Thesis--Universität-Gesamthochschule-Paderborn.

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

Das Heizelementschweißen von Bauteilen großer Wanddicke wurde bisher wissenschaftlich kaum untersucht. In der DVS-Richtlinie wurden die Parameter für große Wanddicken linear extrapoliert. Die Veröffentlichung beschäftigt sich mit der systematischen Analyse des Heizelementschweißens von Wanddicken bis 100 mm. Weiterhin werden Prozessstrategien diskutiert, die zur Verbesserung der Langzeitfestigkeit von heizelementgeschweißten Bauteilen großer Wanddicke beitragen sollen.

Das Schweißen von WPC stellt zunächst aufgrund der thermoplastischen Matrix eine effektive Fügetechnologie dar. Der Beitrag behandelt das Heizelementschweißen von WPC und liefert Aussagen zur Wirkung der Prozessparameter auf die mechanischen und geometrischen Nahteigenschaften, dem Rezeptureinfluss und der thermischen Instabilität der Holzfaser. An den WPC-Rezepturen auf Basis von Polypropylen mit 40 Gew.-% und 50 Gew.-% Holzfasern sowie des Einsatzes von PET-Fasern im Compound, werden die Zusammenhänge untersucht und die Versagensmechanismen aufgezeigt.

Das Schweißen von WPC stellt zunächst aufgrund der thermoplastischen Matrix eine effektive Fügetechnologie dar. Der Beitrag behandelt das Heizelementschweißen von WPC und liefert Aussagen zur Wirkung der Prozessparameter auf die mechanischen und geometrischen Nahteigenschaften, dem Rezeptureinfluss und der thermischen Instabilität der Holzfaser. An den WPC-Rezepturen auf Basis von Polypropylen mit 40 Gew.-% und 50 Gew.-% Holzfasern sowie des Einsatzes von PET-Fasern im Compound, werden die Zusammenhänge untersucht und die Versagensmechanismen aufgezeigt.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten resultieren aus dem Ansatz, die theoretisch ableit-baren erheblichen Vorteile der Werkstoffgruppe WPC zur Herstellung von kombinierten WPC-Trag- und Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen industrieller Verkettungssysteme (Stückgutförderer) zu nutzen. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die typischen Ver-schleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente: - Abrasivverschleiß - mechanische Überlast und Deformation in den Kontaktstellen - thermisch bedingter Verschleiß durch geeigneten Holzzusatz und –anteil zu höheren Grenzen hin verschieben lassen, indem der anfängliche Abrasivverschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb bzw. den Verschleiß und die Reibungszahl der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Zudem sollen durch diese Werkstoffmischung die negativen Folgen steigender Temperaturent-wicklung auf die Reibpaarung gesenkt werden. Für die Optimierung der WPC-Werkstoffe zum Einsatz in maschinenbautechnischen Anwen-dungen wurden Rezepturen entwickelt, die neben dem verbesserten tribologischen Verhalten gleichfalls durch erhöhte mechanische Festigkeiten aufgrund gezielter Haftvermittlerzugabe gekennzeichnet sind. Einflußgrößen aus Rezeptur und Verarbeitung wurden untersucht, Grundlagenversuche zur Schweißbarkeit durchgeführt. Dabei zeigt sich eine geringere Abhän-gigkeit von Prozeßgrößen, wie Temperaturen oder Drücke in der Fügezone. Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen zur Verifikation der Annahme zeigen, daß bei der Verwendung von WPC in hoch belasteten Reibpaarungen ein verbesserter Gleitreibwert bei geringerem Verschleiß im Gegensatz zum reinen Kunststoff vorliegt und somit der Ansatz der Projektzielstellung bestätigt wurde. Für die Übertragung der Erkenntnisse in der Praxis wurde abschließend zusammen mit einem Industriepartner ein vorteilhaftes Profilsystem für einen Stückgutförderer konzipiert und in einer ersten Testanlage geprüft.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten resultieren aus dem Ansatz, die theoretisch ableit-baren erheblichen Vorteile der Werkstoffgruppe WPC zur Herstellung von kombinierten WPC-Trag- und Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen industrieller Verkettungssysteme (Stückgutförderer) zu nutzen. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die typischen Ver-schleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente: - Abrasivverschleiß - mechanische Überlast und Deformation in den Kontaktstellen - thermisch bedingter Verschleiß durch geeigneten Holzzusatz und –anteil zu höheren Grenzen hin verschieben lassen, indem der anfängliche Abrasivverschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb bzw. den Verschleiß und die Reibungszahl der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Zudem sollen durch diese Werkstoffmischung die negativen Folgen steigender Temperaturent-wicklung auf die Reibpaarung gesenkt werden. Für die Optimierung der WPC-Werkstoffe zum Einsatz in maschinenbautechnischen Anwen-dungen wurden Rezepturen entwickelt, die neben dem verbesserten tribologischen Verhalten gleichfalls durch erhöhte mechanische Festigkeiten aufgrund gezielter Haftvermittlerzugabe gekennzeichnet sind. Einflußgrößen aus Rezeptur und Verarbeitung wurden untersucht, Grundlagenversuche zur Schweißbarkeit durchgeführt. Dabei zeigt sich eine geringere Abhän-gigkeit von Prozeßgrößen, wie Temperaturen oder Drücke in der Fügezone. Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen zur Verifikation der Annahme zeigen, daß bei der Verwendung von WPC in hoch belasteten Reibpaarungen ein verbesserter Gleitreibwert bei geringerem Verschleiß im Gegensatz zum reinen Kunststoff vorliegt und somit der Ansatz der Projektzielstellung bestätigt wurde. Für die Übertragung der Erkenntnisse in der Praxis wurde abschließend zusammen mit einem Industriepartner ein vorteilhaftes Profilsystem für einen Stückgutförderer konzipiert und in einer ersten Testanlage geprüft.

Die im Folgenden vorgestellten Arbeiten sollen zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von WPC-Bauteilen beitragen, wobei die Untersuchung möglicher Fügetechnologien und ein praxisnahes Anwendungsbeispiel die Schwerpunkte bilden. Mittels Heizelement- und Vibrationsschweißens ist es gelungen, WPC-Bauteile sowohl mit gleichen Materialien als auch mit dem jeweiligen reinen Matrixmaterialien in Mischbauweisen zu verbinden. Deutlich werden hierbei verfahrensbedingte Einflüsse der Temperaturen bzw. des Energieeintrages, der Krafteinleitung (Fügedruck) sowie rezepturbedingte Einflüsse des Anteiles von Haftvermittlern. Durch entsprechende Verfahrensführung können Festigkeiten der Schweißverbindung im Bereich der WPC-Grundmaterialfestigkeit erreicht werden. Im Praxistest wurde das Dauerlaufverhalten eines Hybridprofils aus Aluminium und WPC in einem Hängefördersystem unter dynamischen Belastungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die WPC-Bauteile des Hybriden den unterschiedlichen Beanspruchungen und den daraus resultierenden Verformungen nach in Summe 3000 h Testbetrieb, ohne sichtbare Schäden standhielten. Weiterhin waren keine Nachteile bezüglich der Praxistauglichkeit im Vergleich zu dem Standardprofil aus Aluminium feststellbar.

Die im Folgenden vorgestellten Arbeiten sollen zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von WPC-Bauteilen beitragen, wobei die Untersuchung möglicher Fügetechnologien und ein praxisnahes Anwendungsbeispiel die Schwerpunkte bilden. Mittels Heizelement- und Vibrationsschweißens ist es gelungen, WPC-Bauteile sowohl mit gleichen Materialien als auch mit dem jeweiligen reinen Matrixmaterialien in Mischbauweisen zu verbinden. Deutlich werden hierbei verfahrensbedingte Einflüsse der Temperaturen bzw. des Energieeintrages, der Krafteinleitung (Fügedruck) sowie rezepturbedingte Einflüsse des Anteiles von Haftvermittlern. Durch entsprechende Verfahrensführung können Festigkeiten der Schweißverbindung im Bereich der WPC-Grundmaterialfestigkeit erreicht werden. Im Praxistest wurde das Dauerlaufverhalten eines Hybridprofils aus Aluminium und WPC in einem Hängefördersystem unter dynamischen Belastungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die WPC-Bauteile des Hybriden den unterschiedlichen Beanspruchungen und den daraus resultierenden Verformungen nach in Summe 3000 h Testbetrieb, ohne sichtbare Schäden standhielten. Weiterhin waren keine Nachteile bezüglich der Praxistauglichkeit im Vergleich zu dem Standardprofil aus Aluminium feststellbar.

Das Forschungsvorhaben liefert einen Beitrag zum Schweißen von Gleich- und Mischmaterialverbindungen aus Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) sowie deren Verarbeitung im Compoundieren und Spritzguss. Es wurde holzfasergefülltes (WPC) und flachsfasergefülltes (FFC) Polypropylen (PP) mit unterschiedlichen Füllgraden verwendet. Der Einsatz synthetisch-organsicher Fasern (PET-Fasern) im Compound zielte darauf ab, besonders die Schlagzähigkeit zu verbessern. Im Bereich des Urformens wurden Aussagen zur Verarbeitbarkeit, zu rezepturabhängigen Kurz- und Langzeiteigenschaften sowie Aussagen zur Dauergebrauchsfähigkeit erarbeitet. Die Anwendbarkeit der Fügeverfahren Heizelement- (HE-Schweißen) und Vibrationsschweißen (VIB-Schweißen) konnte für Gleich- und Mischmaterialverbindungen sowohl ohne als auch mit angepasster Energieeinbringung nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang können Aussagen zur Rezepturabhängigkeit, Verfahrensführung, Parameterauswahl, Prüfkriterien sowie den technischen Grenzen der Schweißverbindung unter kurzzeitmechanischer Beanspruchung getroffen werden. Weiterhin wird ein Beitrag zur Dauergebrauchsfähigkeit unter UV-Globalbewitterung und thermischer Alterung sowie zu langzeitmechanischen Eigenschaften von NFK-Schweißverbindungen geliefert.