Neues zum Schweißen von Kunststoffen

Eine PMMA/PC-Schweißnaht im Bild eines Kraftmikroskops - (Grafik: IKT).

In der Kunststofftechnik sind selbst komplexe spritzgegossene Teile manchmal nur die halbe Miete. Oft müssen sie durch diverse Fügetechniken erst zu einem fertigen Produkt vereint werden. Schweißnähte sind allerdings oft Schwachstellen. Moderne Schweißtechniken können dazu beitragen, die Qualität der miteinander verbundenen Produkte erheblich zu steigern.

Welche Wirkmechanismen hinter dem Stoffschluss der beiden Partner in einer Schweißnaht stecken, ist immer noch nicht im Detail geklärt. Denn Polymerketten lassen sich nicht direkt beobachten. Dies gilt gerade für amorphe Thermoplasten, da sie keinerlei Fernordnung aufweisen. Mitarbeiter des IKT leisten hier Pionierarbeit: Ihnen gelang es zum Beispiel, Schweißverbindungen aus amorphen Thermoplasten mittels eines neuartigen AFM-IR-Verfahrens zu analysieren – mit einem Rasterkraftmikroskop, das in der Lage ist, Polymere anhand ihrer Reaktion auf das Infrarotlicht eines durchstimmbaren Lasers zu identifizieren - und zwar mit Auflösungen unterhalb von Mikrometern. Auch über die Schweißnaht selbst konnten sie wertvolle Informationen sammeln.

Das IKT forscht auch erstmals am Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) von Kunststoffen. Dabei handelt es sich um ein Fügeverfahren, das bei metallischen Bauteilen bereits fest etabliert ist – und zwar überall da, wo die Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit besonders hoch sind. Dabei fährt ein schnell rotierender Zylinder über die Kontaktfläche und erhitzt über die Reibungswärme nicht nur die Fügepartner, sondern mengt die Werkstoffe auch ein wenig ineinander. Das stellt eine besonders feste Verbindung sicher. Kunststoff-Teile sind aber in aller Regel weniger präzise zugeschnitten als Metall-Halbzeuge. Daher müssen eventuelle Spalte zwischen den Fügepartnern überbrückt werden. Am IKT ist genau dies nun gelungen: Mit Hilfe eines feinen Kunststoffstrangs, der über den rotierenden Zylinder in den Spalt geführt wird. Erste Ergebnisse mit verschiedenen Kunststoffen sind sehr vielversprechend. Auch Fasern verstärkter Kunststoffe gelangen beim Rührreibschweißen erstmals über die Grenzfläche.

Ein weiteres anerkanntes und weit verbreitetes Fügeverfahren ist das Ultraschallschweißen. Eine Herausforderung sind hier allerdings faserverstärkte Kunststoffe. Prozessbedingt werden die Fasern in der Schweißnahtebene durch die entstehende Schmelze orthogonal zur Fügeebene ausgerichtet, was die mechanischen Eigenschaften verschlechtert. Am IKT wurde nun im Detail untersucht, welche Einflüsse die Schweißparameter auf die resultierende Fasermikrostruktur haben – und zwar sowohl mittels klassischer Methoden als auch mit Hilfe der zerstörungsfreien Computertomographie. Ergebnis: ungünstig gewählte Parameter schmälern den Energieeintrag, der Schweißvorgang wird daher nicht vollständig abgeschlossen.

Diese und weitere aktuelle Themen aus dem Bereich der praxisrelevanten Kunststofftechnik stehen im Mittelpunkt des 29. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums des Instituts für Kunststofftechnik (IKT) der Uni Stuttgart vom 17. bis zum 21. Februar 2025. Die ersten drei Tage, vom Montag, den 17. Februar 2025, bis Mittwoch, den 19. Februar 2025, werden als „virtuelle“ Tagung durchgeführt. Die Teilnahme ist kostenlos, es ist aber eine Anmeldung erforderlich.

Am Donnerstag, den 20. Februar 2025, und am Freitag, den 21. Februar 2025, geht die Tagung in einen Präsenzteil über. Der Freitag steht unter den Leitthemen „Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen“ mit mehreren Plenarvorträgen und einer Podiumsdiskussion mit namhaften Vertretern aus Industrie und Politik. Anmeldungen sind noch bis zum 6. Februar 2025 möglich.

Auf einer Abendveranstaltung am Donnerstag, den 20. Februar 2025, gilt es außerdem, „60 Jahre Kunststofftechnik in Stuttgart“ zu feiern. Hier wird auch der renommierte Ensinger-Preis verliehen. Am Nachmittag des gleichen Tages (17 Uhr) werden auch das neue Rheometrie-Labor und das neue Compoundier-Technikum des Instituts eröffnet.

„29. Stuttgarter Kunststoffkolloquium“ - 17.-21. Februar 2025
17.-19. Februar 2025 - virtuell
20.-21. Februar 2025 - Präsenz in Stuttgart

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/29.-stuttgarter-kunststoffkolloquium, www.ikt.uni-stuttgart.de, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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