Ultraschallgeschweißte Verbindungen erforscht

Wissenschaftler am SKZ beschäftigen sich seit mehreren Jahren mit der Untersuchung und Ermittlung der Lebensdauer von Kunststoffprodukten. In einem aktuellen von der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) geförderten Forschungsprojekt werden die mechanischen dynamischen Langzeiteigenschaften (Ermüdungsverhalten) von Ultraschallschweißverbindungen von Kunststoffen untersucht.

In dem Forschungsprojekt werden nach Variation verschiedener Schweißparameter die statischen Kurzzeiteigenschaften den dynamischen Langzeiteigenschaften gegenübergestellt. Die maßgebliche Fragestellung bei diesem Projekt lautet: Muss mit einer weiteren Reduzierung der Festigkeit durch die Ultraschallschweißverbindung bei einer dynamischen Belastung gerechnet werden?

Die angestrebten Forschungsergebnisse ermöglichen laut SKZ dabei erstmals die Berücksichtigung von praxisrelevanten dynamischen Belastungen im Lebenszyklus von ultraschallgeschweißten Kunststoffbauteilen. Für das Projekt werden für das Ultraschallschweißen typische Materialien untersucht, wie Polycarbonat (PC) für den Medizinbereich sowie Polyamid 6.6 (PA66) für den Automotivbereich. Es erfolgt eine direkte Gegenüberstellung der Grundmaterialfestigkeiten und Schweißnahtfestigkeiten. Durch einen in einer DVS-Richtlinie (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren) definierten Prüfkörper wurden statische Kurzzeit- und dynamische Langzeit-Schweißfaktoren berechnet und die Bruchmechanismen beurteilt.

Für die untersuchten Materialien PA66 und PC konnten für eine statische Kurzzeit- und dynamische Langzeitbelastung (Zug) materialabhängig vergleichbare Schweißfaktoren ermittelt werden. Der maximale Schweißfaktor (Schweißnahtfestigkeit zu Grundmaterialfestigkeit) für PC liegt bei ca. 0,60 und für PA66 bei ca. 0,50.

Diese Erkenntnis stellt derzeit die Kernaussage des Projektes dar. Demnach müssen Anwender bei den untersuchten Materialien nicht mit einer wesentlichen Wechselwirkung zwischen Belastungsart und dem Schweißprozess rechnen, welche zur zusätzlichen Reduzierung der Festigkeit führt. Eine Auslegung der Lebensdauer von Bauteilen kann somit anhand von Abminderungsfaktoren (belastungsabhängig) des Grundmaterials mit dem entsprechenden Kurzzeit-Zug-Schweißfaktor erfolgen.

Im letzten Projektabschnitt wird PA 66 GF 30 sowie eine Kombination von PA 66 GF 30 und PA 66 unverstärkt geschweißt. Des Weiteren werden an optimal gewählten Schweißparametern die Dauerfestigkeiten der Schweißverbindungen in Wöhlerversuchen für alle betrachteten Materialen ermittelt, um den zeitlichen Verlauf der Festigkeitsreduzierung betrachten zu können.

Das Projekt endet Ende im Juli 2017. Danach beschäftigt sich das SKZ mit einer vergleichbaren Fragestellung in einem Folgeprojekt, das sich mit den dynamischen Langzeiteigenschaften von Laserschweißverbindungen beschäftigt. Interessierte Firmen sind herzlich eingeladen, als Mitglieder im projektbegleitenden Ausschuss mitzuwirken, die Forschungsarbeiten in dem Projekt mitzugestalten sowie über die aktuellen Ergebnisse informiert zu werden.

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