Die Plasmatreat GmbH, Steinhagen, hat für die Entwicklung von Plasma-SealTight vom ostwestfälischen Branchennetzwerk Kunststoffe in OWL e. V. am 7. September den „Kunststoff-Innovationspreis 2017“ verliehen bekommen. Plasma-SealTight ist eine im Atmosphärendruck erzeugte Plasmaversiegelungsschicht zur Schaffung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Metall und Kunststoff bei Hybridverbunden im Spritzgießprozess. An dem neuen Verfahren ist auch der Systempartner Akro-Plastic beteiligt, der hierfür Compounds mit angepassten Eigenschaften liefert. 

Technik von Plasmatreat nimmt Schlüsselrolle ein 

Plasmaschweißen

kunststoffe.de

Kunststoff-Innovationspreis 2017 für Plasma-SealTight-Technologie 

Hohe Anforderungen an die Reinheit lassen sich beim Reibschweißen am besten über eine Vorheizung einhalten. Das verbessert sogar die Schweißqualität, allerdings sinkt die Produktivität und die Kosten steigen. In der Praxis gilt es angesichts dieser gegenläufigen Einflüsse, ein Optimum zu finden. 

Infrarot-Vorheizung erhöht die Reibschweiß-Qualität – aber wie viel ist wirtschaftlich sinnvoll? 

Verbindungstechnik

Thermisches Fügeverfahren

Reibschweißen / -rührschweißen

Das optimale Quantum Restpartikel  

Mit dem zunehmenden industriellen Einsatz von Kunststoffen gewinnen auch Fügeverfahren, insbesondere Schweißverfahren, an Bedeutung. Entsprechend der physikalischen Prinzipien stehen diverse thermische Fügeverfahren zum Schweißen von Kunststoffen zur Verfügung. Ein geeignetes Schweißverfahren zu wählen sowie den Prozess richtig einzurichten und zu führen, ist für die Qualität der Schweißnähte von hoher Bedeutung. Hierbei unterstützt die KLN Ultraschall AG, Heppenheim, die anfänglich nur Ultraschallschweißmaschinen für Reinigungsprozesse in der Medizintechnik anbot. Mittlerweile hat das Unternehmen sein Schweißmaschinen-Portfolio auf sechs Hauptbereiche erweitert: Ultraschall-, Vibrations-, Heizelement-, Rotations-, thermisches und Infrarotschweißen. Die Schweißmaschinen finden inzwischen in der Medizintechnik, Automobil-, Weißgeräte- und Elektroindustrie weltweit Anwendung. 

KLN Ultraschall 

Thermische Fügeverfahren 

Entsprechend des Stands der Technik gibt es zahlreiche thermische Schweißverfahren zum Fügen von Thermoplastkomponenten. Ein jedes Schweißverfahren, wie beispielsweise das Heizelement-, Infrarot- oder Laserschweißen, bietet prozessspezifische Vor- und Nachteile. Die Auswahl eines Verfahrens erfordert Expertenwissen bezüglich der unterschiedlichen Schweißverfahren und des verwendeten Materials. Dieses Know-how bündelt Cemas Elettra S.r.l., Carmagnola/Italien, durch ein breites Produktportfolio. Das Unternehmen hat eine Multi-Faser-Laserschweißmaschine für die Verfahrensvariante Simultanschweißen entwickelt. Da als Produkt eine Heckleuchte im Vordergrund der Entwicklungsarbeiten stand, wurde vor allem auf die optischen Anforderungen der Schweißnaht geachtet. 

Cemas 

Vibrationsschweißen

Thermische Schweißverfahren 

Additive Fertigung kann komplexe Geometrien erzeugen, indem sie Bauteile sukzessive aus einzelnen Schichten oder Filamenten aufbaut. Genau das hat aber auch schlechtere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Material „aus einem Guss“ zur Folge. Einen Ausweg könnte gezieltes Verschweißen der sich berührenden Stellen bieten. 

Heiße Kohlenstoffröhrchen verbinden Schichten 

Additive Fertigung

Technik Trend

Nanoschweißen stabilisiert additive Fertigung 

Jenoptik verkettet zwei bereits erfolgreich in den Automobilmarkt eingeführte Technologien miteinander, um die Fertigung von Stoßfängern zu beschleunigen. Diese in dieser Form bislang einzigartige Kombination bietet im Vergleich zum Stanzen oder Ultraschallschweißen höhere Flexibilität. 

3D-Laserschneiden kombiniert mit 3D-Laserschweißen  

Laserschweißen

Verbindungstechnik, hybride

Flexible Maschinenkonzepte unterstützen die Variantenvielfalt 

Die während der Fakuma vorgestellte Processing Unit Welding der LPKF Laser & Electronics AG, Garbsen,  ist das das Herzstück einer neuen Generation von Laserschweißmaschinen. Die PU-W weist nach Angaben von LPKF einen kalibrierten Laserspotdurchmesser auf, der von 2,2 bis 4 mm stufenlos einstellbar ist. Das Strahlprofil des eigens entwickelten Lasers sorgt für eine gleichmäßigere Energieverteilung im Laserspot. 

Neue Prozesseinheit arbeitet präziser, gleichmäßiger und leistungsfähiger 

PU-W: Ein Herz(stück) fürs Laserschweißen 

Inzwischen ist das Heißgasschweißen eine etablierte Alternative zum Vibrations- und Infrarot-Schweißen. Grund dafür sind mechanisch und optisch gute Schweißnähte sowie der emissionsarme und partikelfreie Prozess. Eine Weiterentwicklung des Schweißwerkzeugs vermeidet lange Prozesszeiten und verringert Materialschäden. 

Werkzeuganpassung reduziert Prozesszeiten und verbessert Nahtqualität 

Thermoplaste

Polyamide

Schneller und besser schweißen 

Mit dem Project 7 hat die Hürner Schweisstechnik GmbH, Mücke, die Fertigung komplexer Rohrabschnitte mittels Stumpfschweißverfahren grundlegend verändert. Nach Angaben des Unternehmens lässt sich dabei eine höhere Präzision und Prozesssicherheit als mit herkömmlichen Verfahren erreichen. 

Automatisierung macht Rohrverbindungstechnik flexibel und präzise 

Kunststoff-Rohre

Schmelzschweißen

Wo Kollege Roboter trennt und schweißt 

Im kürzlich abgeschlossenen NRW-Leitmarktprojekt SeQuLas haben vier Partner ein Fügeverfahren entwickelt, mit dem sich sehr feine Schweißnähte in transparenten Kunststoffbauteilen erzeugen lassen.  

Homogene Naht dank integrierter Temperaturüberwachung  

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Lehrstühle und Institute

Transparente Bauteile präzise schweißen 

Mit dem „Bayerischen Energiepreis“ zeichnet der Freistaat Bayern alle zwei Jahre herausragende Leistungen rund um das Thema Energie aus. Die Kurtz GmbH durfte in einer feierlichen Übergabe die Hauptpreisauszeichnung aus acht Preisträgerkategorien entgegennehmen.

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Schaumstoffe

Kunststoff Werkstoffe

Schaumstoffe und Vorprodukte

Verbindungstechnik Verfahren

Energieeffizienz

Fügen / Verbinden

Fertigungsautomation

Anlagen / Systeme

Kurtz Ersa erhält den Bayerischen Energiepreis 2020

Das thermische Direktfügen ist eine Methode, um Metall-Kunststoff-Hybridteile herzustellen. Dafür liefert die Firma Kist + Escherich nun die kommerzielle Anlagentechnik.

Thermisches Direktfügen von Metall mit Kunststoff

Die PolyMerge GmbH kann mithilfe eines 3D-Druckverfahrens Strahler aus einem Keramikmaterial in annähernd beliebiger Geometrie herstellen, die kürzere Zykluszeiten bei höherer Nahtqualität und Energieeinsparungen ermöglichen.

Schweißmaschinen, Infrarot-

Schweißanlagen

Schweißmaschinen, Heizelement

Fügen von Bauteilen in nahezu beliebiger Form

Berührungssensitive Beleuchtungsmodule, die handtellergroß und etwa so dünn wie eine Streichholzschachtel sind, können dank digitaler Steuerung veränderliche Lichtmosaike erzeugen.

Leuchtende Mosaike mit laserverschweißten Elektronikmodulen

Elektronik-Fertigung

Elektronik

Laserschweißanlagen

Lasertechnik

Farben per Fingertipp

Die Verklebung einzelner Tiefziehteile erfordert eine hohe Präzision. Die Vakuumexperten von Busch setzen für die Produktion von Gehäusen in der Medizintechnik u. a. auf eine Klauen-Vakuumpumpe ohne Schmierstoffe. Das frequenzgesteuerte System passt sich mit seiner Leistung an die jeweiligen Anforderungen an.

Trockene Klauen-Vakuumpumpe zum Halten von Kunststoffteilen

Vakuum-Pumpen

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Drucklufttechnik

Passgenaues Fixieren von Tiefziehteilen

Neuartige Düsengeneration eröffnet vielfältige Möglichkeiten

Kommt beim Heißgasschweißen anstatt einer Rund- eine Aufsatzdüse zum Einsatz, ergeben sich bei der Verarbeitung eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählen ein breites Prozessfenster, kurze Erwärmungszeiten und die Einsparung von Ressourcen.

Kommt beim Heißgasschweißen anstatt einer Rund- eine Aufsatzdüse zum Einsatz, ergeben sich bei der Verarbeitung eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählen ein breites Prozessfenster, kurze Erwärmungszeiten und die Einsparung von Ressourcen. Die neue Entwicklungsstufe des Heißgasschweißprozesses ermöglicht darüber hinaus erst das prozesssichere Fügen von technischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen.

Der Fügeprozess Heißgasschweißen zählt zu den Fügeverfahren mit einem partikelfreien, berührungslosen Erwärmungsvorgang [1 – 3]. In den letzten Jahren setzt sich die Technologie als Serienschweißverfahren für technische Kunststoffe durch [4, 5]. Speziell in der Automobilindustrie wird zum Fügen von großen und anspruchsvollen Bauteilen aus glasfaserverstärkten Polyamiden das Heißgasschweißen eingesetzt. Eine detaillierte Ausführung zum Heißgasschweißprozess und ein Vergleich zwischen der alten und der neu entwickelten Düsengeneration findet sich in [5].

Ein Bereich, in dem die teilaromatischen Polyamide zunehmend Relevanz am Markt gewinnen, sind Thermal Management Module, welche eine präzise Temperierung zahlreicher Systeme im Automobil ermöglichen. Hierbei sind insbesondere die gute Dimensionsstabilität sowie die hervorragende Chemikalienbeständigkeit der teilaromatischen Polyamide maßgeblich für die Produktauswahl [6]. Weitere Anwendungsbeispiele finden sich u. a. im Bereich von Pumpen, wasserführenden Bauteilen, Thermostatgehäusen und in Anwendungen bei Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen [7].

Das Fügen von verstärkten Polyphthalamid-Typen (PPA) mittels Heißgasschweißen war bislang aufgrund der hohen Schmelztemperatur nur schwierig umsetzbar. Durch die neue Düsengeneration ist es nun möglich, verschiedene Polyphthalamide zu fügen – inkl. einer vergleichsweise hohen Schweißnahtfestigkeit. Der derzeit verbreitete Heißgasschweißprozess mit Rund-Düse weist aufgrund der partiellen Erwärmung ein enges Prozessfenster auf. Bei nicht optimaler Temperatur des Heißgaswerkzeugs oder besteht die Gefahr einer unzureichenden Schweißung und einem Abfall der Schweißnahtfestigkeit. Grund dafür ist, dass bei der Rund-Düse das Gas in der Mitte der Schweißnaht auf die Oberfläche prallt und seitlich abströmt. Die partielle Erwärmung führt zu einer Überhitzung in der Nahtmitte, die Randbereiche werden wenig erwärmt. Durch die ungleichmäßige Aufschmelzung ergibt sich ein begrenzter Fügeweg und ein enges Prozessfenster.

Eine neu entwickelte Aufsatz-Düse ist das Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojektes zwischen der Hochschule Esslingen und der GMB Kunststoffteile GmbH. Bei ihr ragt das Kunststoffbauteil in die Düse hinein, ein seitliches Abströmen des Prozessgases wird damit vermieden. Dies ermöglicht eine kontrollierte Strömungskinematik und ein homogenes Aufschmelzen des Schweißstegs. Dadurch können auch Schwankungen in den Bauteilmaßen durch tieferes Aufschmelzen und größere Fügewegen besser ausgeglichen werden. Gleichzeitig können durch das effiziente Erwärmen höhere Temperaturen erreicht werden, was den Prozess auch für technische Kunststoffe mit hohen Schmelztemperaturen wie PPA interessant macht.

Aufgrund des optimierten Strömungsprofils kann die Aufsatz-Düse den Erwärmungsvorgang bei den untersuchten Werkstoffen um bis zu 60 % reduzieren. Hierbei werden reproduzierbare, robuste und gegenüber den Rund-Düsen insbesondere bei längeren Schweißkonturen gleichmäßigere Schweißnahtfestigkeiten erzielt. Dies führt neben einer kürzeren Zykluszeit zu einer Reduktion des Gesamtenergieverbrauchs und damit zu einer Optimierung der Prozesskosten [5].

Auf einer Heißgasschweißanlage (Typ: VDP 2012, Hersteller: KVT Bielefeld GmbH), welche mit Drucksensoren und einem IR-Kamera-System ausgestattet ist, werden Platten aus glasfaserverstärkten Polyamiden und Polyphthalamid geschweißt (Bild 1). An diesen Werkstoffen wird der Einfluss der Temperatur und der Erwärmungszeit auf die Oberflächentemperatur und auf den Fügedruck untersucht. Die Schweißungen werden anschließend anhand der erreichten Schweißnahtfestigkeiten in Zugversuchen qualifiziert. Der Einfluss der Prozessparameter wird an drei Werkstoffen untersucht. Für die Versuche wurden ein PA 6-GF40 (Typ: Zytel 73G40HSLA BK416LM), ein PA 66-GF35 (Typ: Zytel 70G35HSLR BK416LM) und ein PA 6T/XT-GF35 (Typ: Zytel HTN51G35HSL BK083) von der DuPont de Nemours (Deutschland) GmbH bereitgestellt.

Die Versuche zeigen, dass die Oberflächentemperatur mit steigender Erwärmungszeit steigt (Bild 2). Zusätzlich verdeutlichen die Versuche den Einfluss der Temperatur des Heißgaswerkzeugs und der sich damit ergebende Gastemperatur auf die erreichbare Kunststoffoberflächentemperatur. Des Weiteren zeigt sich bei den untersuchten Werkstoffen, dass der Fügedruck nach dem Erreichen der gewünschten Schweißtiefe mit steigender Kunststoffoberflächentemperatur sinkt (Bild 2). Erklärt werden kann dies durch eine größere Aufschmelztiefe im Kunststoff, die wiederum führt zu einem geringeren, notwendigen Fügedruck bei gleichbleibender Schweißtiefe.

Untersuchungen der Zugfestigkeit der drei geschweißten Werkstoffe (PA 6-GF40, PA 66-GF35 und PA 6T/XT-GF35) zeigen, dass die Oberflächentemperatur eine Aussage über die erreichbare Schweißnahtfestigkeit der Fügeverbindung zulässt (Bild 3). Wird die Oberflächentemperatur über- oder unterschritten, nimmt die Schweißnahtfestigkeit ab. Eine Oberflächentemperatur zwischen 235 °C und 280 °C führt bei einem PA 6-GF40 zu mittleren Schweißnahtfestigkeiten von über 68 MPa. Bei einem PA 66-GF35 werden bei Oberflächentemperaturen zwischen 285 °C und 300 °C mittlere Schweißnahtfestigkeiten von über 66 MPa erreicht. Die Untersuchungen an dem PA 6T/XT-GF35 zeigen, dass eine Oberflächentemperatur zwischen 300 °C und 325 °C zu mittleren Schweißnahtfestigkeiten von über 54 MPa führt.

Ein weiterer Prozessparameter ist der Fügedruck beim Erreichen der gewünschten Schweißtiefe (Bild 4). Bei einem PA 6-GF40 (TMelt = 220 °C) werden bei einem Fügedruck zwischen 0,05 MPa und 0,8 MPa mittlere Schweißnahtfestigkeiten von über 69 MPa erreicht. Fügedrücke zwischen 0,3 MPa und 0,95 MPa führen bei einem PA 66-GF35 (TMelt = 263 °C) zu mittleren Schweißnahtfestigkeiten von über 70 MPa. Bei einem PA 6T/XT-GF35 (TMelt = 300 °C) führen Fügedrücke zwischen 1,0 MPa und 2,5 MPa am Bauteil zu mittleren Schweißnahtfestigkeiten über 54 MPa.

Die Versuche zeigen, dass die Kunststoffoberflächentemperatur von der Erwärmungszeit und der Temperatur des Heißgaswerkzeugs abhängen. Im Allgemeinen steigt die Oberflächentemperatur mit zunehmender Erwärmungszeit. Die Temperatur des Heißgaswerkzeugs beeinflusst die Aufheizrate des Kunststoffs. Des Weiteren hängt der Fügedruck nach dem Erreichen der gewünschten Schweißtiefe mit der vorhandenen Kunststoffoberflächentemperatur zusammen. Höhere Kunststoffoberflächentemperaturen führen zu einer niedrigeren Viskosität im Kunststoff und damit zu geringeren Fügedrücken. Die Aufsatzdüse ermöglicht ein breites Prozessfenster hinsichtlich der einstellbaren Fügetemperaturen und Fügedrücken bei gleichzeitig stabilen und reproduzierbaren Schweißnahtfestigkeiten (Tabelle 1). Das Prozessfenster ist bezüglich der Fügetemperatur für das PA 6-GF40 deutlich größer im Vergleich zu dem PA 66-GF35 und dem PA 6T/XT-GF35. Ferner zeigen die Untersuchungen, dass der benötigte Fügedruck vom Werkstoff abhängt.

Schlechte Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Oberflächentemperatur bei der Rund-Düse sowie lange Erwärmungszeiten haben den Denkanstoß zur Entwicklung einer Aufsatz-Düse gegeben. Prinzipiell sind lange Erwärmungszeiten ein oft genannter Nachteil des Heißgasschweißens, weshalb bis dato oft nur darauf zurückgegriffen wird, wenn kein anderes Schweißverfahren zum gewünschten Ergebnis führt oder partikelfreie Bauteile gefordert sind.

Die Aufsatz-Düse ermöglicht bei Standardwerkstoffen wie PA 6 und PA 66 ein breiteres, einstellbares Prozessfenster, kürzere Erwärmungszeiten und führt somit, neben signifikanten wirtschaftlichen Vorteilen, zu größerer Akzeptanz des Heißgasschweißens. Darüber hinaus eröffnen sich neue Möglichkeiten zum Schweißen von technischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen wie beispielsweise PPA, welche bisher nur bedingt mittels Heißgasschweißen gefügt werden konnten. Durch die neue Düsengeneration wird das Heißgasschweißverfahren auf eine neue Entwicklungsstufe angehoben. Durch die wirtschaftliche sowie ressourcenschonende Fertigung lassen sich neue Anwendungen in zahlreichen Zukunftstechnologien wie beispielsweise der Elektromobilität erschließen.

[1] Rattke, M. u. Natrop, J.: Infraroterwärmung in der Kunststoffschweißtechnik. Joining Plastics – Fügen von Kunststoffen (2007), S. 58–63

[2] Belmann, A.: Kontaminationsreduktion beim Fügen von Kunststoffen. Joining Plastics – Fügen von Kunststoffen 11 (2017) 1, S. 34–41

[3] Mochev, S.: Heißgasschweißen – Aktuelle Entwicklungen und Möglichkeiten. Fügen von Kunststoffen im Automobilbau. Fügen von Kunststoffen im Automobilbau. Landshut 2018

[4] Mochev, S. u. Endemann, U. M.: Mehr als nur heiße Luft. Systematische Prozesoptimierung für das Heißgasschweißen. Kunststoffe (2016) 12, S. 76–79

[5] Schmid, J., Deckert, M. H., Weißer, D. F., Mayer, D., Böhler, G., Böhler, S. u. Müller, A. K.: Reduktion der Erwärmungszeit beim Heißgasschweißen. Reduction of ther heating time for hot gas welding. Kunststofftechnik 17 (2021) 2, S. 112–128

[6] High Performance Polyamides Fulfill Demanding Requirements für Automotive Thermal Management Components. DuPont Engineering Polymers, Glasscock, D., Atolino, W., Kozielski, G. u. Martens, M., 2008

[7] BASF: Leichter Ersatz für Metall. PPA nun mit Carbonfaserverstärkung. Kunststoffe (2021) 6, S. 31

Hochschule Esslingen Fak. Maschinenbau 

Ausgabenartikel KU9-21

Tabelle 1. Übersicht sinnvoller Prozessparameter, um den jeweiligen Werkstoff prozesssicher mittels Heißgasschweißen zu fügen

Bild 2. Einfluss der Erwärmungszeit auf die Kunststoffoberflächentemperatur (links) und Zusammenhang zwischen Kunststoffoberflächentemperatur und Fügedruck bei einem PA 6T/XT-GF35 mit Temperatur des Heißgaswerkzeugs von 475 °C, 500 °C und 525 °C

Bild 3. Einfluss der Kunststoffoberflächentemperatur auf die Schweißnahtfestigkeit . Die Hüllkurven zeigen die Temperaturbereiche, in welchen die höchsten mittleren Schweißnahtfestigkeiten für den jeweiligen Werkstoff erreicht werden

Bild 4. Einfluss des Fügedrucks nach dem Erreichen der Schweißtiefe auf die Schweißnahtfestigkeit. Die Hüllkurven zeigen die Fügedruckbereiche, in welchen die höchsten mittleren Schweißnahtfestigkeiten für den jeweiligen Werkstoff erreicht werden

Bild 1. Auf den Rund-Düsen ist die Aufsatz-Düse angebracht

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HS Esslingen - Hauptartikel

Johannes Schmid, M.Sc. , Dennis F. Weißer, M.Sc., und Dennis Mayer, M.Eng. sind wissenschaftliche Mitarbeiter im Bereich Kunststofftechnik der Fakultät Maschinen und Systeme an der Hochschule Esslingen

Günter Böhler ist Geschäftsführer und Gründer der GMB Kunststoffteile GmbH

Steffen Böhler ist Geschäftsführer der GMB Kunststoffteile GmbH

Dr.-Ing. Andreas K. Müller ist bei der DuPont de Nemours GmbH in der Verarbeitungs- und Anwendungstechnik tätig.

Prof. Dr.-Ing. Matthias H. Deckert leitet den Bereich Kunststofftechnik an der Hochschule Esslingen

Gefördert wird das Forschungsprojekt (Förderkennzeichen: ZF4166303FH8) durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.