Kunststofftechnik | Hochschule Esslingen

Projekt Heißgasschweißen

Projekt Heißgasschweißen (Abgeschlossen)

Das Bild zeit den Verfahrensablauf für den Fügeprozess Heißgassschweissen. Zunächst wird der Heißgasspiegel zwischen die zwei, zu verschweißenden Bauteil gefahren. Aus dem Heißgasspiegel, der die entsprechende Kontur mit Röhrchen abbildet, strömt heißes Gas, welches die Fügeflächen lokal erwärmt. Nach dem Erreichen eines definierten Schmelzegrades fährt der Heißgasspiegel heraus und die zwei plastifizierten Schweißnähte werden zusammengedrückt. Nach dem Abkühlen sind die zwei Bauteile verschweißt.

Verfahrensablauf des Fügeprozesses "Heißgassschweißen"

In diesem Forschungsprojekt wird ein neues Heißgasschweißverfahren entwickelt und wissenschaftlich untersucht. Durch das neue Heißgasschweißverfahren ergeben sich einige Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Schweißverfahren. Diese liegen insbesondere in der freien Gestaltung der Schweißnaht und deren Verlauf. Es können sehr einfach dreidimensionale Schweißnähte im Vergleich zu den üblichen Schweißverfahren, wie Ultraschall- oder Vibrationsschweißen, hergestellt werden. Zudem entstehen bei diesem Schweißverfahren keine Partikel, welche im späteren Betrieb der Bauteile zu Systembeschädigungen führen.

Durch das neue Heißgasschweißverfahren soll zusätzlich die Ressourceneffizienz signifikant gesteigert werden, indem Luft anstelle eines inerten Gases verwendet wird. Dabei ist der Einfluss des Gaswechsels auf die Schweißverbindung zu erforschen, als auch die gezielte, gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffbauteils im Bereich der Fügezone. Hierzu muss insbesondere die Gasführung und Düsengestaltung betrachtet werden um eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Fügezone sicher zu stellen. Aus den Ergebnissen sollen Auslegungsstrategien für Heißgasspiegel und entsprechender Bauteilgestaltung abgeleitet werden. Die Ressourceneffizienz des neuen Schweißverfahrens soll durch die Betrachtung der Nachhaltigkeit bestätigt werden.

Laufzeit: April 2019 – Dezember 2021
Projektpartner: GMB Kunststoffteile GmbH
Förderzeichen: ZF4166303FH8
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Johannes Schmid, M.Sc.

Auswahl an Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts:

- Reduktion der Erwärmungszeit beim Heißgasschweißen (Zeitschrift Kunststofftechnik)

- Heißgasschweißen in der Komfortzone (Zeitschrift Kunststoffe)

- Increase of the efficiency in hot gas welding by optimization of the gas flow (Technologies for Lightweight Structures (TLS))

Projekt Heißgasschweißen II

Auf dem linken Bild ist der Versuchsaufbau zur Erforschung der Aufsatz-Düse zu sehen. Der Prozessaufbau besteht aus Heißgasspiegel mit Isolation, der Rund-Düse, an welche die Aufsatz-Düse anschließt, das Bauteil, ein IR-Kamera-System zu Temperaturmessung und eine Vorrichtung zum Positionieren der Bauteile. Auf dem rechten Bild sind vergleichende Strömungssimulationen mit der Rund- und Aufsatz-Düse zu sehen.

Versuchsaufbau zur Erforschung des Prozessverhaltens der Aufsatz-Düse (links), CFD-Simulation zur Untersuchung des Strömungsverhaltens der Rund- und Aufsatz-Düse (rechts)

Projekttitel: Steigerung der Festigkeit für einen ressourceneffizienten Heißgasschweißprozess durch eine neuartige Heißgas-Düse und durch eine neuartige Fügebewegung

Im einem vorangegangenen Forschungsvorhaben zwischen der GMB Kunststoffteile GmbH und dem Bereich Kunststofftechnik (LKT) – Fakultät Maschinen und Systeme der Hochschule Esslingen (Förderkennzeichen: ZF4166303FH8) wurde eine neuartige Aufsatz-Düse zum Heißgasschweißen von Kunststoffen entwickelt [DE 20 2021 101 884 U1 – Gebrauchsmusterschrift: Vorrichtung zum Schweißen von Kunststoffteilen]. Ein Vorteil des berührungslosen Schweißverfahren (Heißgasschweißen) ist unter anderem, dass keine Partikel entstehen, welche im späteren Betrieb der Bauteile zu Systembeschädigungen führen. Durch diese neuartige Aufsatz-Düse ergeben sich einige Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Rund-Düsen. Es kann z.B. die Fügezone deutlich schneller und gleichmäßiger erwärmen werden.

In dem neuen Forschungsvorhaben soll das Aufsatz-Düse-System weiterentwickelt werden, damit es möglich ist dreidimensional verlaufende Schweißnähte gleichmäßiger zu erwärmen. Dabei soll der Einfluss der neuartigen Aufsatz-Düse auf die Schweißverbindung erforscht werden, als auch die gezielte, gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffbauteils im Bereich der Fügezone. Ein weiterer Punkt in dem Forschungsprojekt ist die Fügebewegung des weiterzuentwickeln. Um die Wirtschaftlichkeit des Heißgasschweißens signifikant zu verbessern und neue Anwendungsfelder zu erschließen, ist das Ziel die Festigkeit der gefügten Bauteile an der Schweißnaht zu erhöhen. Hierbei soll durch einen roboterbasierten Ansatz eine Fügebewegung während des Schweißvorgangs in den Prozess integriert werden, um die Schweißnahtfestigkeit zu verbessern. Zudem soll durch die Weiterentwicklung der Aufsatz-Düse es ermöglicht werden, festigkeitshemmende Geometrien wie Kanten oder Radien deutlich besser verschweißen zu können und durch gezielte Gasführung sollen auch dreidimensionale Nahtverläufe schweißbar werden. Dadurch kann die Nahtfestigkeit weiter verbessert werden kann. Durch eine höhere Schweißnahtfestigkeit kann das Bauteil dünnwandiger ausgeführt werden. Insgesamt stehen bei der Bauteilkonzeption durch einen geringeren Festigkeitsabfall in der Fügestelle deutlich mehr Möglichkeiten zur Verfügung. Daher ist der Bedarf für ein neues Heißgas-Düsenkonzept und einer neuartigen Fügebewegung hoch.

Laufzeit: September 2021 – August 2023
Projektpartner: GMB Kunststoffteile GmbH, robomotion GmbH, TU Chemnitz - Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung
Förderzeichen: KK5052604WO0
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Johannes Schmid, M.Sc.

Projekt Snake Skin

Auswerferseite des verwendeten Spritzgießwerkzeugs zur Herstellung von Probenkörpern. Die quadartischen, wechselbaren Werkzeugeinsätze können mit verschiedensten Nanostrukturen beschichtet werden

Ziel des gemeinsam von der Hochschule Esslingen und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM beantragten Vorhabens ist die Erarbeitung industrietauglicher Fertigungsverfahren zur Erzeugung bioinspirierter Nanostrukturen hoher Gebrauchsbeständigkeit auf Polymeroberflächen mit richtungsabhängigen, in weiten Bereichen frei einstellbaren, bedarfsgerechtem Reibwert (Reibwert-on-Demand). Mögliche Anwendungen umfassen die Bereiche Medizin- und Mikrosystemtechnik sowie die Lager- und Fördertechnik. Im angestrebten Spritzgießprozess können sowohl kleine als auch große Flächen strukturiert und somit funktionalisiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen sollen im Vorhaben Prozesse zur PVD-basierten, großflächigen Abscheidung gerichteter (anisotroper) Nanostrukturen erarbeitet werden. Derartige Strukturen sollen auf Werkzeugen für den Kunststoffspritzguss appliziert und im Spritzgießprozess in vernetzende Polymere abgeformt werden, sodass Strukturen nach dem Vorbild der California King Snake auf der Polymeroberfläche erzeugt werden können. Deren Haut verfügt über eine spezielle, anisotrope Mikro- und Nanostruktur, die der Schlange eine sichere Fortbewegung selbst auf schwierigsten Untergründen erlaubt. Die Werkzeugoberfläche kann dabei eben oder leicht gekrümmt sein und auf der Oberfläche bereits eine über konventionelle Bearbeitungsverfahren eingebrachte Mikrostruktur aufweisen. Die Aufbringung anisotroper Nanostrukturen soll durch eine angepasste Prozessführung im Beschichtungsprozess sowie unter Ausnützung von Selbstorganisationseffekten im Schichtwachstum erreicht werden. Im Spritzgießprozess soll untersucht werden, wie durch eine gezielte Prozessführung die Strukturen auf den Werkzeugoberflächen auf die Komponentenoberflächen übertragen und dabei prozesssicher entformt werden können. Für eine erhöhte Gebrauchsbeständigkeit sollen die Nanostrutkuren in Liquid Silicone Rubber (LSR) abgeformt werden, einem Silikon, welches sich zur Verarbeitung im Spritzgießprozess eignet. Zur optimierten Replikation wird mittels variothermer Temperaturführung gearbeitet. Hier wird, im Gegensatz zur Verarbeitung von Thermoplasten, die Werkzeugoberfläche vor dem Einspritzen aktiv gekühlt.

Im Verlauf des Vorhabens sollen derart nanostrukturierte Demonstratorbauteile abgemustert und bezüglich ihrer Reibwerteigenschaften und Beständigkeiten charakterisiert werden. Damit soll der Nachweis der anisotropen, tribologischen Wirkung von Nanostrukturen und damit der gezielten, richtungsabhängigen Reibwertmodifikation erbracht werden. Perspektivisch können damit z.B. verbesserte Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie bereitgestellt werden, die dem Operateur ein gegenüber bestehenden Lösungen wesentlich verbessertes, haptisches Feedback zur Verfügung stellen. Eine weitere Anwendung wird in der Fördertechnik gesehen, bei der richtungsabhängige und verschleißarme Oberflächen z.B. bei Vibrationwendelförderer genutzt werden können.

Laufzeit: Oktober 2018 – Dezember 2021
Projektpartner: Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM
Projektträger: VDI Technologiezentrum, Projektträger der Baden-Württemberg Stiftung
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Weißer, M.Sc.

Veröffentlichung:

- Calculating the temperature and degree of cross-linking for liquid silicone rubber processing in injection molding (Journal of Advanced Manufacturing and Processing)

Projekt LSR-Haftung

Schälprüfkörper nach VDI-2019 zur Bestimmung der Haftfestigkeit zwischen Hart-Weich-Verbindungen

Während des Forschungsprojekts wird der Einfluss des Spritzgießprozesses auf die Verbundfestigkeit von Flüssigsilikonkautschuk (LSR) zu Thermoplasten untersucht. Hierfür sollen zunächst die Mechanismen, die für die Verbundfestigkeit entscheidend sind, dargestellt werden und in einer empirischen Formel implementiert werden. Damit soll bereits während der Konstruktionsphase das richtige Material ausgewählt und die erreichbare Haftfestigkeit angegeben werden.

Das aufgestellte Modell soll anschließend verifiziert werden. Dazu soll ein Spritzgießwerkzeug konstruiert und gebaut werden, das beide Materialien verarbeiten kann und eine detaillierte Untersuchung zulässt. Insbesondere die Temperaturführung ist genauer zu betrachten, da beide Materialien bei sehr unterschiedlichen Werkzeugtemperaturen verarbeitet werden. Hierzu soll ein neuartiges Temperiersystem auf Basis eines Dickschichtheizelementes zum Einsatz kommen. Mit diesem Heizelement kann die Temperatur schnell, gezielt und auch während des Spritzgießprozesses verändert werden.

Laufzeit: März 2019 – Dezember 2021
Projektpartner: Wilhelm Weber GmbH & Co.KG
Förderzeichen: ZF4166302DN8
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Mayer, M.Eng.