Fraunhofer IPA: Neue Methode für eine sichere Verbindung von Kunststoffteilen

Optimierung des Schweißprozesses an einem Testwerkstück - (Bild: Fraunhofer IPA).

Faserverstärkte Kunststoffe gewinnen an Bedeutung und laufen Metallen langsam den Rang ab. Ob im Auto, Flugzeug, Schiff oder Tank- und Anlagenbau, überall etabliert sich langsam der leichte Werkstoff. Doch er hat einen Nachteil: Während man Metalle nahezu homogen zusammenschweißen kann, ist das bei faserverstärkten Kunststoffen nicht möglich, zumindest nicht mit konventionellen Verfahren. Denn beim Kleben oder Aufschmelzen gelangen keine Verstärkungsfasern in die Fügezone. Eine Gruppe des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat jetzt einen Weg gefunden, dieses Manko zu beheben. Die Experten um den Projektleiter Manuel Schuster stützen sich dabei auf ein Verfahren, das Anfang der 1990er Jahre in England erfunden wurde, um Metalle zu verbinden: das Rührreibschweißen. Der zu Grunde liegende Prozess ist verhältnismäßig einfach, da lediglich ein rotierendes Werkzeug nötig ist. Durch Aufdrücken dieses Pins auf das Bauteil entsteht Reibung. Die dabei erzeugte Wärme plastifiziert das Material, und die Rotation sorgt für ein homogenes Verrühren. Auf diese Weise entsteht eine gleichmäßige und hochbelastbare Schweißnaht.

Auswahl von anforderungsspezifischen Rührreibschweiß-Werkzeugen - (Bild: Fraunhofer IPA).

Kunststoffe verhalten sich freilich ganz anders als Metalle. Vor allem haben sie eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, was das Rührreibschweißen erheblich erschwert. Nach unzähligen Versuchen ist es dem Team dennoch gelungen, mit unverstärktem Kunststoff Nähte zu erzeugen, die mehr als 95 Prozent der Zugfestigkeit des ungestörten Bauteils haben. Auch mit faserverstärkten Bauteilen laufen die Tests vielversprechend. Die Stuttgarter konnten bereits zeigen, dass ihre Methode den herkömmlichen Schweißverfahren überlegen ist. Im nächsten Schritt will Schuster die Prozessgeschwindigkeit mit einer externen Aufheizvorrichtung erhöhen. Zudem laufen erste Versuche mit einem ultraschallangeregten Werkzeug mit dem ebenfalls Wärme in den zu verschweißenden Werkstoff eingeleitet wird.

Um das Verfahren einem möglichst breiten Markt zugänglich zu machen, soll es sowohl auf Werkzeugmaschinen als auch am Arm eines Industrieroboters Verwendung finden. Schon Anfang nächsten Jahres wollen die Stuttgarter den Prototyp eines robotergestützten Systems vorstellen, das thermoplastische Kunststoffe vollautomatisch verschweißt. Noch vorher, Ende diesen Jahres, wollen die IPA-Experten ein Handgerät fertigstellen, das sich so leicht führen lässt wie eine Stichsäge. (Klaus Jacob)

Weitere Informationen: www.ipa.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

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