Quantifizierung der Werkstoff-Dämpfungseigenschaften zur Prozessauslegung beim Ultraschallschweißen

Vorhabenbeschreibung:

Das Ultraschallschweißen von Thermoplasten gehört zu den führenden Kunststofffügeverfahren. Es ist möglich, immer komplexere Bauteilgeometrien mit hohen Qualitätsanforderungen zu fügen. Während des Schweißvorgangs wird die eingebrachte Ultraschallenergie von der Ankoppelfläche der Sonotrode durch das Bauteil bis hin zur Fügeebene transportiert. Aufgrund viskoelastischer Deformationsvorgänge zwischen den Molekülketten erfolgt jedoch aufgrund der Werkstoffdämpfung eine wegabhängige Abschwächung der Amplitude und somit der eingebrachten Energie. Aufgrund stetig neuer Werkstoffentwicklungen zur gezielten Eigenschaftsoptimierung, immer komplexeren Bauteil- und Sonotrodengeometrien und fehlenden Angaben bezüglich der vorliegenden Werkstoffdämpfung wird die aktuell nur auf Erfahrung basierte Auslegung des Schweißprozesses v. a. für kmU ohne eigene Entwicklungsabteilung kontinuierlich erschwert. Kostenintensive Fehlkonstruktionen (unzureichende Amplitude und Frequenz) oder eine ungeeignete Werkstoffauswahl sind die Folge. Im ungünstigsten Fall können sich die zusätzlichen Kosten auf 50.000 Euro bis 300.000 Euro pro beeinträchtigten Fertigungstag belaufen und somit die Existenz der kmU bedrohen. Um aus diesem Grund v. a. für kmU die Risiken bei der Bauteilentwicklung deutlich zu minimieren und gezielte Werkstoffklassifizierungen sowie eine optimale Prozesskontrolle hinsichtlich Chargenschwankungen zu ermöglichen, soll im Rahmen des Projektes eine neuartige und universell einsetzbare Prüfmethode (Dorneinschmelzversuch) entwickelt werden, die bereits vor und während der Konstruktionsphase fundierte und materialbezogene Angaben zur Werkstoffdämpfung liefert. Dabei wird ein Dorn mittels Ultraschall in einen definierten Prüfkörper eingebracht. Die damit definierbaren konstruktiven und prozesstechnischen Randbedingungen (z. B. max. Abstand zwischen Sonotrode und Fügeebene) liefern essentielle Kennwerte für die Bauteilkonstruktion und Simulation.