Beanspruchungsorientiertes Prozessverständnis und -optimierung beim Kunststoffschweißen am Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239632851

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen der Projektlaufzeit wurden in einem Forschungsprojekt zwei Forschungsschwerpunkte erfolgreich bearbeitet. Zum einen wurde ein thermisches Prozessmodell vom Laserdurchstrahlschweißen modelliert und erfolgreich verifiziert, welches das örtliche und zeitliche Temperaturfeld während des Schweißprozesses in Abhängigkeit der Prozess- und Materialparameter berechnet. Dieses Temperaturmodell kann vielseitig eingesetzt werden und bietet Übertragungsmöglichkeiten mit einer zweiten diskreten Wellenlänge zu schweißen. Zum anderen wurden Forschungsfragen im Hinblick auf eine Prozess-Eigenschaftsstruktur im Bereich des Laserdurchstrahlschweißens und zusätzlich auch im Bereich des Heizelementschweißens beantwortet. Beim Laserdurchstrahlschweißen wird eine direkte Korrelation zwischen Sphärolithdurchmesser und Schweißnahtfestigkeit ausgeschlossen, was eine sinkende Schweißnahtfestigkeit bei steigender Streckenenergie bedeutet und in diesem Forschungsprojekt nicht nachgewiesen werden konnte. Wie bekannt führen langsamere Abkühlraten im Kristallisationsbereich zu größeren Sphärolithdurchmessern der α-Phase, was jedoch im untersuchten Bereich nicht der Fall bei war, Ein steigender β-Phasenanteil hat Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften im Grundmaterial, da der Anteil zu einer höheren Bruchdehnung und zu einem geringeren E-Modul führt. Es konnte im Projekt gezeigt werden, dass mit steigender Streckenenergie die Anzahl an β-Sphärolithen pro mm 2 zunimmt, wie auch die Temperaturgradienten lateral zur Schweißnaht steigen und somit die höheren Abkühlgeschwindigkeiten als Ursache für den erhöhten β-Phasenanteil auftreten. Jedoch stellte sich heraus, dass die Eigenspannungen sowohl für die Polypropylenproben als auch die Polycarbonatproben beim Laserdurchstrahlschweißen vernachlässigbar sind. Beim Heizelementstrahlschweißen zeigte eine Ausmessung der α-Sphärolithe, dass eine Verbesserung der Zugfestigkeiten mit einer Tendenz des abnehmenden Sphärolithradius einhergeht [WSG+20]. Bei den Langzeiteigenschaften zeigte sich, dass für den β-additivierten Werkstoff gerade die verhältnismäßig schlechten Kurzzeitzugfestigkeiten zu hervorragenden Langzeitzugfestigkeiten von über 1500 Betriebsstunden neigen. Bei der schlagartigen Belastung zeigte ein Vergleich zweier Additive, dass es zu keiner proportionalen Steigerung des Arbeitsvermögens durch einen höheren Gewichtsanteil an Ruß kommt. Der unbehandelte Werkstoff zeigt hierbei ein sehr viel schlechteres Belastungsverhalten. Die Ergebnisse des Pendelschlagversuchs unter Zuhilfenahme des β-Nukleierungsmittels ergaben eine Erhöhung des dimensionslosen Fügewegs bei einer Steigerung des Arbeitsvermögens. Eine Unterscheidung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften auf Basis des Füllgrads kann nicht getroffen werden. Die Eigenspannungen weisen zwar Werte aufweisen, die im Bereich zwischen 0 und maximal 5 MPa liegen, welche jedoch einen untergeordneten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Verläufe der experimentellen Untersuchungen liegen teilweise aufgrund der Nukleierungsmittel so dicht beieinander, dass eine Differenzierung anhand des dimensionslosen Fügewegs nicht möglich ist. Daraus ergibt sich, dass die Strukturmerkmale von markanten gescherten Sphärolithe für alle Werkstoffe ab einem dimensionslosen Fügeweg von 0,75 auftreten, was sich als Prognosemerkmal für die untersuchten mechanischen Eigenschaften einsetzten lässt. Diese liefern jedoch nicht immer das Optimum der mechanischen Eigenschaften. Der wissenschaftliche Nachwuchs wurde durch zahlreiche studentische Arbeiten qualifiziert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Transformation of the weld seam geometry in laser transmission welding by using an additional integrated thulium fiber laser, Lasers in Manufacturing Conference (LIM) 2017
  A. Schmailzl, B. Geißler, F. Maiwald, T. Laumer, M. Schmidt, S. Hierl
  
• Analysis of the interaction between the temperature field and the weld seam morphology in laser transmission welding by using two different discrete laser wavelengths, Journal of Laser Applications 30, 2018
  B. Geißler, T. Laumer, A. Wübbeke, P. Lakemeyer, T. Frick, V. Schöppner, M. Schmidt
  
• Analysis of the weld seam morphology of polypropylene in laser transmission welding, J. Manuf. Sci. Eng. 140 (11), 2018
  B. Geißler, T. Laumer, A. Wübbeke, T. Frick, V. Schöppner, M. Schmidt
  
• Gut geschweißt - schlecht geschweißt: Ausgewählte Aspekte zur Bewertung des Laserdurchstrahlschweißens, Joining Plastics, Vol. 14, Iss. 1, 2020
  A. Wübbeke, V. Schöppner, F. Schriegel, A. Paul, M. Tiemann, B. Geißler, M. Schmidt, A. Magnier, T. Niendorf
  
• Investigation of residual stresses of hot plate welding, Welding in the World, Vol. 64, 2020
  A. Wübbeke, V. Schöppner, B. Geißler, M. Schmidt, A. Magnier, T. Niendorf, F. Jakob, H.-P. Heim
  
• Long- and short-term tensile strength and morphology of joined beta-nucleated polypropylene parts, SPE ANTEC® 2020: The Virtual Edition 5.
  A. Wübbeke, V. Schöppner, A. Paul, M. Tiemann, L. Austermeier, M. Fitze, M. Chen, F. Jakob, H.-P. Heim, T. Wu, M.-L. Röhricht, M. Schmidt