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.

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.

In dieser Arbeit wird ein neuartiges Düsensystem zum effizienten Heißgas-schweißen erforscht. Die theoretisch gewonnenen Daten der CFD-Simulationen werden an einer serienfähigen Heißgasschweißanlage, zwei Werkstoffen und zwei Probekörpergeometrien bestätigt. Das Düsensystem macht eintauchende Düsensysteme für den Heißgasschweißprozess serienfähig und erlaubt eine Reduktion der Erwärmungszeit um bis zu 50 %. Zusätzlich sind Kunststoffe mit hoher Schmelztemperatur (z. B. PA6T/XT-GF35) erstmals zuverlässig schweißbar. Mit dem neuen Düsensystem können anspruchsvolle, technische Werkstoffe mit hohen Schmelztemperaturen und großer Temperatursen-sivität gefügt werden. Zudem erlaubt das Aufsatz-Düsen-System das Fügen von Bauteilen mit komplex verlaufenden Schweißnähten. Die schnelle und homogene Erwärmung des Kunststoffes mit dem neuartigen Düsensystem erlaubt es, den Energie- und Gasverbrauch deutlich zu reduzieren.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft 4 Versuchsaufbau zur Untersuchung der Düsensysteme 5 Vergleich des RD- und AD-Systems durch CFD-Simulation und Auswahl eines Düsensystems 6 Optimierung des AD-Systems durch CFD-Simulation 7 Vergleich des AD-Systems mit dem Stand der Technik mittels serienfähiger Heißgasschweißanlage 8 Wechselwirkung ausgewählter Einstellparameter mit dem AD-System 9 Diskussion der Ergebnisse 10 Zusammenfassung und Ausblick Anhang ...................... / In this work, a new kind of nozzle system for efficient hot gas welding is re-searched. The theoretically obtained data from the CFD simulations are con-firmed on a production-capable hot gas welding system, two materials and two test specimens. The nozzle system makes immersed nozzle systems for the hot gas welding process suitable for series production and allows a reduction in heating time of up to 50 %. In addition, resins with high melting temperatures (e.g. PA6T/XT-GF35) can be reliably welded for the first time. With the new nozzle system, demanding engineering materials with high melting tempera-tures and high temperature sensitivity can be joined. In addition, the top nozzle system allows the joining of components with complex weld seams. The fast and homogeneous heating of the plastic with the new nozzle system allows energy and gas consumption to be significantly reduced.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft 4 Versuchsaufbau zur Untersuchung der Düsensysteme 5 Vergleich des RD- und AD-Systems durch CFD-Simulation und Auswahl eines Düsensystems 6 Optimierung des AD-Systems durch CFD-Simulation 7 Vergleich des AD-Systems mit dem Stand der Technik mittels serienfähiger Heißgasschweißanlage 8 Wechselwirkung ausgewählter Einstellparameter mit dem AD-System 9 Diskussion der Ergebnisse 10 Zusammenfassung und Ausblick Anhang ......................

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.

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.