Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schweißen von Verbunden aus thermoplastischen Elastomeren und Thermoplasten –

Entwicklung von Strategien zur Prozessführung für die Herstellung alterungsbeständiger

Schweißnähte mit reduzierter Anisotropie der mechanischen Eigenschaften

Wie Thermoplaste (TP) werden TPE zur Verarbeitung aufgeschmolzen und müssen nicht vulkanisiert werden. Im Vergleich zur Verarbeitung von Elastomeren werden ein geringerer Energieverbrauch und kürzere Zykluszeiten erreicht. Zudem können Mehrkomponentenverbunde mit TP hergestellt werden, die vorwiegend in den Bereichen Automotive oder Medizintechnik Anwendung finden, wo sie oft Medien- und Temperatureinflüssen ausgesetzt sind. Zur Verbundherstellung werden neben dem etablierten Mehrkomponentenspritzgießen Kunststoffschweißverfahren eingesetzt, da sie eine flexiblere Prozessanpassung und eine gezieltere Einflussnahme auf die Verbindung erlauben. Beim Spritzgießen können die mechanischen Eigenschaften in vielen Anwendungen nur mit einer sehr kostenintensiven Werkzeugauslegung und −fertigung in Vorzugsbelastungsrichtung orientiert werden, sodass Schwachstellen entstehen. Das erneute Aufschmelzen im Schweißprozess bietet eine Möglichkeit die eingebrachte Anisotropie der mechanischen Eigenschaften zu reduzieren. Aktuell liegen zum TPE-TP-Schweißen jedoch nur grundlegende Kenntnisse vor, sodass das Potenzial geschweißter TPE-TP-Verbunde nicht ausreichend ausgeschöpft wird. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, eine Strategie zur Prozessführung beim Schweißen von TPE-TP-Verbunden zur Herstellung von Schweißnähten mit reduzierter Anisotropie zu entwickeln. Um die Wirtschaftlichkeit in Hinblick auf die Anwendungen zu gewährleisten, wird zudem die Alterungsbeständigkeit der Schweißnähte berücksichtigt. Das gewonnene Prozesswissen kann neue Anwendungsmöglichkeiten für TPE-TP-Verbunde ermöglichen, wie beispielsweise das Fügen von dreidimensionalen Dichtungen, von Faltenbälgen zwischen TP-Komponenten oder von TPE-Profilen als weiche Außenschicht an TP-Formteile mit komplexer Geometrie. Wettbewerbsvorteile resultieren vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen im Bereich der Auslegung und Herstellung von TPE Komponenten sowie im Bereich des Kunststoffschweißens.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens 21296N wurden Prozessführungsstrategien zur Herstellung alterungsbeständiger Schweißnähte mit reduzierten mechanischen Anisotropien für Verbunde aus thermoplastischen Elastomeren (TPE) und Thermoplasten (TP) entwickelt. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das erneute Aufschmelzen im Schweißprozess gezielt dafür genutzt werden kann, die mechanischen Anisotropien im Fügebereich zu beeinflussen. Hierbei stellte sich insbesondere eine schonende Erwärmung (geringe Laserleistung bzw. niedrige Heizelementtemperaturen) in Kombination mit langen Erwärmzeiten als vorteilhaft zur Anisotropiereduzierung heraus. Auch das Alterungsverhalten der TPE-TP-Verbunde konnte durch die Wahl der Prozessparameter beeinflusst werden. Der Klimawechselbelastungseinfluss auf die mechanische Anisotropie der Schweißverbindungen erwies sich als verfahrens- und materialabhängig.

Die in diesem Vorhaben generierten Erkenntnisse ermöglichen das Fügen von TPE-TP-Verbunden mit reduzierten mechanischen Anisotropien. Derartige Verbunde können nun im Vergleich zur Mehrkomponentenspritzgießtechnik mit deutlich kostengünstigeren und flexibler einsetzbaren Schweißverfahren gefertigt werden. Darüber hinaus können durch die hohe Geometriefreiheit der Schweißverfahren neue Anwendungsmöglichkeiten für TPE-TP-Verbunde erschlossen werden, wie bspw. das Fügen von dreidimensionalen Dichtungen oder von TPE-Profilen als weiche Außenschicht von TP-Formteilen mit komplexer Geometrie. Des Weiteren können durch die reduzierten mechanischen Anisotropien Materialeinsparungen realisiert werden, wodurch der CO2-Ausstoß in der Fertigung und über den Produktlebenszyklus gesenkt wird.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden ausschließlich weitverbreitete Serienschweißverfahren sowie kommerziell verfügbare thermoplastische Elastomere (TPE) und Thermoplaste (TP) verwendet, wodurch eine schnelle und breite Umsetzung der Erkenntnisse begünstigt wird.