Neue Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten von ultraschallgeschweißten Kunststoffverbindungen

23/02/2017

Das SKZ beschäftigt sich seit mehreren Jahren intensiv mit der Untersuchung und Ermittlung der Lebensdauer von Kunststoffprodukten. In einem aktuellen von der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) geförderten Forschungsprojekt werden die mechanischen dynamischen Langzeiteigenschaften (Ermüdungsverhalten) von Ultraschallschweißverbindungen von Kunststoffen untersucht.

In dem Forschungsprojekt werden nach Variation verschiedener Schweißparameter die statischen Kurzzeiteigenschaften den dynamischen Langzeiteigenschaften gegenübergestellt. Die maßgebliche Fragestellung bei diesem Projekt lautet: Muss mit einer weiteren Reduzierung der Festigkeit durch die Ultraschallschweißverbindung bei einer dynamischen Belastung gerechnet werden?

Die angestrebten Forschungsergebnisse ermöglichen dabei erstmals die Berücksichtigung von praxisrelevanten dynamischen Belastungen im Lebenszyklus von ultraschallgeschweißten Kunststoffbauteilen.

Für das Projekt werden für das Ultraschallschweißen typische Materialien untersucht, wie z. B. Polycarbonat (PC) für den Medizinbereich sowie Polyamid 6.6 (PA66) für den Automotivbereich. Es erfolgt eine direkte Gegenüberstellung der Grundmaterialfestigkeiten und Schweißnahtfestigkeiten. Durch einen in einer DVS-Richtlinie (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.) definierten Prüfkörper wurden statische Kurzzeit- und dynamische Langzeit-Schweißfaktoren berechnet und die Bruchmechanismen beurteilt.

Abbildung 1_ Sprödbruch links

Abbildung 1_Duktilbruch rechts

Abb. 1: Mikroskopische Aufnahme des Bruchverhaltens in der Schweißnaht von PC bei statischer Kurzzeitbelastung (Sprödbruch, oben) und dynamischer Langzeitbelastung (Duktilbruch, unten)


Für die untersuchten Materialien PA66 und PC konnten für eine statische Kurzzeit- und dynamische Langzeitbelastung (Zug) materialabhängig vergleichbare Schweißfaktoren ermittelt werden. Der maximale Schweißfaktor (Schweißnahtfestigkeit zu Grundmaterialfestigkeit) für PC liegt bei ca. 0,60 und für PA66 bei ca. 0,50 (Abbildung 2).

Abbildung 2 _Schweißfaktor Diagramm

Abb. 2: Gegenüberstellung der Kurzzeit-Zug- und dynamischen Langzeit-Zug-Schweißfaktoren bei optimalen Schweißparametern von PC und PA66


Diese Erkenntnis stellt derzeit die Kernaussage des Projektes dar. Demnach müssen Anwender bei den untersuchten Materialien nicht mit einer wesentlichen Wechselwirkung zwischen Belastungsart und dem Schweißprozess rechnen, welche zur zusätzlichen Reduzierung der Festigkeit führt. Eine Auslegung der Lebensdauer von Bauteilen kann somit anhand von Abminderungsfaktoren (belastungsabhängig) des Grundmaterials mit dem entsprechenden Kurzzeit-Zug-Schweißfaktor erfolgen.

Im letzten Projektabschnitt wird Polyamid 6.6 mit Glasfaserverstärkung  (PA66 GF30) sowie eine Kombination von PA66 GF30 und PA66 unverstärkt geschweißt. Des Weiteren werden an optimal gewählten Schweißparametern die Dauerfestigkeiten der Schweißverbindungen in Wöhlerversuchen für alle betrachteten Materialen ermittelt, um den zeitlichen Verlauf der Festigkeitsreduzierung betrachten zu können.

Das Projekt endet Ende Juli 2017. Danach beschäftigt sich das SKZ mit einer vergleichbaren Fragestellung in einem Folgeprojekt, das sich mit den dynamischen Langzeiteigenschaften von Laserschweißverbindungen beschäftigt. Interessierte Firmen sind herzlich eingeladen, als Mitglieder im projektbegleitenden Ausschuss mitzuwirken, die Forschungsarbeiten in dem Projekt mitzugestalten sowie über die aktuellen Ergebnisse informiert zu werden.

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