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Due to increasing demands on component integration, functionalization, saving weight or material, the density and weight of thermoplastic parts could be influenced significantly by using the thermoplastic foam injection molding process. The characteristic three-layer structure offers numerous advantages for applications, such as weight reduction, increasing the specific bending stiffness with a simultaneous low tendency to warp and optimizing thermal and acoustic properties. For a subsequent joining process, however, difficulties arise due to the thin solid skin layer. Minimum joining distances during welding can no longer be met geometrically and the mechanical properties of the components are reduced. The present study is intended to analyze the interaction between the microcellular structure of the injection molded parts, the influence on the joining process and the resulting mechanical properties. Therefore, a cooperation of Chemnitz University of Technology and University of Bayreuth was founded to investigate the correlation between injection molding and welding by vibration and infrared for microcellular polypropylene and polyamide materials. In addition to various materials with and without fiber reinforcement, the influence of storage time and different joint types were investigated in this study. The aim was to improve the knowledge of process - material - structure - properties as well as to prepare guidelines for the transfer to industrial applications. The results have shown that the characteristic three-layer structure has a considerable inhomogeneity, depending on the used material, the foaming process and the process parameters. However, the weldability of foamed thermoplastics strongly depends on the internal structure due to the injection molding parameters, the storage time between foam injection molding and welding process, the joint type and the welding process itself.

Der Vortrag zeigt die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Infrarotstrahler und Werkstoff beim Infrarotschweißen von Kunststoffen auf. Hierfür werden die Haupteinflüsse auf die Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen beschrieben. Diese sind das Emissionsverhalten des Infrarotstrahlers und das Absorptionsverhalten des Kunststoffs. Der Einfluss der Infrarotstrahlerart (Quarzglasstrahler, Metallfolienstrahler) und von Füllstoffen (Ruß, Glasfasern) im Kunststoff wird näher betrachtet. Zudem enthält der Vortrag eine Empfehlung für die Vorgehensweise beim Infrarotschweißen von Kunststoffen, die Vor- und Nachteile des Fügeverfahrens und einen Einblick in aktuelle Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Infrarotschweißens von Kunststoffen.

Continuous fibre-reinforced thermoplastics often are offered as impregnated and consolidated semi-finished products which are known as organic sheets. The thermoplastic matrix leads to several advantages including the thermoformability and weldability. Parts made of organic sheets are frequently produced by forming the semi-finished product into half-shells and stiffening those shells in the course of the process e.g. by the injection moulding of ribs. Larger and more complex parts with hollow body structures can be manufactured e.g. by forming the semi-finished products into half-shells and joining the half-shells. However, the currently available manufacturing technologies for parts made of organic sheets have cap profile shaped joints which prevent the use of the reinforcing fibres across the joint plane. Investigations have proven that overlapping weld joints in organic sheets show much higher strengths than cap profile shaped joints which can be explained by the fibre use across the joint plane. Furthermore, the infrared welding technology was verified as an appropriate process for the welding of organic sheets since no need for additional welding material is given, short heating times can be realized and no contact of the infrared emitters to the joining parts is required. Therefore, the present study shall reveal the high potential of the overlapping welding of organic sheets. Influences on the weld strengths of infrared welded organic sheets are described and potential improvements concerning the materials to be welded as well as the welding process are shown.

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.

Large-scale laminated safety glass is increasingly used in the public and private sector for example museums, jewelers or villas. Special safety is provided by these glasses in layered combination with polycarbonate sheets. Due to the low weight and its high tensile elongation comparing glass of the same thickness, highly transparent polycarbonate is suitable for safety-relevant components. Because of the dimensional limitation in the extrusion process, joining polycarbonate compounds are necessary for large-area joint of this laminated safety glass. According to the present state of the art, a transparent weld joint of polycarbonate is not possible. Within the scope of the project, polycarbonate joints were produced by infrared welding and adhesive bonding. The transparency of the joints was realized by varying the process parameters, for example the heating time. Additionally the present study focusses on a new innovative light intensity measurement, because conventional optical test methods can only subjectively assess the transparency and quality of the compound and the welding seam. The principle is based on the transmission of the welded and polished polycarbonate sample by means of a laser and the measurement of the current at the connected photoelectric cell, which is proportional to the intensity of the laserlight. This enables a qualitative evaluation of the joining dimension and -quality such as structural changes over the entire sample width. The results of this objective method correlate with the width of the stress distribution around the joining level, which are made visible with the photoelasticity using a polariscope and thus contribute to a better process understanding.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste werden oftmals als imprägnierte und konsolidierte Halbzeuge angeboten. Solche thermoplastischen Prepregs werden üblicherweise als Organobleche bezeichnet. Die thermoplastische Matrix ermöglicht unter anderem die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit von Organoblechen. Organobleche sind, durch die ausschließliche Möglichkeit sie mittels Thermoformen umzuformen, in ihrer Formgebung auf halbschalige Strukturen beschränkt, welche begrenzte Torsions-, Verwindungs- und Beulsteifigkeiten aufweisen. Um die Steifigkeiten dieser schalenförmigen, offenen Bauteile zu erhöhen, können z. B. versteifende Rippen oder Verstärkungssegmente eingebracht werden. Aufgrund des Thermoformprozesses sind mit Organoblechen, verglichen mit duroplastischen Systemen, jedoch nur kleine und einfache Bauteilgeometrien realisierbar. Um neben der Steifigkeitserhöhung auch größere und komplexere Bauteile herzustellen, können die schalenförmigen Organobleche während des Umformvorgangs gefügt werden. Auf diese Weise werden Hohlkörper in Doppelhutprofilform gefertigt. So werden, auch ohne Einbringung von Rippen o. ä., hohe Bauteilsteifigkeiten erreicht. Die Doppelhutprofilform hat jedoch eine nicht optimale Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg zur Folge, da die Fasern von der Belastungsrichtung abweichend umgelenkt werden. Im vorliegenden Beitrag wird daher das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen behandelt, was eine Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg ermöglicht. Die Prozess- und Werkstoffeinflüsse auf die Verbindungseigenschaften werden beschrieben und Möglichkeiten zur Optimierung der Schweißnahteigenschaften dargestellt. Des Weiteren werden Optimierungskriterien für überlappende Infrarotschweißungen an den untersuchten Organoblechen festgelegt. Die im Verlauf der Forschungsarbeiten umzusetzenden Verfahrensvarianten zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen aus Organblechen werden zudem vorgestellt.

Aufgrund der komplexen Strahler-Werkstoff-Wechselwirkung beim Erwärmen von Kunststoffen mit Infrarotstrahlung ist in vielen Infrarotschweißprozessen eine Rauchentwicklung zu beobachten. Diese tritt oftmals bei ruß- und/oder glasfasergefüllten Kunststoffen auf und resultiert in einem thermisch-oxidativen Werkstoffabbau, welcher zu einer Abnahme der mechanischen und thermischen Verbindungseigenschaften führt. Die Rauchbildung kann zudem lufttechnische Maßnahmen, wie Absaugeinrichtungen, an der Schweißmaschine erforderlich machen. Der Problematik der Rauchentwicklung beim Infrarotschweißen (IR-Schweißen) von Kunststoffen wird derzeit mit zeitintensiven, empirischen Voruntersuchungen zur Parameterfindung entgegengewirkt. Ziel ist es Strahlerabstands-Erwärmzeit-Kombinationen zu finden, die zu einer ausreichenden Schmelzeerzeugung bei möglichst niedriger thermisch-oxidativer Werkstoffbelastung führen. Ein Ansatz zur Reduzierung des Vorversuchsaufwandes ist die Temperaturmessung der bestrahlten Substratoberfläche, welche unterhalb der Zersetzungstemperatur des bestrahlten Kunststoffs liegen sollte. Derzeitig können jedoch nur ergänzende thermographische und pyrometrische Temperaturmesssysteme eingesetzt werden, welche eine vergleichende Messung der Prozesstemperaturen beim IR-Schweißen ermöglichen und die Prozessstabilität des IR-Schweißprozesses in einem festgelegten Prozessfenster gewährleisten. Eine Messung der tatsächlichen Kunststofftemperaturen ist mit diesen Systemen nicht möglich. Aktuell hat eine Änderung der zu schweißenden Kunststoffe, der Füllstoffe (z. B. Glasfasern) oder ein Schwanken der Füll-und Verstärkungsstoffgehalte der Kunststoffe zur Folge, dass neue Voruntersuchungen zur Prozessparameterfindung des IR-Schweißprozesses notwendig werden. Aufgrund dessen entwickeln die Professur Kunststoffe an der Technischen Universität Chemnitz und die Firma Eugen Riexinger aus Bad Liebenzell eine Temperaturmessmethodik zur Bestimmung der tatsächlich auftretenden Substrattemperaturen während der Infraroterwärmung von Kunststoffen. Die Methodik soll eine IR-Erwärmung von Kunststoffen auf eine kunststoffabhängige Soll-Temperatur ermöglichen und verhindert so die Rauchbildung während der IR-Erwärmung und damit die thermisch-oxidative Werkstoffschädigung. Der Beitrag beschreibt die aktuell auftretenden Herausforderungen beim IR-Schweißen von Kunststoffen, die gewählte Herangehensweise an die Entwicklung der Temperaturmessmethodik zur Bestimmung der tatsächlichen Substrattemperatur sowie die Ergebnisse des Entwicklungsprozesses.

Continuous fibre-reinforced thermoplastics often are offered as impregnated and consolidated semi-finished products which are known as organic sheets. The thermoplastic matrix leads to several advantages including the thermoformability and weldability. Parts made of organic sheets are frequently produced by forming the semi-finished product into half-shells and stiffening those shells in the course of the process e.g. by the injection moulding of ribs. Larger and more complex parts with hollow body structures can be manufactured e.g. by forming the semi-finished products into half-shells and joining the half-shells. However, the currently available manufacturing technologies for parts made of organic sheets have cap profile shaped joints which prevent the use of the reinforcing fibres across the joint plane. Investigations have proven that overlapping weld joints in organic sheets show much higher strengths than cap profile shaped joints which can be explained by the fibre use across the joint plane. Furthermore, the infrared welding technology was verified as an appropriate process for the welding of organic sheets since no need for additional welding material is given, short heating times can be realized and no contact of the infrared emitters to the joining parts is required. Therefore, the present study shall reveal the high potential of the overlapping welding of organic sheets. Influences on the weld strengths of infrared welded organic sheets are described and potential improvements concerning the materials to be welded as well as the welding process are shown.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste werden oftmals als imprägnierte und konsolidierte Halbzeuge angeboten. Solche thermoplastischen Prepregs werden üblicherweise als Organobleche bezeichnet. Die thermoplastische Matrix ermöglicht unter anderem die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit von Organoblechen. Organobleche sind, durch die ausschließliche Möglichkeit sie mittels Thermoformen umzuformen, in ihrer Formgebung auf halbschalige Strukturen beschränkt, welche begrenzte Torsions-, Verwindungs- und Beulsteifigkeiten aufweisen. Um die Steifigkeiten dieser schalenförmigen, offenen Bauteile zu erhöhen, können z. B. versteifende Rippen oder Verstärkungssegmente eingebracht werden. Aufgrund des Thermoformprozesses sind mit Organoblechen, verglichen mit duroplastischen Systemen, jedoch nur kleine und einfache Bauteilgeometrien realisierbar. Um neben der Steifigkeitserhöhung auch größere und komplexere Bauteile herzustellen, können die schalenförmigen Organobleche während des Umformvorgangs gefügt werden. Auf diese Weise werden Hohlkörper in Doppelhutprofilform gefertigt. So werden, auch ohne Einbringung von Rippen o. ä., hohe Bauteilsteifigkeiten erreicht. Die Doppelhutprofilform hat jedoch eine nicht optimale Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg zur Folge, da die Fasern von der Belastungsrichtung abweichend umgelenkt werden. Im vorliegenden Beitrag wird daher das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen behandelt, was eine Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg ermöglicht. Die Prozess- und Werkstoffeinflüsse auf die Verbindungseigenschaften werden beschrieben und Möglichkeiten zur Optimierung der Schweißnahteigenschaften dargestellt. Des Weiteren werden Optimierungskriterien für überlappende Infrarotschweißungen an den untersuchten Organoblechen festgelegt. Die im Verlauf der Forschungsarbeiten umzusetzenden Verfahrensvarianten zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen aus Organblechen werden zudem vorgestellt.