Optimierung des Rührreibschweißprozesses zur Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit beim Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen am Beispiel von Polypropylen

Abstract

Kunststoffe gehören zu den bedeutendsten Werkstoffen der letzten Jahrzehnte. Bedingt durch den stetigen Zuwachs erfahren auch die Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse eine permanente Weiterentwicklung. Aus diesem Grund sind die Anpassung und Neuentwicklung anforderungsspezifischer Fügeverfahren von großem Interesse. Das Rührreibschweißverfahren konnte sich beim Verschweißen metallischer Fügepartner im industriellen Umfeld bereits etablieren. Beim Verschweißen thermoplastischer Kunststoffe ist der Entwicklungsstand trotz des hohen Potentials des Verfahrens noch der Grundlagenforschung zuzuordnen. Eindeutige Entwicklungstrends sind nicht erkennbar. Auch etablierte Prozesstechnik ist am Markt nicht verfügbar. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Forschungsarbeit auf eine vollständig eigenentwickelte Prozesstechnik zurückgegriffen, die auf dem Stand der Forschung und eigenen Voruntersuchungen beruht. Eingesetzt wird ein modulares Werkzeugkonzept mit stehender Werkzeugschulter, welches den schnellen Austausch der zu untersuchenden Werkzeugbestandteile ermöglicht. Die Schweißversuche werden an im Stumpfstoß geschweißtem Polypropylen-Plattenmaterial durchgeführt. Ziel der Untersuchung ist die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit durch die Reduktion des Rührzonenvolumens. Beide Optimierungsziele einzuhalten setzt voraus, dass sich die durch das Werkzeug eingeleitete thermische Energie nicht proportional zum Rührzonenvolumen verhält. Um dies zu untersuchen, werden verschiedene Schweißstiftgeometrien analysiert. Neben den experimentellen Schweißversuchen wird zudem eine modellbasierte Simulation zur Werkzeugauslegung angewandt.

Plastics are among the most important materials of recent decades. Due to the constant growth, the manufacturing and processing procedures are also undergoing constant further development. For this reason, the adaptation and new development of requirement-specific joining processes are of great interest. The friction stir welding process has already established itself in the industrial environment for welding metallic joining partners. In the case of welding thermoplastics, the development status can still be classified as basic research despite the high potential of the process. No clear development trends are discernible. Established process technology is also not available on the market. For this reason, the present research work is based on a completely self-developed process technology, based on the current state of research and our own preliminary investigations. A modular tool concept with an upright tool shoulder is used, which enables the tool components to be investigated to be exchanged quickly. The welding tests are carried out on butt-welded polypropylene sheet material. The investigation aims to increase the feed rate, by reducing the volume of the stirring zone. Meeting both optimization goals requires that the thermal energy introduced through the tool is not proportional to the stir zone volume. To investigate this, different weld pin geometries are examined. In addition to the experimental approach, a model-based simulation is applied for tool design.