Fügen mittels pinartiger Strukturen in Schweißverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Drummer
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432470536

Die Verwendung pinartiger Strukturen zur Herstellung formschlüssiger Fügeverbindungen in Schweißverfahren stellt einen innovativen Ansatz zum Verbinden haftungsinkompatibler Kunststoffe dar und erweitert damit das mögliche Kunststoff-Kombinationsspektrum deutlich. Ohne den Einsatz von Zusatzstoffen oder aufwändiger Oberflächenvorbehandlungen können somit lokal an die Beanspruchung angepasste Bauteileigenschaften durch Verbinden zueinander inkompatibler teilkristalliner Thermoplaste ermöglicht werden. Weiterhin erlaubt die Verwendung pinartiger Strukturen die Kombination teilkristalline und amorphe Thermoplaste, wodurch z. B. eine dauerhafte Funktionalisierung mittels optisch transparenter Elemente ermöglicht wird. Neben dem Verbinden haftungsinkompatibler Werkstoffe kann das Verfahren weiterhin für Verbunde mit geringer Schweißnahtfestigkeit, z. B. bei faserverstärkten Kunststoffen, förderlich sein. Mithilfe pinartiger Strukturen kann eine Modifikation des Faserverlaufs normal zur Fügeebene realisiert werden, was eine Steigerung der Verbundfestigkeit zur Folge hat.Ziel des beantragten Vorhabens ist die grundlegende Erforschung bestehender Wirkzusammenhänge des Fügens mittels pinartiger Strukturen in Schweißverfahren. Verwendung finden hierfür die Vibrations- sowie Ultraschallschweißtechnologie, welche beide auf einer Energieeinbringung mittels Reibung basieren. Ungeachtet des hohen Potenzials sind Wechselwirkungen zwischen Werkstoff, Prozess und resultierenden Verbundeigenschaften für dieses neuartige Fügeverfahren derzeit unbekannt. Die umfänglichen experimentellen Untersuchungen innerhalb des Vorhabens ermöglichen, im Zusammenspiel mit einer modelhaften Betrachtung, die Erarbeitung allgemeiner Voraussetzungen an die Werkstoffkombinationen sowie die Prozessführung. Hierfür werden die Auswirkungen maßgebender Prozessparameter, der Pin-Geometrie sowie der auftretenden thermomechanischen Wechselwirkungen auf die resultierende Verbindung grundlegend analysiert.Die Nutzung der Ultraschallschweißtechnologie ermöglicht, im Vergleich zur Vibrationsschweißtechnik, die Erzeugung kleinerer Pin-Strukturen mithilfe derer die Belastbarkeit des Verbundes erhöht sowie das Verfahren auch für kleinere Bauteile zugänglich gemacht werden kann. Zudem erfolgt die Energieeinbringung und die Strukturerzeugung, im Gegensatz zur Vibrationsschweißtechnik, durch unterschiedliche Schwingungsrichtungen. Dies erlaubt eine verbesserte Auflösung prozessspezifischer Wechselwirkungen.Mit Hilfe der im Projektverlauf gewonnenen Erkenntnisse kann somit ein umfassendes Prozessverständnis zum Fügen mittels pinartiger Strukturen abgeleitete sowie allgemeine Strukturierungs- und Fügestrategien aufgestellt werden. Diese ermöglichen nachfolgend die Übertragung der Methodik auf weitere Werkstoffe sowie Fügeverfahren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen