KuZ: Ultraschallnieten mit optimierten Kopfgeometrien

Sonotroden für verschiedene Nietkopfgeometrien, v.l.n.r.: opt. Geo. US I, opt. Geo. US III, opt. Geo. US II.

Das Forschungsvorhaben "Konstruktions- und Prozessoptimierung von Kunststoffnietverbindungen" wurde vom Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) in Kooperation mit der Technischen Universität Chemnitz Professur Kunststoffe bearbeitet. Ziel war es, die werkstoff- und verfahrenstechnischen Zusammenhänge zur Auslegung und Ausbildung belastbarer Nietverbindungen, insbesondere einer guten Dom-Kopfanbindung zu ermitteln. Weiterhin sollten Grundlagen geeigneter Prozessführungsstrategien für den Nietprozess geliefert werden und für die praktische Anwendung umsetzbar sein. Durch den Einsatz technischer Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe wird dabei ein besonderer Schwerpunkt auf die gestiegenen Prozessanforderungen gelegt. Diese ergeben sich aus den hohen Schmelzetemperaturen, den geringen Schmelzeviskositäten und den aktiven Füllstoffen.

Temperierte Sonotroden für Hochleistungskunststoffe

Nietkopf mit Pyramidenstruktur (opt. Geo. US I) PPS-GF40.

Die Aufgabe des KUZ war die Analyse und Feststellung der Möglichkeiten sowie die Ermittlung der Grenzen des Ultraschallnietens hinsichtlich der praktischen Umsetzung der Verbindung mit den im Vorfeld theoretisch und konstruktiv ermittelten günstigsten Nietkopfgeometrien. Großes Innovationspotential liegt in der Weiterentwicklung der bestehenden Nietverfahren hinsichtlich der Hochleistungskunststoffe. Ausgehend von den im KUZ bei Vorversuchen gemachten Erfahrungen des Ultraschall (US)-Nietens mit temperierten Sonotroden (Nietwerkzeug) für Formteile aus Hochleistungskunststoffen, sollte eine Erweiterung des Einsatzbereichs von Kunststoffnietverbindungen mit optimierten Kopfgeometrien für dieses Verfahren erfolgen.

Durch innere Reibung zum Erfolg
Das im KUZ eingesetzte Ultraschallnieten unterscheidet sich von den anderen im Projekt untersuchten Nietverfahren (Heißluft-, Infrarotnieten, Warmumformen) dadurch, dass es die benötigte Umformenergie nicht durch Wärmeleitung oder Konvektion von außen auf den Nietpin überträgt, sondern hauptsächlich durch innere Reibung direkt im polymeren Werkstoff erzeugt. Durch die Prozessführung des Ultraschallnietprozesses soll ein möglichst homogenes Umformen des Nietpins zum Nietkopf durch die optimierten Nietgeometrien realisiert werden.

Die Sonotrodentemperatur spielt eine wichtige Rolle in Hinsicht auf den Energieeintrag in das Bauteil. Besonders bei technischen und Hochtemperaturkunststoffen mit sehr hohen Schmelztemperaturen wird durch Wärmeleitung bei einer zu großen Temperaturdifferenz zwischen Sonotrode und zu erwärmendem Kunststoff zu viel Wärmeenergie in die Sonotrode abgeleitet, so dass die notwendige Schmelzetemperatur nur sehr schwer oder nicht erreicht wird. Dieser Effekt wird bei konventioneller Technik mit einer erhöhten Schwingungsamplitude kompensiert. Die im KUZ Leipzig entwickelte Technik zum US-Nieten mit temperierten Sonotroden dagegen ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Temperaturgradienten zwischen Temperatur an der Sonotrodenformfläche (Kavität zur Formung des Nietkopfes) und der Schmelztemperatur des sich bildenden Nietkopfes. Deshalb wurden an den Materialien PA66-GF30, PPS-GF40 und PEEK zusätzlich vergleichende Versuche mit temperierter Sonotrode durchgeführt.

Um eine qualitative Aussage über die Nietergebnisse machen zu können, wurde die Bruchkraft jeder Nietverbindung mittels Zugversuch ermittelt sowie eine optische Beurteilung in Form von Makroskopie und stichprobenartig Mikroskopie (Schliffbilder) durchgeführt. Durch die Mikroskopie konnten Aussagen über das Verhalten des umgelegten Materials im Nietkopf zum Nietpin getroffen werden. Die qualitative Beurteilung der Nietköpfe bildete die Grundlage für die Parameteroptimierung für jede untersuchte Serie.

Positiver Einfluss temperierter Sonotroden bei PEEK
Die Untersuchungen an den verschiedenen Materialien und Geometrien zeigten, dass eine hohe Verbindungsfestigkeit eine gute Verbindung zwischen umlegtem Material des Nietkopfes an den Nietpin voraussetzt. Unter Einsatz der optimierten Nietkopfgeometrien nach FEM und optimierten Fügeparameter wurden Bruchkräfte erzielt, die bei PA66-GF30 ca. 40 Prozent und bei PPS-GF40 ca. 50 Prozent der Grundbruchkraft (Bruchkraft des ungenieteten Nietpins) entsprachen.

Der positive Einfluss der temperierten Sonotrode konnte in Kombination mit optimierten Nietkopfgeometrien auf die optischen und mechanischen Ergebnisse insbesondere für den Hochleistungskunststoff PEEK (ungefüllt) nachgewiesen werden. In den Versuchen konnte belegt werden, dass die Wärmeableitung durch temperierte Sonotroden deutlich verringert wird. Dies führte zu einer deutlich besseren Plastifizierung und zu einem homogeneren Aufschmelzen des Materials. Somit wurden optisch ansprechendere Nietergebnisse und deutlich höhere Bruchkräfte (ca. 80 Prozent der Grundbruchkraft) der Köpfe erzielt.

Ein zusätzlicher Effekt des Einsatzes temperierter Sonotroden besteht darin, dass materialübergreifend mit temperierter Sonotrode kleinere Amplituden für den optimalen Einsatzbereich erforderlich sind, wodurch grundsätzlich die Schwingungsbelastung der genieteten Formteile reduziert werden kann.

Die erzielten Ergebnisse des US-Nietens zeigen, dass die untersuchten Nietkopfgeometrien hohes Potential aufweisen. Sie zeigten jedoch auch, dass die Anwendung einer optimalen Nietkopfgeometrie nicht oder nur beschränkt möglich ist.

Anwendung
Das Ultraschallnieten ist neben den thermischen Nieten die am häufigsten eingesetzte Nietverbindungsvariante. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen wie zum Beispiel höhere mechanische Belastbarkeiten bei geringeren Gewichten und gleichzeitig steigender Dauergebrauchstemperatur an Hybridverbindungen und Mischmaterialbauweisen reicht der derzeitige vorliegende Kenntnisstand zur Herstellung von Nietverbindungen nicht mehr aus. Hier konnte durch das abgeschlossene Projekt eine erste Grundlage zu wichtigen Zusammenhängen in Bezug auf die belastungs-, werkstoff- und prozessgerechte Gestaltung sowie zur Prozessführung für die Herstellung der Nietverbindungen gelegt werden.

Weiterführendes Forschungsvorhaben
Das Nieten bietet Potenzial für weitere Optimierungen und soll daher speziell für das US-Nieten in einem anschließenden Forschungsvorhaben: "Ultraschallnieten mit optimierter Kopfform" weiter untersucht werden.

Interessierten Firmen bietet sich die Möglichkeit, im Rahmen eines projektbegleitenden Ausschusses von den Ergebnissen des Forschungsvorhabens zu profitieren (Kontakt: Tino Jahnke, jahnke(at)kuz-leipzig.de, Tel. +49 (0)341 4941 604).

Das IGF-Vorhaben 17.997 BR der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS wurde über die AIF gefördert.

Weitere Informationen: www.kuz-leipzig.de

Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH, Leipzig

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