Page 80 - Forschungsbericht 2021 - Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik

Promotion Dr.-Ing. Shahan Tutunjian

Ultraschallpunktschweißen von dünnwandigen

thermoplastischen faserverstärkten Verbundwerkstoffen

Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. Niels Modler

Das Ultraschallpunktschweißen von thermoplastischen wurde das thermische Verhalten des Schweißprozesses
faserverstärkten Verbundwerkstoffen hat in letzter Zeit numerisch modelliert. Zur Verifizierung dieser mathema-
großes Interesse in der Luftfahrt- und Automobilindust- tischen Modelle wurden die berechneten Temperatur-
rie hervorgerufen. Es bietet eine effiziente Lösung, große zeitverläufe im Schweißpunktzentrum den experimentell
thermoplastische Verbundbauteile mit einem hohen Au- ermittelten Werten unter vergleichbaren Bedingungen
tomatisierungsgrad zu verbinden. gegenübergestellt. Wie sich dabei zeigte, steigt die Tem-
peratur im Schweißpunktzentrum nach einer bestimmten
Im Rahmen der abgeschlossenen Doktorarbeit wurde Schweißzeit plötzlich übermäßig an, was zu der Zerset-
eine neue Technik zum Fokussieren der Ultraschall- zung des Polymers an dieser Stelle führt.
schwingungsenergie an der Fügestelle zwischen zwei Fü-
gepartnern aus thermoplastischen Verbundlaminaten Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der Zeitverlauf
entwickelt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren waren der verbrauchten Leistung durch das Schweißgerät einem
keine zusätzlichen Energierichtungsgeber zwischen den ähnlichen Muster folgt wie der Temperaturzeitverlauf in
Fügepartnern erforderlich. Entgegen konventionellen An- der Schweißpunktmitte. Basierend auf dieser Beobach-
sätzen für das Ultraschallschweißen wird hier die Effizienz tung wurde ein Steuerungssystem entwickelt. Die zeit-
der Energiebündelung durch die geometrische Abhängig- liche Ableitung der Schweißleistung wurde in Echtzeit
keit der Sonotrode zu Amboss bestimmt. überwacht. Bei Überschreitung eines kritischen Wertes
wurde die Ultraschallschwingungsamplitude durch einen
In der Anfangsphase des Schweißens wurden die Mikrocontroller aktiv eingestellt. Dabei wurde die Tempe-
Grenzflächenschichten durch die reibungsverursachte ratur im Schweißpunkt gesteuert, um während der ge-
Erwärmung plastifiziert. Folglich zentrierte sich die Ult- samten Schweißdauer im optimalen Temperaturbereich
raschallschwingungsenergie in diesem plastifizierten Be- zu bleiben. Die Ergebnisse des gesteuerten Schweißpro-
reich. Die angenommene Reibung und ihr Einfluss auf zesses wurden mittels Temperaturmessungen und Com-
die Wärmeerzeugung wurde mittels mechanischer Finite- putertomographie ausgewertet.
Elemente-Methode untersucht. Die darauffolgende mik-
roskopische Analyse des Schweißpunktes hat schließlich Die Studie führte zur Schlussfolgerung, dass das gesteu-
die Plastifizierung an einem Ring um den Schweißpunkt erte Ultraschallpunktschweißverfahren eine effiziente
bewiesen. Um die räumliche Temperaturverteilung in der und stabile Methode zum automatischen Verbinden von
Schweißzone sowie ihre zeitliche Entwicklung während Bauteilen aus thermoplastischen faserverstärkten Ver-
des Ultraschallschweißprozesses besser zu verstehen, bundwerkstoffen ist.

Quelle: [1] © Shahan Tutunjian
Ein Vergleich zwischen den Temperaturkurven für die Schweiß- Ultraschallpunktschweißen einer Automobilheckklappe aus faser-
punktzentren, beim gesteuerten und ungesteuerten Ultraschall- verstärktem thermoplastischem Kunststoff.
punktschweißprozess.

[1] Eroğlu O., Tutunjian S., Forstner T., Fischer F. (2019) Automatisierte flexible Verbindungstechnik für thermoplastische und duroplastische Faserverbundwerkstoffe im
Materialmischbau. In: Piskun A. (eds) Karosseriebautage Hamburg 2018. Proceedings. Springer Vieweg, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-22038-9_1

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