit Luft als Energieträgermedium, abzubilden. Gleichzeitig sind die vorliegenden Werkstoffreaktionen zu erforschen und die resultierenden Werkstoff- und Bauteileigenschaften aufzuzeigen. Dazu wird in Abhängigkeit der Düsen- und Bauteilgestaltung u.a. der Einfluss des Gases, des Volumenstroms, der Gastemperatur sowie der Erwärmzeit auf das Aufschmelzverhalten am Prüfkörper und Realbauteil analysiert. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich um industriell häufig eingesetzte Thermoplaste (PP, PA). Die Werkstoff- und Bauteileigenschaften werden mittels thermischer und optischer Analysen sowie mechanischen Prüfungen ermittelt. Projektbegleitend wird zudem ein Simulationsmodell erzeugt, welches Aussagen zur Schmelzschichtdicke, Wärmeeinflusszone und den zulässigen Bauteiltoleranzen ermöglicht. Somit soll der Industrie, insbesondere KMU, ein Auslegungs- und Planungswerkzeug zur Verfügung gestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass die Düsengeometrie so-wie deren Erwärmparameter einen entscheidenden Einfluss auf die entstehenden Schmelzeprofile und damit auch auf die Schweißnahtfestigkeiten haben. Während die Runddüsen die Wärme sehr punktuell in die Fügeebene einbringen, kann mit der Schlitzdüse eine homogene Erwärmung über die gesamte Fügefläche erreicht werden. Dadurch ist eine auf das verwendete Düsensystem angepasste Erwärm-strategie notwendig. Mit der Schlitzdüse konnte eine werkstoffschonendere Erwärmung der Fügeteile mit geringen Gastemperaturen realisiert werden. Vorteilhaft war dies bei einem nicht hitzestabilisiertem PA66, bei dem mit der Schlitzdüse unter Verwendung des Prozessgases Luft ähnlich gute Schweißnahtfestigkeiten erreicht werden konnten, wie beim Schweißen mit dem Runddüsen Werkzeug und Stick-stoff. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ein Übertrag auf der Schlitzdüsengeometrie auf einen realitätsnahen Prüfkörper erfolgreich möglich ist. Es wurden ferner die Einflüsse der Gas Art und der Fügerichtung analysiert. Hier zeigte sich, dass beim Schweißen von Polypropylen unabhängig von der Art des Prozessgases hohe Schweißnahtfestigkeiten erreicht werden können. Beim Schweißen von Polyami-den hingegen können beim Verwenden von Stickstoff als Prozessgas mit dem Runddüsen-Werkzeug höhere Schweißnahtfestigkeiten bei geringeren Standardabweichungen erzielt werden. Hinsichtlich der Fügerichtung konnte festgestellt werden, dass sie einen großen Einfluss auf das entstehende Schmelzeprofil hat. Bei der Schweißnahtfestigkeit ist dieser Einfluss jedoch materialabhängig. Während bei Polypropylen kaum Abhängigkeiten erkennbar sind, ergibt sich für PA6 eine höhere Festigkeit bei vertikaler Fügerichtung, während beim glasfaserverstärkten PA6 die Zugfestigkeiten mit horizontaler Fügerichtung größer sind.