Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schweißnahtkennwerte für die lebensdaueroptimierte Bauteilauslegung von hochtemperaturbeständigen Thermoplasten

Zur Verringerung der CO2-Emissionen im Automobilbereich sind die Bestrebungen der Kfz-Hersteller im Bereich des Leichtbaus als auch in der Entwicklung neuer Motorenkonzepte sehr groß. Dabei treten im Motorraum erhöhte Temperaturen auf, denen die Kunststoffe und die Fügeverbindungen standhalten müssen. Das Ziel des geplanten Projektantrages ist die Entwicklung eines Lebensdauermodells zur belastungsgerechten Auslegung von HT-TP-Schweißnähten. Mithilfe des Lebensdauermodells kann anhand von Langzeitzugtests und der Nutzung eines Simulationsmodells auf das Langzeitverhalten geschlossen werden. Weiter muss erwähnt werden, dass bisher keine Aussagen über die Langzeiteigenschaften der HT-TP-Schweißnähte möglich sind. Weiterer zentraler Punkt ist die Untersuchung der Abkühlung der Fügezone in der Umstellphase.

Im Mittelpunkt steht dabei der Einsatz im Motorraum, bei dem hohe Medien-, Temperatur- und mechanische Einflüsse auftreten. Zur Berücksichtigung dieser Einflussgrößen werden die Schweißnähte gezielt im Zeitstandzugversuch geprüft, um dann mit den experimentellen Daten ein Simulationsmodell aufzustellen. Mithilfe dieses Simulationsmodells und der Nutzung eines modifizierten Langzeitprüfstands kann das Langzeitverhalten simuliert werden. So kann eine Prüfmethode entwickelt werden, durch die anhand von Langzeitzugversuchen die Schweißnähte für die auftretenden Belastungen ausgelegt werden. Kosten- und zeitintensive Versuche sind für die KMU somit nicht mehr nötig. Ein definierter Wissenstransfer ist möglich. Weiterführende Aussagen zur Auslegung von Schweißmaschinen resultieren aus diesem Forschungsvorhaben. Wissen für die KMU hinsichtlich der Auslegung von Langzeitschweißnähten der HT-TP sowie Grenzen des Verfahrens werden aufgezeigt und sorgen für eine bessere Entwicklungsplanung mit einem hohen Kosteneinsparpotential. Damit wird eine breite Verarbeitung der HT-TP mit den untersuchten Schweißverfahren (IR-, HG- und VIB-Schweißen mit IR-Vorwärmung) ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war es einerseits, ein besseres Verständnis beim Schweißen von hochtemperaturbeständigen Thermoplasten zu generieren und andererseits ein Lebensdauermodell zu entwickeln mit dem sich in kurzer Zeit auf die Langzeiteigenschaften schließen lässt. Dazu wurden zwei umstellende Schweißverfahren (Infrarot- und Warmgasserienschweißen) und ein nicht umstellendes Verfahren (Vibrationsschweißen) betrachtet. Es wurden ausführliche Parametervariationen durchgeführt, um optimale Schweißparameter zu identifizieren und hochfeste Nähte zu generieren. Diesbezüglich zeigte sich, dass Materialien mit hohen Schmelztemperaturen nur bedingt umstellend geschweißt werden können, da die plastifizierten Bereiche während des Umstellvorgangs in hohem Maße abkühlen. Schweißnähte mit verminderter Festigkeit resultierten daraus. Durch möglichst kurze Umstellzeiten, hohe Schmelzeschichten und hohe Fügedrücke ließen sich, trotz der Abkühleffekte während der Umstellphase, moderate Schweißnahtfestigkeiten für diese Materialien erzielen. Dennoch sind bei Materialien mit hohen Schmelzpunkten einstufige Schweißverfahren zu präferieren, sofern ein Einsatz dieser Verfahren möglich ist. Des Weiteren zeigte sich, dass die Art der Wärmeeinbringung signifikanten Einfluss auf das Langzeitverhalten der Schweißverbindungen zu haben scheint. So widerstanden einstufig geschweißte Nähte dauerhaften Belastungen im Zeitstandzugversuch oftmals länger als mehrstufig geschweißte Bauteile. Weiterführend konnte die Dehnungsantwort geschweißter Verbindungen bei statischer Belastung mit Hilfe von zeitraffenden Prüfungen in guter Näherung vorhergesagt werden. Zur Beschreibung des Dehnungsverhaltens wurde ein modifiziertes Vier-Parameter-Modell angewendet. Somit kann auf eine langwierige Prüfung zur Bestimmung der Lebensdauer unter bestimmten Umständen verzichtet und die Lebensdauer mit dem vorgestellten Modell prognostiziert werden.