Forschung
Ultraschallschweißen
Der Forschungsschwerpunkt unseres Lehrstuhls liegt auf dem Ultraschallschweißen als hochdynamischem und effizienten Fügeverfahren für thermoplastische Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe. Das Verfahren zeichnet sich durch kurze Prozesszeiten, einen lokal begrenzten Wärmeeintrag und ein hohes Automatisierungspotenzial aus, wodurch es insbesondere für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit attraktiv ist.
Beim Ultraschallschweißen werden die beiden Schweißpartner durch hochfrequente mechanische Schwingungen (Ultraschall) angeregt. Aufgrund der materialspezifischen Eigenschaften reagieren die Fügepartner unterschiedlich auf die eingebrachte Schwingungsenergie. An den Grenzflächen führt diese Relativbewegung zu Reibung, wodurch lokal Wärme entsteht. Zusätzlich wird durch viskoelastische Verluste im Inneren des Polymers weitere Wärme generiert. Diese Kombination aus Grenzflächenreibung und innerer Dissipation sorgt dafür, dass die Fügezone gezielt aufschmilzt. Durch gezieltes Einbringen von zusätzlichem Material, auch Energierichtungsgeber genannt, können diese Effekte in der Schweißzone verstärkt werden. Während der anschließenden Abkühlphase bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung durch das Verschmelzen und Diffundieren der Polymerketten.
Ein elektrischer Impuls wird dabei im Konverter mithilfe von piezoelektrischen Elementen in eine hochfrequente mechanische Schwingung umgewandelt. Diese Schwingung wird anschließend über einen Booster (Verstärker) in ihrer Amplitude angepasst und verstärkt. Über das sogenannte Horn (Sonotrode) wird die Ultraschallschwingung schließlich gezielt in die Schweißpartner eingeleitet und in die Fügezonen übertragen. Ein stabiler Amboss ist als Werkzeugform notwendig, sodass die nötige Kraft auf die Schweißpartner aufgebracht werden kann ohne ein Verformen des schlussendlichen Bauteils zu garantieren. Ein pneumatischer Zylinder drückt den gesamten Aufbau mit definierter Kraft auf die Schweißzone. Somit kann ein guter und gleichmäßiger Kontakt bewerkstelligt werden.
Grundsätzlich wird zwischen zwei Prozessvarianten unterschieden: dem Single-Spot Ultraschallschweißen und dem kontinuierlichen Ultraschallschweißen.
Single-Spot Schweißung
Beim Single-Spot Welding wird die Energie lokal an einer definierten Schweißstelle eingebracht. Charakteristisch sind dabei sehr kurze Schweißzeiten, typischerweise im Bereich von unter einer Sekunde. Anpressdruck, die Amplitude der Schwingung sowie die Schweiß- bzw. Haltezeit. Eine besondere Bedeutung kommt außerdem der Nachhaltephase zu: Durch eine definierte Haltekraft nach dem eigentlichen Schweißvorgang wird die Schmelze konsolidiert. Dies verhindert ein unerwünschtes Aufquellen oder Ausdehnen des Materials und reduziert damit die Bildung von Poren in der Schweißnaht.
Kontinuierliche Schweißen
Das kontinuierliche Ultraschallschweißen hingegen eignet sich insbesondere für längere Fügestellen, beispielsweise bei Überlappnähten. Hier erfolgt der Energieeintrag fortlaufend entlang der Fügezone, während sich Werkzeug und Bauteil relativ zueinander bewegen. Die entscheidenden Prozessgrößen sind in diesem Fall der Anpressdruck, die Schweißgeschwindigkeit sowie die Amplitude. Durch die Kombination dieser Parameter lässt sich die lokale Wärmeerzeugung gezielt steuern, um eine gleichmäßige Nahtqualität über größere Strecken sicherzustellen.
Kompatibilität zwischen Materialien
Ein zentraler Erfolgsfaktor beim Ultraschallschweißen ist die Kompatibilität der zu fügenden Materialien. Grundsätzlich gilt, dass Thermoplaste in der Regel gut mit sich selbst verschweißbar sind, da sie beim Erreichen ihres Schmelz- bzw. Erweichungsbereiches aufschmelzen und sich die Polymerketten an der Grenzfläche gegenseitig durchdringen können.
Mit dem Übergang von einfachen Kunststoffbauteilen hin zu strukturellen Leichtbauanwendungen steigt jedoch die Komplexität deutlich: Moderne Bauweisen setzen häufig auf Multi-Material-Strukturen, bei denen unterschiedliche Thermoplaste oder verschiedene Matrixsysteme innerhalb von CFK-Bauteilen kombiniert werden. In solchen Fällen muss die Schweißbarkeit nicht nur innerhalb eines Materials, sondern auch zwischen verschiedenen Polymerarten bzw. Matrixmaterialien sichergestellt werden. Entscheidend hierfür sind insbesondere materialabhängige Eigenschaften wie die Polarität, aber auch der thermische Temperaturbereich der Polymere, beispielsweise die Glasübergangstemperatur und die Schmelztemperatur. Weichen diese Eigenschaften stark voneinander ab, kann es zu einer unzureichenden Verschmelzung oder zu einer instabilen Grenzschicht kommen, was die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindung erheblich reduziert.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ergibt sich aus der Tatsache, dass auch duroplastische Matrixsysteme (Thermosets) grundsätzlich nicht schweißbar sind, da sie nach dem Aushärten nicht mehr aufschmelzen. Durch den Einsatz einer thermoplastischen Funktionalisierungsschicht können duroplastische Bauteile jedoch gezielt für Schweißprozesse zugänglich gemacht werden. Diese Schicht übernimmt dabei die Funktion eines schmelzfähigen Interlayers und ermöglicht so das stoffschlüssige Fügen mit thermoplastischen Werkstoffen.
Gerade bei solchen hybriden Werkstoffkombinationen spielt die Kompatibilität eine besonders große Rolle. Ist die Haftung zwischen Duroplast und Thermoplast unzureichend, entsteht eine schwache Grenzfläche, die als potenzielle Fehlerstelle in der Struktur wirken kann und die Bauteilzuverlässigkeit maßgeblich beeinflusst. Daher ist die Charakterisierung der Interphase zwischen Thermoset und Thermoplast ein wesentlicher Bestandteil der Forschungsarbeiten am Lehrstuhl. Dabei stehen insbesondere die morphologischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Grenzschicht im Fokus.
Untersucht wird unter anderem die Ausbildung der Interphase und die Frage, welche Einflüsse Prozessparameter wie Temperatur, Zeit und Druck auf deren Struktur und Qualität haben. Darüber hinaus wird die thermische Stabilität der Interphase betrachtet: Während des Ultraschallschweißens können lokal Temperaturen erreicht werden, die kurzzeitig oberhalb des regulären Einsatzbereichs der Materialien liegen. Dadurch können Degradationsmechanismen ausgelöst werden, welche die Grenzschicht langfristig schwächen oder die Verbindungseigenschaften verändern.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Optimierung der Interphase. Ziel ist es, gezielte Maßnahmen und Prozessstrategien zu entwickeln, um die Ausbildung der Grenzschicht zu erleichtern, zu verbessern und zu beschleunigen. Damit soll eine robuste und reproduzierbare Verbindung zwischen duroplastischen und thermoplastischen Werkstoffen ermöglicht werden – als Grundlage für zuverlässige hybride Leichtbaustrukturen in industriellen Anwendungen.