Experimente und Modellbildung zur Eigenspannungsentwicklung beim Quasi-Simultanen-Laserdurchstrahlschweißen von Thermoplasten unter besonderer Berücksichtigung großer Deformationen und der daraus folgenden Anisotropieentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als Grundlage für eine Materialmodellierung wurden Zug- Druckprüfungen durchgeführt. Aufbauend auf diesen Versuchen wurden Materialgleichungen im Rahmen der Thermo-Viskoplastizität für große Deformationen bei verschiedenen Temperaturen mit asymmetrischem Verhalten unter Zug und Druck entwickelt. Die Gleichungen basieren auf dem Konzept der Wichtungsfunktionen, so dass die inelastische Verzerrungsrate als Summe von Spannungsmoden abhängigen Anteilen gebildet werden kann. Die Spannungsmoden können mit unterschiedlichen Belastungzuständen des Experimentes (z.B. Zug und Druck) assoziiert werden. Für das vorgestellte Materialmodell ist die thermodynamische Konsistenz berücksichtigt und es in das Finite-Element-Programm ABAQUS implementiert worden. Unter der Verwendung des für das Laserkonturschweißen entwickelten FE-Modells konnte der Einfluss der Prozessparameter auf den thermischen Haushalt der zu fügenden Bauteile angegeben werden. Für die Berechnung der Eigenspannungsentwicklung wurde des Weiteren das zeit- und temperaturabhängige Relaxationsverhalten und die Zug- Druckasymmetrie berücksichtigt. Anhand der Simulationsergebnisse kann eine Aussage über den Einfluss der Prozessparameter auf den Eigenspannungszustand beim Konturschweißen getroffen werden. Die FE-Modelle für das Konturschweißen im Durchstrahlverfahren wurden dahingehend erweitert, dass auch quasisimultane Schweißvorgänge thermisch simuliert werden können. Eigenspannungen und Schmelzeverschiebungsvorgänge konnten in der Projektlaufzeit jedoch noch nicht vollständig umgesetzt werden. Weiterhin wurde ein elasto-plastisches Modell mit asymmetrischem Verhalten für Thermoplaste sowie anisotrope Elasto-Plastizität mit Anisotropieentwicklung entwickelt, um das mechanische Verhalten von Thermoplaste zu simulieren. Um das Verhalten der Schmelze bei den Verschiebungsvorgängen beim Quasisimultanschweißen mittels eines Materialmodells beschreiben zu können, wurden umfangreiche rheologische Untersuchungen zum Scher- und Dehnverhalten der untersuchten Materialien durchgeführt. Weiterhin wurden Zugprüfungen unter verschiedenen Anfangsbedingungen durchgeführt. In diesem Rahmen wurden Zugprüfkörper zunächst auf bestimmte Dehnungen vorgereckt. Aus diesen verformten Bauteilen wurden anschließend weitere Probekörper unter verschiedenen Winkeln entnommen. Dadurch können Aussagen über das anisotrope Verhalten von Kunststoffen in Abhängigkeit großer Deformationen und Orientierungen getroffen werden. Im weiteren Verlauf der experimentellen Untersuchungen wurden Eigenspannungen an quasisimultan geschweißten Bauteilen ermittelt. Dazu wurde das optische Messsystem ARAMIS eingesetzt. Es konnten Korrelationen zwischen den verwendeten Prozessparametern und den resultierenden Eigenspannungen ermittelt und mittels Regressionsanalysen in mathematischen Modellen für die untersuchten Werkstoffe PP und PA formuliert werden. Hinsichtlich des Erreichens der Zielsetzungen lässt sich das Projekt wie folgt zusammenfassen: • Das Scher- und Dehndeformationsverhaltens der untersuchten Materialien wurde detailliert untersucht. • Die Modifizierung des Materialmodells oberhalb des Glasübergangstemperatur-Bereiches auf Grundlage der durchgeführten empirischen Untersuchungen wurde nicht vollständig durchgeführt. • Das Spannungs-Dehnungs-Verhaltens für große Deformationen und die daraus entwickelten Anisotropie sowie das inhomogenen Deformationsverhalten von Kunststoffen wurde untersucht. • Die Entwicklung eines Materialmodells für große Deformationen und die damit verbundene Anisotropie auf Grundlage der durchgeführten empirischen Untersuchungen wurde durchgeführt. Das Modell wurde anhand der experimentellen Daten validiert. • Die Erweiterung des FE-Modells zur Vorhersage des Eigenspannungsverlaufs eines quasisimultan-laserdurchstrahlgeschweißten Bauteils in Abhängigkeit von den Laserschweißprozessparametern konnte nur teilweise abgeschlossen werden. Die Eigenspannungsvorhersage konnte nur für das Konturschweißen implementiert werden. Quasisimultane Schweißvorgänge konnten hinsichtlich der Temperaturentwicklung beim Schweißen simuliert werden. Die Ergebnisse wurden anhand experimenteller Untersuchungen validiert. Eigenspannungsberechnungen beim Quasisimultanschweißen konnten bis Projektende nicht durchgeführt werden, da stets Probleme mit dem verwendeten Materialmodell bzw. beim Übergang des simulierten Materials zwischen Feststoff- und Schmelzeverhalten auftraten. Es wurden eine Vielzahl empirischer Untersuchungen zu den Eigenspannungen bei quasisimultan geschweißten Bauteilen durchgeführt, die ein erweitertes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Eigenspannungen bewirken. Die im Rahmen Projektes erzielten Ergebnisse haben einen wesentlichen Beitrag zur Gewinnung eines vertieften Prozessverständnisses des Verfahrens des Lasertransmissionsschweißens geliefert. Die Vielzahl an rezensierten und internationalen Veröffentlichungen zeigt das Interesse der Fachwelt an der behandelten Thematik. Zur Sicherstellung der Nutzung der Projektergebnisse hinsichtlich der erzielbaren Erweiterung der Prozessgrenzen erscheint ein Transfer auf industrielle Realbedingungen notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simulation of Quasi-Simultaneous and Simultaneous Laser Welding. Welding in the World Vol. 52 No.1/2 (2007)
Potente, H.; Wilke, L.
- Simulation of rate dependent Plasticity for Polymers with asymmetric Effects. International Journal of Solids and Structures Volume 44 (2007)
Shaban, A., Mahnken, R., Wilke, L., Potente, H., Ridder, H.
- Simulation of the Residual Stresses in the Contour Laser Welding of Thermoplastics. Polymer Engineering and Science, 4 (2008)
Potente, H.; Wilke, L.; Ridder, H.; Shaban, A.; Mahnken, R.
- Thermoviscoplastic modelling of asymmetric effects for polymers at large strains. International Journal of Solids and Structures, 45 (2008)
Mahnken, R., Shaban, A.; Potente, H.; Wilke, L.
- Optische Eigenspannungsanalyse lasergeschweißter Kunststoffbauteile. Joining Plastics – Fügen von Kunststoffen, 1 (2010)
Bonefeld, D., Schöppner, V.
- Residual Stresses in the quasi-simultaneous laser transmission welding of amorphous thermoplastics. Polymer Engineering and Science, 51 (2010)
Bonefeld, D., Potente, H., Schöppner, V., Mahnken, R., Shaban, A.
