Entwicklung und Validierung einer Methodik zur präziseren Ermittlung der frequenz- und temperaturabhängigen Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften von Kunststoffen für die Körperschallsimulation am Beispiel einer für den Ultraschallschweißprozess relevanten Frequenz von 20 kHz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398244070

Das Ultraschallschweißen ist ein seit den 1960er Jahren in der Industrie etabliertes Verfahren zum Fügen von Kunststoffbauteilen. Bislang erfolgt die Auslegung der Fügeteile meist auf Basis des Erfahrungswissens der Anwender. Eine fügegerechte Bauteilkonstruktion erfordert neben der geometrischen Auslegung der Fügeteilkörper die Berücksichtigung konstruktiver Details wie einer verfahrensspezifischen Gestaltung der Fügezonengeometrie. Häufig sind auch zusätzliche Funktionselemente oder Rippenstrukturen zu berücksichtigen, die den Körperschall und somit den Schweißprozess unmittelbar beeinflussen. Allgemein sind bislang umfangreiche praktische Versuchsreihen vor dem Produktionsbeginn erforderlich. Nicht selten folgen iterativ aufwendige und kostenintensive Änderungen der Spritzgießwerkzeuge, um die Schallausbreitung so zu beeinflussen, dass eine hochwertige Fügenaht erzielt wird. Für realitätsnahe Körperschallsimulationen, mit denen kritische Bereiche frühzeitig erkannt und fügegerecht gestaltet werden können, sind zuverlässige Eingangsdaten erforderlich, die das viskoelastische Materialverhalten thermoplastischer Kunststoffe im relevanten Frequenzbereich widergeben. Die Materialanalyse des dynamischen Steifigkeits- und Dämpfungsverhaltens von Kunststoffen stellt aufgrund der hohen Frequenzen beim Ultraschallschweißen bislang eine große messtechnische Herausforderung dar, sodass das Materialverhalten nur näherungsweise über iterative Ansätze abgeschätzt werden kann. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung einer alternativen Methode zur experimentellen Ermittlung mechanischer Kennwerte (Speicher- und Verlustmodul) auf Basis eines Reverse Engineering Prozesses, um exemplarisch für einen amorphen Kunststoff (PMMA) und zwei teilkristalline Kunststoffe (PP und PA) eine modellhafte Beschreibung der komplexen Körperschallvorgänge in Fügeteilen für den Ultraschallschweißprozess unter Berücksichtigung thermischer Einflüsse zu ermöglichen. Mithilfe der angestrebten Forschungsergebnisse soll aufgezeigt werden, dass die fügegerechte Bauteilauslegung bereits in der Konstruktionsphase erfolgen kann. Dadurch sollen zukünftig zeit- und kostenintensive Iterationen in der Entwicklungsphase komplexer Fügeteile entfallen. Weiterhin soll eine umfassende Basis für ein besseres Material- sowie Prozessverständnis des hochdynamischen Ultraschallschweißvorgangs und der Schallausbreitungsphänomene geschaffen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen