Thesis (Dr.-Ing.)--Universität-Gesamthochschule Paderborn, 1992.

Steigende Anforderungen an die Bauteilkomplexität, deren Funktionalität und die zugehörigen Montageanforderungen erfordern die Herstellung sequenzieller Baugruppen und deren anschließendes Fügen zum finalen Gesamtbauteil. Die Forderung nach gewichtsreduzierten Eigenschaften steht dabei v. a. in den Sektoren Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt und im Transportwesen im Vordergrund, wodurch die Substitution konventioneller Werkstoffe durch Kunststoff unumgänglich ist. Eine Möglichkeit das Gewicht thermoplastischer Bauteile nochmals deutlich zu reduzieren, ist die Verwendung des Thermoplast-Schaumspritzgießverfahrens (TSG), welches ein Sonderverfahren der Spritzgießtechnologie darstellt. Ziel ist die Aufklärung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beim Spritzgieß- und Schweißprozess von geschäumten Thermoplasten. Geschäumte Bauteile zeichnen sich durch ihre charakteristische 3-Schicht-Struktur aus. Ein mikrozellular geschäumter Kern wird von einer kompakten Randschicht umschlossen. In Abhängigkeit der Prozessbedingungen während der Herstellung von geschäumten Thermoplasten kann diese dreischichtige Struktur unterschiedlich ausgeprägt sein. Aufgrund der verschiedenen Einflussfaktoren und den daraus resultierenden vielseitigen Erscheinungsformen der Bauteilstruktur (Zellgrößen, -verteilung) sowie die Dicke der kompakten Randschicht) ist das Schweißen derartiger Bauteile eine Herausforderung. Um eine möglichst hohe Verbindungsfestigkeit zu erreichen, muss der Schweißprozess (Infrarot- und Vibrationsschweißprozess) daher auf die speziel-len Besonderheiten des geschäumten Materials eingestellt werden. Anhand von Polyamid- und Polypropylenbasierter Kunststoffebauteile mit und ohne Faserverstärkung soll eine umfangreiche, systematische und fundierte Wissensbasis geschaffen und optimale Prozessparameter beim Spritzguss- und Fügeprozess gefunden werden. Neben den verschiedenen Materialien wird zudem der Einfluss der Lagerzeit (Zeitspanne zwischen Schaumspritzguss und Fügeprozess) sowie verschiedene Schweißanordnungen variiert und untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der charakteristische dreischichtige Aufbau sowie die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit des Materials, der Prozessparameter (Spritzguss- und Fügeprozess) und des Schäumprozesses (chemisch, physikalisch) starke Inhomogenitäten aufweisen.

Aufgrund der stetig wachsenden Anforderungen hinsichtlich Gewichtsreduzierung und Funktionsintegration, besonders im Bereich des Automobilbaus, werden traditionell aus metallischen Werkstoffen gefertigte Komponenten immer häufiger durch Kunststoffbauteile substituiert. Dem entgegen steht derzeit die Tatsache, dass, trotz hohen Prozessverständnisses und des Wissens um die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beim Vibrationsschweißen, die theoretisch erzielbaren Schweißnahtfestigkeiten, von 90 % bis 100 % des unverstärkten Grundmaterials, in der industriellen Serienfertigung bei weitem nicht erreicht werden. Die Komplexität eines industriell gefertigten Bauteils wird an Plattenprüfkörpern simuliert. Die Ergebnisse der Schweißversuche zeigen, dass unterschiedliche Wandstärken im Schweißnahtbereich, Bauteilverzug und unterschiedliche Schwingrichungen innerhalb einer Schweißnaht zu ungleichmäßigen lokalen Prozessbedingungen währenden des linearen Vibrationsschweißprozesses führen. Diese hinterlassen lokale Schwachstellen, welche das Gesamtbauteilversagen bestimmen. Durch alternative Prozessführungsstrategien, wie das Hochdruckanfahren und die IR-Vorwärmung, können diese Schwachstellen reduziert und die Gesamtbauteilfestigkeit angehoben werden. Dies wird am Beispiel des Bauteilverzugs veranschaulicht. / Due to the increasing demands for weight reduction and integration of function, especially in the field of automotive, components made of metallic materials are increasingly being substituted by components made of thermoplastic materials. In contrast to this there is currently the fact that, despite the high process understanding of the vibration welding and the knowledge of the process-structure-property relationships, the theoretically achievable weld strengths of 90 % to 100 % of the unreinforced base material strength are far to be achieved in industrial series production. The complexity of an industrially manufactured component is simulated by using plate test specimens. The results of the welding experiments show that different wall thicknesses in the weld area, component warpage and different friction angle within the weld leads to nonuniform local process conditions during linear vibration welding process. This results in local weak spots, which reduce the total component strength. These local weak spots can be reduced by using alternative process strategies, such as in-process pressure variation and IR preheating. So not only the local strengths but also the total component strength will be increased. This is shown on the example of component warpage.

Due to the rising demand of light-weight constructions as well as the conservation of resources, the density and weight of thermoplastic parts could be influenced significantly by using the thermoplastic foam injection molding process. The structure of the foam injection molded part, which typically means solid surface layers and a cellular core, usually results in a weight saving. Furthermore the materials structure leads to an increasing of the specific bending stiffness with a simultaneous low tendency to warp. The present study was aimed to analyze the interactions between microcellular structure, joining process and the resulting mechanical properties of the molded part. Therefore, the microcellular injection molding process (MuCell®) as well as the vibration welding were used. Whereas the established welding processes for solid injection molded parts have already achieved a high degree of perfection within the last decades, the joining of microcellular thermoplastics entails several specific characteristics, because the injection foaming process highly influences the basic material properties. In contrast to solid materials, the weld seam properties after joining are mainly affected by the design constraints of the microcellular structure.

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 Kunststoffschweißverfahren Infrarot- und Vibrationsschweißen sind in der Serienfertigung etablierte Fügetechnologien. Sie sind durch eine wirtschaftliche und effiziente Prozessführung gekennzeichnet und sind verfahrenstechnisch prinzipiell zum Einsatz im Apparate-, Behälter- und Rohrleitungsbau geeignet. Aufgrund fehlender Erkenntnisse und Nachweise zum Zeitstandverhalten ist die Anwendung dieser Verfahren im Halbzeugbereich jedoch nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Vibrations- und Infrarotschweißen hinsichtlich ihres Potentials für Langzeitanwendungen mit dem konventionellen Halbzeugschweißverfahren Heizelementschweißen verglichen und erreichbare Zeitstandzug-Schweißfaktoren ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl für das Vibrations- als auch Infrarotschweißen, in Abhängigkeit der Prozessparameter, Zeitstandzug-Schweißfaktoren von ca. 0,7 bis 0,9 erreicht werden. Darüber hinaus führen die Resultate dieser Arbeit zu einer Erweiterung der Wissensbasis über die Mechanismen des Zeitstandbruchverhaltens geschweißter Polyolefinhalbzeuge. Die für die Kurzzeitfestigkeit von Vibrations- und Infrarotschweiß-verbindungen vielfach nachgewiesene Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation wurde für die Zeitstandfestigkeit erforscht und angewendet. / The infrared and vibration welding processes are joining technologies established in series fabrication. They are characterised by their economically viable and efficient process management and they are suitable for utilisation in apparatus, tank and pipeline construction. However, their application in the field of semi-finished procucts is restricted due to the lack of knowledge and proof in relation to the Environmental Stress Cracking (ESC). Within the framework of the research, the vibration and infrared welding processes were compared with the conventional welding process heated tool butt welding. Furthermore achievable tensile creep welding factors were determined. The results show achievable tensile creep welding factors from ca. 0.7 to 0.9 for the vibration welding process as well as for the infrared welding process dependent on their process parameters. Moreover, the knowledge base of the mechanisms of the failure behaviour of welded joints between semi-finished products undergoing ESC was extended. The process-structure-property correlation, which has been proven for the short-term strength of vibration and infrared welded joints many times, was investigated and applied for the long-term strength.

Due to the rising demand of light-weight constructions as well as the conservation of resources, the density and weight of thermoplastic parts could be influenced significantly by using the thermoplastic foam injection molding process. The structure of the foam injection molded part, which typically means solid surface layers and a cellular core, usually results in a weight saving. Furthermore the materials structure leads to an increasing of the specific bending stiffness with a simultaneous low tendency to warp. The present study was aimed to analyze the interactions between microcellular structure, joining process and the resulting mechanical properties of the molded part. Therefore, the microcellular injection molding process (MuCell®) as well as the vibration welding were used. Whereas the established welding processes for solid injection molded parts have already achieved a high degree of perfection within the last decades, the joining of microcellular thermoplastics entails several specific characteristics, because the injection foaming process highly influences the basic material properties. In contrast to solid materials, the weld seam properties after joining are mainly affected by the design constraints of the microcellular structure.

Aufgrund der stetig wachsenden Anforderungen hinsichtlich Gewichtsreduzierung und Funktionsintegration, besonders im Bereich des Automobilbaus, werden traditionell aus metallischen Werkstoffen gefertigte Komponenten immer häufiger durch Kunststoffbauteile substituiert. Dem entgegen steht derzeit die Tatsache, dass, trotz hohen Prozessverständnisses und des Wissens um die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beim Vibrationsschweißen, die theoretisch erzielbaren Schweißnahtfestigkeiten, von 90 % bis 100 % des unverstärkten Grundmaterials, in der industriellen Serienfertigung bei weitem nicht erreicht werden. Die Komplexität eines industriell gefertigten Bauteils wird an Plattenprüfkörpern simuliert. Die Ergebnisse der Schweißversuche zeigen, dass unterschiedliche Wandstärken im Schweißnahtbereich, Bauteilverzug und unterschiedliche Schwingrichungen innerhalb einer Schweißnaht zu ungleichmäßigen lokalen Prozessbedingungen währenden des linearen Vibrationsschweißprozesses führen. Diese hinterlassen lokale Schwachstellen, welche das Gesamtbauteilversagen bestimmen. Durch alternative Prozessführungsstrategien, wie das Hochdruckanfahren und die IR-Vorwärmung, können diese Schwachstellen reduziert und die Gesamtbauteilfestigkeit angehoben werden. Dies wird am Beispiel des Bauteilverzugs veranschaulicht. / Due to the increasing demands for weight reduction and integration of function, especially in the field of automotive, components made of metallic materials are increasingly being substituted by components made of thermoplastic materials. In contrast to this there is currently the fact that, despite the high process understanding of the vibration welding and the knowledge of the process-structure-property relationships, the theoretically achievable weld strengths of 90 % to 100 % of the unreinforced base material strength are far to be achieved in industrial series production. The complexity of an industrially manufactured component is simulated by using plate test specimens. The results of the welding experiments show that different wall thicknesses in the weld area, component warpage and different friction angle within the weld leads to nonuniform local process conditions during linear vibration welding process. This results in local weak spots, which reduce the total component strength. These local weak spots can be reduced by using alternative process strategies, such as in-process pressure variation and IR preheating. So not only the local strengths but also the total component strength will be increased. This is shown on the example of component warpage.

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.