Integrative Berechnung der Schweißnahtfestigkeit in Kunststoffbauteilen auf Basis eines Interdiffusionsmodells am Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321043881

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Um das Zusammenwirken von Werkstoff, Prozess und Gestalt beim Schweißen von Kunststoffen zu erforschen und den Aufwand für die mechanische Auslegung zur verringern, war das Ziel dieses Forschungsvorhabens, die Entwicklung eines Simulationsmodells zur Vorhersage der Fügezonenfestigkeit geschweißter Komponenten unter Berücksichtigung der Eigenspannungen am Beispiel des simultanen Laserdurchstrahlschweißens. Basis für die in diesem Forschungsvorhaben entwickelte Berechnungsmethodik für die Fügezonenfestigkeit war ein bestehendes 2D-Simulationsmodell für Plattenprobekörper zur thermischen Beschreibung des Laserdurchstrahlschweißprozesses, welches in einem ersten Schritt auf eine neue Doppel-T-Stoßträgergeometrie übertragen, optimiert und um die dritte Dimension erweitert wurde. Das thermische Simulationsmodell liefert das zeit- und ortsabhängige Temperaturfeld in der Fügezone während des Aufheizens und Abkühlens im Schweißprozess. Für das bestehende thermische 2D-Simulationsmodell wurde zunächst eine Sensitivitätsstudie der thermischen Materialeigenschaften Dichte, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität sowie der Transmissionsgrad/Extinktionskoeffizient des lasertransparenten Fügepartners an einem mit Literaturdaten kalibrierten Modell durchgeführt. Durch eine genaue experimentelle Bestimmung der thermischen Eigenschaften und einen neu entwickelten Messaufbau zur Bestimmung des Transmissionsgrads konnte anschließend ein 3D-Modell entwickelt werden, das zu realistischen Berechnungsergebnissen für die WEZ für die Materialien Polyamid 6.6 (PA 6.6) und Polycarbonat (PC) führt. Unberücksichtrige Schmelzeströmungen führen allerdings für PBT zu deutlichen Abweichungen der WEZ zwischen simulierten und experimentellen Schweißungen. Parallel zur thermomechanischen Simulation wurde auf der Basis des thermischen Simulationsmodells eine Berechnungsmethode der Schweißnahtfestigkeit entwickelt, welches ortsabhängig den Grad der nicht-isothermen Ausheilung nach einem Reptationsmodell in Kombination mit den berechneten Eigenspannungen in Zugprüfungsrichtung definiert. In Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen führen steigende Laserleistungen und Bestrahlungszeiten in der Simulation grundsätzlich zu höheren Schweißnahtfestigkeiten. Dies liegt in einer längeren Verweilzeit des Materials im geschmolzenen Zustand und kürzeren berechneten Reptationszeiten begründet. Bei Prozesspunkten mit zu hoher Laserleistung oder Bestrahlungszeit führen Zersetzungsphänomene zu einer Abnahme der experimentell ermittelten Schweißnahtfestigkeiten. Da Zersetzungsphänomene im Reptationsmodell nicht berücksichtigt werden, tritt dieser Effekt in der Simulation nicht auf. Für Prozesspunkte im Prozessfenster wird die Schweißnahtfestigkeit in der Simulation grundsätzlich etwas unterschätzt, liegt aber in einer realistischen Größenordnung. Basierend auf den in diesem Forschungsvorhaben generierten Erkenntnissen kann die Auslegung simultaner Laserdurchstrahlschweißprozesse mit PA 6.6 sowie PC vereinfacht werden, da die Simulation zur Abschätzung eines Prozessfensters genutzt und somit auf einen Teil der dafür benötigten experimentellen Versuche verzichtet werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Kunststoffschweißen - Charakterisierung, Prüfung und Simulation. Umdruck zum 29. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium. Aachen, 28.02.-01.03.2018
  Hopmann, C.; W Alde, H.; Bölle, S.; Facklam, M.; Schäfer, P.; Hickmann, T.; Krause, B.
  
• Laserschweißen: Simulation der Schweißnahtfestigkeit. Umdruck zur Tagung Kunststoffe erfolgreich verbinden - Innovative Fügetechnologien für die Praxis. Aachen, 17.-18.04.2018
  Hopmann, C.; Bölle, S.
  
• Modeling of the thermally induced residual stresses during laser transmission welding of thermoplastics. The 71st IIW Annual Assemlby & International Conference. Denpasar, Indonesien, 15.-20.07.2018
  Hopmann, Ch.; Bölle, S.; Kreimeier, S.
  
• Modeling of the thermally induced residual stresses during laser transmission welding of thermoplastics. Welding in the World 63 (2019) 5, S.1417-1429
  Hopmann, Ch.; Bölle, S.; Kreimeier, S.
  
• Prediction of the bond strength of thermoplastics welded by laser transmission welding. The 72nd IIW Annual Assemlby & International Conference. Bratislava, Slowakei, 07.-12.07.2019
  Hopmann, Ch.; Bölle, S.
  
• Prediction of the Bond Strength of Thermoplastics Welded by Laser Transmission Welding. Advances in Polymer Processing 2020 - Proceedings of the International Symposium on Plastics Technology 1 (2020) 1. S. 247-257
  Hopmann, Ch.; Bölle, S.; Reithmayr, L.