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08.08.2016

Ultraschallnieten mit optimierten Kopfgeometrien

Konstruktions- und Prozessoptimierung von Kunststoffnietverbindungen

Das Ultraschallnieten ist neben den thermischen Nieten die am häufigsten eingesetzte Nietverbindungsvariante. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen wie zum Beispiel höhere mechanische Belastbarkeiten bei geringeren Gewichten und gleichzeitig steigender Dauergebrauchstemperatur an Hybridverbindungen und Mischmaterialbauweisen reicht der derzeitige vorliegende Kenntnisstand zur Herstellung von Nietverbindungen nicht mehr aus. Das abgeschlossene Projekt "Konstruktions- und Prozessoptimierung von Kunststoffnietverbindungen" sollte das ändern.

Sonotroden für verschiedene Nietkopfgeometrien: v. l. n. r. opt. Geo. US I, opt. Geo. US III, opt. Geo. US II (© KUZ)

Sonotroden für verschiedene Nietkopfgeometrien (v. l. n. r.): opt. Geo. US I, opt. Geo. US III, opt. Geo. US II (© KUZ)

Das Forschungsvorhaben "Konstruktions- und Prozessoptimierung von Kunststoffnietverbindungen" wurde vom Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) in Kooperation mit der Technischen Universität Chemnitz Professur Kunststoffe bearbeitet. Ziel war es, die werkstoff- und verfahrenstechnischen Zusammenhänge zur Auslegung und Ausbildung belastbarer Nietverbindungen, insbesondere einer guten Dom-Kopfanbindung zu ermitteln. Weiterhin sollten Grundlagen geeigneter Prozessführungsstrategien für den Nietprozess geliefert werden und für die praktische Anwendung umsetzbar sein. Durch den Einsatz technischer Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe wird dabei ein besonderer Schwerpunkt auf die gestiegenen Prozessanforderungen gelegt. Diese ergeben sich aus den hohen Schmelzetemperaturen, den geringen Schmelzeviskositäten und den aktiven Füllstoffen.

Temperierte Sonotroden für Hochleistungskunststoffe

Die Aufgabe des KUZ war die Analyse und Feststellung der Möglichkeiten sowie die Ermittlung der Grenzen des Ultraschallnietens hinsichtlich der praktischen Umsetzung der Verbindung mit den im Vorfeld theoretisch und konstruktiv ermittelten günstigsten Nietkopfgeometrien. Großes Innovationspotenzial liegt in der Weiterentwicklung der bestehenden Nietverfahren hinsichtlich der Hochleistungskunststoffe. Ausgehend von den im KUZ bei Vorversuchen gemachten Erfahrungen des Ultraschallnietens mit temperierten Sonotroden (Nietwerkzeug) für Formteile aus Hochleistungskunststoffen, sollte eine der Einsatzbereich von Kunststoffnietverbindungen mit optimierten Kopfgeometrien für dieses Verfahren erweitert werden.

Durch innere Reibung zum Erfolg

Das im KUZ eingesetzte Ultraschallnieten unterscheidet sich von den anderen im Projekt untersuchten Nietverfahren (Heißluft-, Infrarotnieten, Warmumformen) dadurch, dass es die benötigte Umformenergie nicht durch Wärmeleitung oder Konvektion von außen auf den Nietpin überträgt, sondern hauptsächlich durch innere Reibung direkt im Kunststoff erzeugt. Durch die Prozessführung des Ultraschallnietprozesses soll ein möglichst homogenes Umformen des Nietpins zum Nietkopf durch die optimierten Nietgeometrien realisiert werden.

Die Sonotrodentemperatur spielt eine wichtige Rolle in Hinsicht auf den Energieeintrag in das Bauteil. Besonders bei technischen und Hochtemperaturkunststoffen mit sehr hohen Schmelztemperaturen wird durch Wärmeleitung bei einer zu großen Temperaturdifferenz zwischen Sonotrode und zu erwärmendem Kunststoff zu viel Wärmeenergie in die Sonotrode abgeleitet. Die notwendige Schmelzetemperatur wird dadurch nur sehr schwer oder nicht erreicht. Dieser Effekt wird bei konventioneller Technik mit einer erhöhten Schwingungsamplitude kompensiert.


Inhaltsverzeichnis
Unternehmensinformation

KUZ - Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH

Erich-Zeigner-Allee 44
DE 04225 Leipzig
Tel.: 0341 4941-500
Fax: 0341 4941-555

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