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 ......................

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.

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.

Thermoplastic prepregs that are also known as organo sheets are processed in presses and formed to half shells. Larger components can be produced by joining the half shells, which results in hollow bodies. However, current manufacturing technologies allow only cap profile shaped joints, which cause fiber deflections in the joint plane. This presentation shows that overlapping infrared welds in organo sheets enable weld strengths close to the interlaminar shear strengths of the unwelded materials and thus a fiber utilization across the joint plane. By using high welding pressures, a matrix depletion and a change of the fiber alignment in the weld plane may occur which causes low weld strengths. Therefore possibilbites to optimize the weld strengths are shown and one possible process variants for the manufacturing of hollow bodies by infrared welding is introduced.

Thermoplastic prepregs that are also known as organo sheets are processed in presses and formed to half shells. Larger components can be produced by joining the half shells, which results in hollow bodies. However, current manufacturing technologies allow only cap profile shaped joints, which cause fiber deflections in the joint plane. This paper shows that overlapping infrared welds in organo sheets enable weld strengths close to the interlaminar shear strengths of the unwelded materials and thus a fiber utilization across the joint plane. By using high welding pressures, a matrix depletion and a change of the fiber alignment in the weld plane may occur which causes low weld strengths. Therefore, criteria for the successful welding were defined and various possibilities to optimize the weld strengths were investigated.

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.

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick

Das Verständnis über die Ausbildung der Grenzfläche eines hybriden Bauteils aus thermoplastischem Kunststoff und Metall sowie die maßgeblichen Faktoren zum Erreichen einer hohen Verbundhaftung und Mediendichtheit in der Grenzfläche stellen nach wie vor eine große Herausforderung dar. Am Beispiel einer spritzgegossenen Kunststoff-Metall-Verbundprobe werden diese Zusammenhänge untersucht und bewertet. Es wird eine Methode zur Herstellung stoffschlüssig gefügter Verbunde mit hoher Mediendichtheit auf Basis einer hohen Kontakttemperatur beim Fügen entwickelt, indem Verbundspritzgießen und nachträgliches thermisches Fügen durch Induktionsheizen kombiniert werden. Eine stoffschlüssige Verbindung mit hoher Mediendichtheit zwischen thermoplastischem Kunststoff und Metall erfordert eine Haftung in der Grenzfläche der Verbundpartner auf Basis intermolekularer Wechselwirkungen. Die Quantifizierung der Mediendichtheit in der Grenzfläche erfolgt über eine eigens entwickelte Messmethode. Die entwickelte Vorgehensweise ermöglichet die Differenzierung zwischen intermolekularen Wechselwirkungen und mechanischen Verklammerungen als Ursache für eine Haftungsausbildung und deren Einfluss auf die Grenzflächeneigenschaften. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis der Grenzflächenausbildung, insbesondere zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit des metallischen Verbundpartners sowie der Fügeprozessbedingungen zur Fertigung von Kunststoff-Metall-Verbunden mit hoher Mediendichtheit, bei.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Forschung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 4 Experimentelles 5 Analytik 6 Ergebnisse 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / Understanding the formation of the interface of a hybrid component made of thermoplastic and metal as well as the decisive factors for achieving high adhe-sion and media tightness in the interface still represent a major challenge. These relationships are investigated and elucidated using the example of an injection-molded plastic-metal part. A method for the production of firmly bonded hybrid parts with high media tightness based on a high contact temperature during joining of the hybrid part is developed by combining injection molding and subsequent thermal joining by induction heating. A firm bond with high media tightness between a thermoplastic and a metal requires an adhesion in the inter-face of the joint materials based on molecular interactions. The quantification of the media tightness in the interface is done by using a specially developed measurement method. The investigations enable the differentiation between molecular interactions and mechanical interlocking as the cause of adhesion formation and their influence on the properties of the interface. The gained knowledge contributes to the understanding of interface formation and its prop-erties, in particular the influence of the surface properties of the metallic bond partner and the joining process conditions for the production of plastic-metal parts with high media tightness.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Forschung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 4 Experimentelles 5 Analytik 6 Ergebnisse 7 Diskussion der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick