Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Anwendungspotenzials des Vibrationsschweißens von vernetzten Polyethylen und deren Langzeitverhalten (VIB-PEX)

Das Direktschweißen von vernetztem Polyethylen (PE-X mit PE-X) ist mittels Heizelement nur bedingt möglich und insbesondere die Langzeitanforderungen werden bei weitem nicht erfüllt. Alternative Schweißverfahren, wie z. B. das Vibrationsschweißen, sind für diese Materialien bislang noch nicht verbreitet und tiefergehend untersucht. Das Vibrationsschweißen weist i. d. R. sehr geringe Zykluszeiten auf (Schweißzeiten meist unter 10 Sekunden) und stellt somit einen wirtschaftlichen Prozess zur Verbindung von Kunststoffen dar. Die hohe Automatisierung bietet zusätzlich die Möglichkeit einer Online-Qualitätskontrolle bei der Herstellung derartiger stoffschlüssiger Verbindungen. Für vernetzte Polyethylene fehlen bislang jedoch die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Prozess und resultierenden Eigenschaften einerseits sowie die nachfolgende Übertragung auf industrielle Bauteile andererseits. Weiterhin ist speziell die Fragestellung nach Langzeiteigenschaften von PE-X/PE-X-Verbindungen derzeit noch offen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erlangung des grundlegenden Verständnisses einzelner Wirkzusammenhänge der Materialeigenschaften, dem Schweißprozess und der sich daraus ergebenen Schweißnahteigenschaften. Durch das Fügen mittels Vibrationsschweißen sollen stoffschlüssige Verbindungen von PE-X/PE-X ohne zusätzliche Verbindungselemente mit hohen Anforderungen an die Schweißnahteigenschaften und insbesondere der Langzeiteigenschaften erzeugen werden. Da es sich hierbei um ein geringfügig erforschtes Gebiet handelt, stellt dieses Forschungsvorhaben vor allem im Rohrbereich eine wesentliche Chance dar, einen Wettbewerbsvorteil und Wissensvorsprung auf dem internationalen Kunststoffmarkt zu erlangen. Hierdurch kann ein wesentlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von kmU und ein festigen des Qualitätsmerkmals „Made in Germany“ erzielt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die erzielten Ergebnisse liegen vorrangig im Erkenntnisgewinn bezüglich der Eigenschaften von vibrationsgeschweißten PE-X-Verbindungen sowie bestehender Werkstoff-Prozess-Wirkbeziehungen. Es konnte gezeigt werden, dass Vibrationsschweißprozesse zum Fügen von PE-X mit Vernetzungsgranden von bis zu 80 % geeignet sind und die resultierenden Verbindungen sehr gute Kurzzeitfestigkeiten auf dem Niveau des Grundwerkstoffs aufweisen. Im Vergleich zum Heizelementschweißen können mittels Vibration zudem gesteigerte Langzeiteigenschaften erzielt werden. Diese erreichen allerdings noch nicht das Niveau, das für eine Anwendung in der Gas- und Wasserversorgung erforderlich ist. Für Branchen, die weniger strenge Anforderungen an die Langzeiteigenschaften von Schweißverbindungen haben, können die im Projekt nachgewiesenen Eigenschaften allerdings bereits ausreichend sein. Ansätze für weitere Arbeiten liegen in einer Reduktion des komplexen Spannungszustands, der im erwärmten, deformierten und wieder erkalteten PE-X eingefroren wird und als limitierender Faktor für die Langzeiteigenschaften identifiziert werden konnte.

Die Ergebnisse des VIB-PEX-Projekts können sowohl von Materialherstellern, Bauteildesignern, Herstellern von Schweißmaschinen und dem großen Kreis der Anwender von Fügetechnik genutzt werden. Für Hersteller von PE-X geben die Ergebnisse des Forschungsvorhabens Anhaltspunkte, wie sich das vernetzte Material bzw. dessen Schweißverbindungen mechanisch verhalten. Dies ermöglicht eine gezielte Materialoptimierung. Hersteller von Schweißmaschinen können die Ergebnisse des VIB-PEX-Projektes zur Beratung von Kunden verwenden, für die PE-X-Verbindungen potenziell relevant sind. Außerdem besteht für sie die Möglichkeit die Anlagentechnik für das Fügen von PE-X zu optimieren. Bauteildesigner und Anwender von Fügetechnik schließlich können die Ergebnisse bei der Entwicklung neuer Kunststoffbauteile einfließen lassen. Dies wiederum erweitert das Anwendungsspektrum von PE-X.