Beanspruchungsorientiertes Prozessverständnis und -optimierung beim Kunststoffschweißen am Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239632851

Bei der Kunststoffschweißnahtqualitätsbeurteilung liegt der Fokus heute auf der Betrachtung von Kurzzeitfestigkeiten ermittelt unter quasistatischer, Zugscherbelastung. Verschiedene Einsatzbedingungen von Realbauteilen führen jedoch zu verschiedenen Belastungen und Beanspruchungen beispielsweise laserdurchstrahlgeschweißter Nähte. Somit wird die Verbindungsantwort in der Realität von der unter Laborbedingungen abweichen. Im Einsatz treten neben quasistatischer Belastung zudem dynamische, mehrachsige und evtl. über lange Zeit wirkende Belastungen auf. Unbekannt ist, ob hinsichtlich maximaler Kurzzeitzugscherbelastung optimierte Schweißnähte auch anderen Belastungen optimal standhalten. Ebenfalls unbekannt ist, ob unter verschiedenen Belastungsarten ermittelte Schweißnahtfaktoren miteinander korrelieren und somit evtl. von einem auf die übrigen geschlossen werden kann. Im Laserschweißbereich konnte eine Korrelation der Kurz- und der Langzeitschweißfaktoren aufgezeigt werden. Es stellte sich heraus, dass Kurz- und Langzeitschweißzugscherfestigkeiten linear miteinander verknüpft sind. Es stellte sich weiter heraus, dass im Schweißprozess vorherrschende Bedingungen die Schweißnahtmorphologie und die -festigkeit stark beeinflussen. Ein scheinbar für verschiedene Kunststoffschweißverfahren gültiger Zusammenhang, da ähnliches für das Extrusions- und Heizelementschweißen dokumentiert ist.Im Rahmen des Vorhabens soll daher untersucht werden, wie sich Laserdurchstrahlschweißnähte bei unterschiedlichen Belastungsarten abhängig von im Schweißprozess vorherrschenden Temperaturfeldern verhalten. Zudem soll geklärt werden worin Ursachen für etwaige Abweichungen der jeweiligen Verbindungsantwort begründet liegen. Werden Erkenntnisse zum Zusammenhang zwischen Schweißprozess, werkstofflichen Gegebenheiten und der Nahtfestigkeit auf das im Schweißprozess vorherrschende Temperaturfeld zurückgeführt, wird es möglich den Laserdurchstrahlschweißprozess als Präzedenzfall für andere Kunststoffschweißverfahren zu betrachtet und übertragbare Erkenntnisse zu gewinnen. Da sich im Laserdurchstrahlschweißprozess vorherrschende Temperaturfelder besonders flexibel beeinflussen lassen bietet sich die exemplarische Untersuchung eben dieses Verfahrens zur Erlangung übertragbare Untersuchungsergebnisse damit besonders an. Es ist zu erwarten, dass sich hinsichtlich verschiedner Belastungsarten optimale Temperaturfelder unterscheiden werden. Ursachen hierfür sollen grundlegend untersucht und verstanden werden. Ferner sollen im Laserdurchstrahlschweißprozess vorherrschenden, räumlich und zeitlich veränderliche Temperaturfeld auf Basis hier zu erzielender Erkenntnisse der Art beeinflusst werden, dass für verschiedene Anwendungen optimale bzw. beanspruchungsangepasste Festigkeiten erzielt werden. Ansatz der Optimierung wird die Nutzung zweier diskreter Laserwellenlängen bei Verwendung für beide Wellenlängen geeigneter, hochdynamischer Strahlführungskomponenten sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen