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
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Optimierung des Auslegungsprozesses von Kunststoffbauteilen für den Ultraschallschweißprozess bzw. um eine realitätsnahe Vorhersage des Schwing- und Erwärmungsverhaltens bereits im Entwicklungsprozess neuer Fügekomponenten zu ermöglichen, werden präzise Kennwerte zur Beschreibung des viskoelastischen Materialverhaltens (Speicher- und Verlustmodul) im relevanten Frequenzbereich (typischerweise zwischen 20 kHz und 40 kHz) benötigt. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein alternatives Prüfstandkonzept, das auf der Adaption von Simulationsergebnissen an real durchgeführte Köperschallmessungen basiert, weiterentwickelt und umgesetzt. Hierzu wurde ein temperierbarer Akustikprüfstand aufgebaut, der ein reproduzierbare Schwingungsanregung zwischen 1 Hz und 25 kHz erlaubt, sowie ein Reverse-Engineering-Prozess implementiert. Für die Materialdatenermittlung werden Rechteck-Probekörper auf dem Akustikprüfstand mit einem Frequenzhochlauf (Sinus-Sweep) beaufschlagt und die Strukturantwort rückkopplungsfrei erfasst. Anschließend erfolgt im Reverse-Engineering eine simulative Nachbildung der Versuchsdurchführung und eine automatisierte, iterative Anpassung der zugrundeliegenden Materialkarte, bis ein zuvor definiertes Abbruchkriterium, z.B. eine maximal zulässige Abweichung zwischen Simulationsergebnis und realer Strukturantwort des Probekörpers, erfüllt ist. Abschließend wird eine optimierte Materialkarte ausgeben, die das Materialverhalten im betrachteten Frequenzbereich widerspiegelt. Auf Basis der durchgeführten Validierungsversuche kann festgehalten werden, dass durch das neuartige Prüfstandkonzept für alle betrachteten Materialien (PA 6, PP, PMMA) eine Steigerung in der Vorhersagegüte des Schwingungsverhaltens bis zu einer Frequenz von 25 kHz erzielt werden konnte. Im Rahmen der Validierungsversuche wurde insbesondere die Lage der Resonanzen im Frequenzspektrum aber auch die Amplitude der Resonanzausschläge einer neuen Prüfkörpergeometrie präziser vorhergesagt bzw. berechnet als mit Materialdaten die nach dem Stand der Technik anhand der Dynamisch-Mechanischen-Analyse (DMA) und einer anschließenden Zeit-Temperatur- Verschiebung (ZTV) der Daten, ermittelt wurden. So konnte die Abweichung bei der Vorhersage der Resonanzfrequenzen gegenüber den DMA-Daten um mehr als 80 % reduziert werden. Die Abweichung hinsichtlich der Amplituden der Resonanzausschläge konnte ebenfalls um über 20 % verringert werden. Tendenziell neigen die mittels DMA und ZTV bestimmten Materialdaten bei allen untersuchten Materialien dazu das reale Steifigkeitsverhalten (Speichermodul) zu unterschätzen und das Dämpfungsverhalten (Verlustmodul) zu überschätzen. Aufgrund von Schwierigkeiten in der Durchführung weiterer Validierungsversuchen, die auf den theoretischen und praktischen Erkenntnissen von Potente basierten, kann keine zuverlässige und abschließende Aussage über die Eignung der generierten Materialdaten zur simulativen Abbildung des Ultraschallschweißprozesses getroffen werden. Dies muss erst noch in weiterführenden Untersuchungen geklärt, bzw. durch eine optimierte Durchführung der ursprünglich geplanten Versuche verifiziert werden. Neben der Entwicklung des Prüfstandes wurde ein Simulationsmodell aufgebaut, das eine thermo-mechanisch gekoppelte Berechnung des Erwärmungsverhaltens von Kunststoffen im Ultraschallschweißprozess erlaubt. Für eine industrielle Anwendung müssen jedoch noch Optimierungen am Modell vorgenommen werden, bspw. durch die Berücksichtigung des Phasenübergangs vom Festkörper in den schmelzeförmigen Zustand oder des instationären Einschwingvorgangs im Schweißprozess.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Determination of the frequency- and temperature-dependent stiffness and damping properties of thermoplastics for the prediction of the vibration and heating behaviour during ultrasonic welding. The 74th IIW Annual Assembly & International Conference. Online, 07.-21.07.2021
HOPMANN, CH.; DAHLMANN, R.; WEIHERMÜLLER, M.; WIPPERFÜRTH, J. & SOMMER, J.
