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Ein Beitrag zum Verständnis des Erwärm- und Schweißverhaltens thermoplastischer Kunststoffe beim Mikrowellenschweißen

Obwohl der Einsatz von Mikrowellenstrahlung in der Kunststofftechnik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten würde, hat sich ihre Verwendung im großen Umfang bis heute nicht durchsetzen können. Vorteilen wie der berührungslosen, volumetrischen Erwärmung steht in erster Linie die komplexe und schwer zu beherrschende Mikrowellentechnik entgegen. Grundsätzlich ist eine Erwärmung aller Kunststoffe mit polaren Eigenschaften oder einer leitfähigen Modifikation möglich. Das Schweißen mit Mikrowellenstrahlung lässt sich dabei in zwei Varianten unterteilen: Das Schweißen ohne und mit Zusatzwerkstoff. Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen mit beiden Verfahrensvarianten vorgestellt.

Zum direkten Mikrowellenschweißen wurde im Rahmen von grundlegenden systematischen Untersuchungen die MW-Erwärmbarkeit und -Schweißeignung der technischen Kunststoffe PA6, ABS, PMMA, PET, PBT, POM und PVDF beurteilt. Letztendlich können von den genannten Materialien lediglich das PVDF, POM und PBT als geeignet eingestuft werden. Für diese werden als Kriterien für die Erwärmbarkeit die im Material erreichten Temperaturen über der Heizzeit angegeben. Anhand von Schweißversuchen werden die erreichbaren Festigkeiten sowie deren Abhängigkeiten von den Verfahrens-Parametern Mikrowellen-Leistung, Heizzeit, und Fügedruck aufgezeigt. Diese Versuchsresultate werden Messergebnisse der Materialeigenschaften, wie dem dielektrischen Verlustfaktor tanδ und dem dielektrischen Verlustwert εr’’, gegenübergestellt. Es zeigt sich eine recht gute Korrelation. Weiterhin wird der Zusammenhang zwischen der Schweißnahtfestigkeit und dem resultierenden Fügeweg aufgezeigt. Für die Werkstoffe PVDF und POM kann gezeigt werden, dass ein Mindest-Fügeweg für gute Festigkeiten existiert. Für das direkte MW-Schweißen werden ferner die Kennzahlen L0/d und sF/L0 ermittelt und mit den für das Heizelementschweißen bekannten Optimierungskriterien verglichen.

Im Rahmen der Untersuchungen zum indirekten Mikrowellenschweißen wurden verschiedene Farbmittel, Additive, Füll- und Verstärkungsstoffe untersucht, die zur Modifikation von im reinen Zustand inaktiven Kunststoffen in Frage kommen. Zunächst werden alle Stoffe durch ihre Erwärmung bei MW-Bestrahlung in einem Hohlleitersystem charakterisiert. Es wird gezeigt, dass die meisten dieser gebräuchlichen Zuschlagsstoffe nur eine sehr geringe Reaktion im Mikrowellenfeld aufweisen. Nur bei wenigen wird eine für eine technisch relevante Erwärmung ausreichende Aktivität festgestellt. Für die Erwärmung dieser Stoffe im MW-Feld werden die erreichen Temperaturen und Temperaturverläufe über der Zeit angegeben. Als wesentliche Einflussgröße wird der Zusammenhang zwischen der eingemischten Konzentration der genannten Zuschlagsstoffe und der Erwärmbarkeit dargestellt. Generell steigt die Erwärmbarkeit mit zunehmendem Mischungsanteil an. Anhand der betrachteten Aluminiumpigmente wird weiterhin der Zusammenhang zwischen der Partikelgröße des Pigmentes und der Erwärmbarkeit des Gemisches dargestellt. Als Hinweis auf die Komplexität und schwierige Beherrschbarkeit der Mikrowellentechnik werden Phänomene wie thermischer Runaway und Funkenüberschlag beschrieben und anhand von anlagen- und materialspezifischen Eigenschaften erklärt. Bei leitfähig gefüllten Werkstoffen des indirekten Mikrowellenschweißens kommt hier noch die Fortleitung der MW-Leistung in bestrahlungsferne Bereiche hinzu. Bei allen modifizierten Materialien werden die genannten Phänomene durch den Einfluss der Mischungsgüte der Zuschlagsstoffe im Matrixmaterial beeinflusst.

Abschließend wird ein Vergleich des Energieverbrauchs bezogen auf die Fügefläche des direkten Mikrowellenschweißens zum Heizelement- und Vibrationsschweißen vorgestellt. Es wird festgestellt, dass das direkte MW-Schweißen ein vergleichsweise energiesparendes Schweißverfahren ist, was einen zusätzlichen Vorteil gegenüber anderen Verfahren darstellt.

Anhand der vorgestellten Ergebnisse kann nun ein Werkstoff gezielt für den Einsatz der Mikrowellentechnik ausgewählt werden. Die Korrelation der Versuchsergebnisse mit den dielektrischen Eigenschaften ermöglicht auch die Übertragung der Resultate auf andere Materialien.

Die in dieser Arbeit dargelegten Probleme und Schwierigkeiten zeigen jedoch, dass das Mikrowellenschweißen ein Verfahren ist, das zurzeit noch nicht für einen umfassenden industriellen Einsatz geeignet ist. Es wird dennoch deutlich, dass hier Potenziale vorliegen, die es in der weiteren Entwicklung auszuschöpfen gilt. Erst wenn die Technik der Mikrowellenabstrahlung und -einkopplung eine für das Schweißen von Kunststoffen ausreichende Serienreife erlangt hat, werden die hier erarbeiteten Ergebnisse ihren vollen Nutzen erbringen.

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 Odo Karger

Odo Karger
Institut für Kunststofftechnik
Universität Paderborn

Informationen

Freie Schlagwörter: Mikrowellenschweißen, Mikrowellenerwärmung, Schweißen von Kunststoffen, dielektrischer Verlustfaktor, Permeabilität, Hohlleiter, Aktivierng, Additive
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Maschinenbau der Universität Paderborn
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Helmut Potente (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn
Erscheinungsjahr: 2005
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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