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Wissen
Kunststoffschweißen
Beim Kunststoffschweißen handelt es sich um ein thermisches Verfahren zur Verbindung von thermoplastischen Kunststoffen, indem die zu verbindenden Flächen durch die Zufuhr von Wärme und Druck plastifizieren und miteinander verschmelzen miteinander. Nach dem Abkühlen entsteht eine feste Verbindung.
Häufige Fragestellungen bei der Auswahl des geeigneten Verfahrens beim Kunststoffschweißen:
- Wie sollte ich mein Bauteil optimalerweise schweißen?
- Welche Parameter sind entscheidend?
- Welcher Fügeprozess ist der richtige für mein Produkt?
- Welches Kunststoffschweißverfahren erfüllt meine Anforderungen?
- Wie soll ich mein Bauteil füge- und anwendungsgerecht konstruieren?
- Lassen sich die eingesetzten Kunststoffe vernünftig schweißen?
Verfahren beim Kunststoffschweißen im Überblick
Heizelementstumpfschweißen
Das Heizelementstumpfschweißen ist ein Wärmekontaktschweißverfahren zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen.
- Funktionsweise:
Die zu fügenden Flächen werden durch den Kontakt mit einem Heizelement (z. B. eine erhitzte Metallplatte) plastifiziert. Anschließend wird das Heizelement entfernt und die plastifizierten Flächen unter Druck gefügt. - Einsatzgebiete:
Vorwiegend im Rohrleitungsbau sowie für Kunststoffplatten oder massive Formteile mit großen Dimensionen aus PE (Polyethylen), PP (Polypropylen) oder PVC (Polyvinylchlorid). - Vorteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Gleichmäßige und feste Verbindung, eine gute Automatisierbarkeit, hohe Reproduzierbarkeit und der Verzicht auf Zusatzstoffe. - Nachteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Im Vergleich zu anderen Kunststoffschweißverfahren die langen Zykluszeiten und die lange Vorbereitungsdauer (die Fügeflächen müssen absolut sauber sein). Zudem entsteht ein Schweißnahtwulst.
Infrarotschweißen
Ist ein kontaktloses Kunststoffschweißverfahren für thermoplastische Kunststoffe.
- Funktionsweise:
Fügeflächen werden durch Infrarotstrahlung aufgeschmolzen und anschließend verbunden. - Einsatzgebiete:
Aufgrund des kontaktlosen Erwärmungsprozesses ist es besonders für empfindliche und technische Bauteile und für eine Vielzahl thermoplastischer Kunststoffe geeignet. Typische Einsatzgebiete sind Gehäuse, der Automobilbau und Teile mit hohen - Vorteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind neben dem kontaktlosen Erwärmen die gute Eignung für die Großserienproduktion, die gute Automatisierbarkeit, die kurzen Anwärm- und Zykluszeiten sowie die Möglichkeit, den Prozess sehr präzise zu steuern. - Nachteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind im Vergleich zu anderen Schweißverfahren die hohen Investitionskosten und die potenziell leichten Verfärbungen mancher Kunststoffe. Das Infrarotschweißen benötigt Werkstoffe, die Infrarotstrahlung gut absorbieren, also schwarze oder entsprechend gefüllte Kunststoffe. Transparente Kunststoffe benötigen Zusatzstoffe wie Ruß oder andere Absorber.
Heizelementmuffenschweißen
Das Heizelementmuffenschweißen kommt bei der Rohrverlegung zum Einsatz.
- Funktionsweise:
Es werden die zu verbindenden Rohrenden und zugehörige Bauteile (z. B. Verbindungsmuffen) über ein beheiztes Werkzeug von innen und außen erwärmt. Nachdem das Aufschmelzen erfolgt ist, werden die Bauteile ineinandergeschoben. - Einsatzgebiete:
Diese Schweißmethode kommt vor allem bei Rohren aus PE, PP oder PVDF zum Einsatz. Typische Anwendungsgebiete sind Heizungsrohre, Gasleitungen und Wasser-Hausinstallationen. - Vorteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind die kurzen Zykluszeiten, die einfache Handhabung, die hohe Verbindungsqualität (vor allem die hohe Dichtheit) und die leichten, mobilen Schweißgeräte. - Nachteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind die Fehleranfälligkeit der manuellen Durchführung, beispielsweise bei schief eingefügten Rohren, und die hohen Anforderungen an Geometrien und Maßhaltigkeit bei geringen Toleranzen.
Heizwendelschweißen
Beim Heizwendelschweißen auch als Elektroschweißen bezeichnet, handelt es sich um ein Kunststoffschweißverfahren, das vor allem im Rohrleitungsbau zum Einsatz kommt.
- Funktionsweise:
Beim Heizwendelschweißen ist ein Draht (Heizwendel) bereits in der Verbindungsmuffe integriert. Die Rohre werden in die Muffe eingeführt und der Draht wird durch elektrischen Strom erhitzt. Dadurch werden Muffe und Rohr aufgeschmolzen und verbunden. - Einsatzgebiete:
Typische Einsatzgebiete sind Gas- und Wasserrohrleitungen, Druckleitungen, Industrieanlagen oder auch Rohre für sensible Medien. Am häufigsten wird Polyethylen verwendet. - Vorteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind die sehr hohe Verbindungsqualität und Dichtheit, die einfache Umsetzung des Prozesses für den Bediener, die hohe Reproduzierbarkeit durch die Steuerung des Schweißgeräts und das Fehlen sichtbarer Schweißnähte. - Nachteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind die Kosten für Muffen mit integrierten Heizwendeln, die hohen Anforderungen an die Vorbereitung (z. B. Reinigung, Ausschluss von Fremdkörpern zwischen Muffe und Rohr) und die eingeschränkte Materialverträglichkeit (keine gemischten Materialien).
Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen handelt es sich um ein hochfrequentes Reibschweißverfahren.
- Funktionsweise:
Bei diesem Kunststoffschweißverfahren wird Thermoplaste durch mechanische Schwingungen lokal aufgeschmolzen und unter Druck verschweißt. - Einsatzgebiete:
Vor allem kleinere Bauteile mit hohen Stückzahlen. Dieses Kunststoffschweißverfahren kommt in Anwendungen wie der Medizintechnik, dem Automobilbau, der Herstellung von Elektronikgehäusen oder Konsumgütern zum Einsatz. Typische Thermoplaste im Ultraschallschweißen sind ABS, Polyamid, Polycarbonat, Polystyrol, Polypropylen und PMMA. - Vorteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind die sehr kurzen Zykluszeiten, die hohe Automatisierbarkeit, die sehr lokale und präzise Erwärmung (was energieeffizient und materialschonend ist, da nur die Schweißzone erwärmt wird) und die Möglichkeit, auch sehr komplexe Geometrien gut verschweißen zu können. - Nachteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Sind die sichtbare Schweißnaht, die Begrenzung auf kleine Bauteile und die Empfindlichkeit gegenüber Spalten etc. (sehr enge Toleranzen für die Bauteile).
Laserschweißen
Der Durchstrahlprozess ist das industriell am meisten genutzte Laserschweißverfahren für Kunststoffe.
- Funktionsweise:
Hierbei wird ein Teil des zu fügenden Bauteils aus einem lasertransparenten und der andere Teil aus einem laserabsorbierenden Kunststoff gefertigt. „Transparent” und „absorbierend” beziehen sich hierbei auf die Wellenlänge des verwendeten Schweißlasers, die typischerweise zwischen 900 und 1000 Nanometer liegt. Die zu fügenden Bauteilhälften werden zusammengepresst und durch die lasertransparente Bauteilhälfte im Fügebereich mit dem Laser bestrahlt. Der Laserstrahl durchläuft die lasertransparente Bauteilhälfte und trifft auf den laserabsorbierenden Kunststoff. Dort wird er oberflächennah in Wärme umgewandelt. Durch den Wärmeeintrag des Lasers wird der absorbierende Kunststoff in seinen fließfähigen Schmelzezustand überführt. Gleichzeitig findet durch den physikalischen Kontakt eine Wärmeübertragung vom laserabsorbierenden auf den lasertransparenten Kunststoff statt, wodurch dieser leicht verzögert ebenfalls in den Schmelzezustand übergeht. Die Schmelzen beider Bauteilhälften werden aufeinandergepresst und der Laserstrahl weiterbewegt bzw. gestoppt. Beim folgenden Abkühlprozess entstehen molekulare Verschlaufungen der Polymerketten beider Bauteilhälften, die die eigentliche Schweißverbindung darstellen. - Einsatzgebiete:
Prinzipiell können alle gängigen thermoplastischen Kunststoffe mittels Laserschweißen gefügt werden. Die optischen Eigenschaften der verwendeten Kunststoffe sind jedoch von großer Bedeutung. Diese müssen ggf. im Wellenlängenbereich des Schweißlasers durch Additive wie Ruß angepasst werden. - Vorteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Es zeichnet sich gegenüber anderen Fügeverfahren durch eine präzise, schnelle und energieeffiziente Wärmeeinbringung sowie einen hohen Automatisierungsgrad aus. - Nachteile dieses Kunststoffschweißverfahrens:
Die Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften der Kunststoffe ist die größte Schwäche des Laserdurchstrahlprozesses.
Abbildung: Ein Blick ins Fügetechnikum am SKZ (Bild: SKZ)
