Upgrading of the joining area of vibration welded nanocomposites by modifying material, process and part geometry
Final Report Abstract
Durch den Aufbau eines Modells und Parameterstudien mit OpenFOAM® konnte grundsätzlich bestätigt werden, dass die Scherrate im Fließkanal einer Vibrationsschweißnaht in Schwingrichtung am höchsten ist. Dies führt zu einer Ausrichtung nadelförmigen Nanopartikel in dieser Richtung. Die Anisotropie in dieser Zone führt dementsprechend zu einer naturgemäßen Reduktion der Schweißnahtfestigkeit (senkrecht zu dieser Ausrichtung). Dies ist nochmals eine Bestätigung, dass die Ausrichtung von Verstärkungsmaterialien mit Aspektverhältnis in Lastrichtung der Schlüssel zur einer höheren Lastübertragungsfähigkeit von Vibrationsschweißnähten ist. Am Beispiel von POM konnte gezeigt werden, sich durch die Additivierung mit Kohlenstoffnanoröhrchen in spritzgegossenen Probekörpern marginale Festigkeitssteigerungen erreicht werden, die auch in geschweißten Proben gesehen werden. Sehr sensible reagiert die Zähigkeit auf diese Maßnahme. Tatsächlich weisen geschweißte Proben mit Kohlenstoffnanoröhrchen eine deutlich höhere Schlagzähigkeit auf als ohne. Die Kombination von submikroskopischen sphärischen Partikeln und Kohlenstoffnanoröhrchen relativiert diesen positiven Effekt. Ob der Mehrkörperkontakt in der durch den Schweißprozess aufgeschmolzenen Zone zwischen Kohlenstoffnanoröhrchen und harten sphärischen Partikel dies verursacht oder die Anhäufung der sphärischen Partikel und damit die Versteifung in dieser Zone dieses Verhalten verursacht, konnte im Rahmen dieser Untersuchungen nicht abschließend geklärt werden. Die mittels FEM simulierten Einflüsse der Geometrie in der Verbindungszone unter Nutzung des gemessenen morphologiespezifischen Deformationsverhaltens zeigt, dass die Dreifachbogenkontur das größte Lastübertragungspotenzial aufweist. Allerdings stellt sich bei der Schweißverbindung mit einer derartigen Schweißgeometrie in der Realität kaum eine Verbesserung der Eigenschaften im Vergleich zu stumpfgeschweißten Fügeteilen ein. Dies liegt wesentlich an den erreichbaren Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Fügeteile als auch der exakten Fixierung der Fügeteile während des Schweißens. Ganz entscheidend dafür allerdings ist die komplexe Kontur der (strukturoptimierten) Schweißverbindung, was zu einem inhomogenen Wärmeeintrag und dadurch lokal unterschiedlichem Aufschmelzverhalten führt. An Stellen mit hohem Reibflächen/Volumen-Verhältnis, zum Beispiel an der Spitze der Federseite einer Verbindung, führt der Wärmeeintrag bei gleichzeitig schlechterer Ableitung der Wärme zu Temperaturspitzen, die sich in erhöhten Aufschmelzraten widerspiegeln. Daher kommt es zu einem Abflachen in Teilen von spitzen Profilen und damit zu einer Reduktion des effektiven Profilwinkels. Ähnliche Effekte stellen sich in Dickenrichtung am Rand der Probe ein. Somit kann das theoretisch herausgearbeitete Verstärkungspotential einer komplexen Kontur in der Realität bisher nicht leider nicht umgesetzt werden. Positive Effekte liefert die Wärmebehandlung. Im Vergleich zur klassischen Warmauslagerung in Öfen oder ohne Behandlung der Schweißverbindung zeigt die In-Line-Wärmebehandlung mit Infrarotstrahlern vor allem in der Schlagzähigkeit vielversprechende Ergebnisse bei reduzierter Zykluszeit und reduziertem Energieaufwand. Darüber hinaus wurde es festgestellt, dass die Festigkeit der Schweißverbindungen mit steigendem Kristallinitätsgrad nach der thermischen Behandlung erhöht, insbesondere für PP-S Nanokomposit. Daher kann der im Labor stationär durchgeführte Prozess durch eine nachfolgende Transportstation mit Infrarotbestrahlung in der Serienfertigung ersetzt werden. Prinzipiell sind hier auch andere Methoden zur lokalen Erwärmung, unter Berücksichtigung einer ausreichenden Homogenität bei der Erwärmung, Zykluszeit und Investitionskosten, bei erwartungsgemäß ähnlichen Ergebnissen denkbar.
Publications
- Response of mechanical and thermal properties of a vibrationwelded polypropylene/SiO2 nanocomposite on different thermal treatments. Journal of Plastics Technology, 2020
Lin, L.Y.; Schlarb, A.K.
(See online at https://doi.org/10.3139/o999.03052020)
