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Kunststoff-Zentrum in Leipzig Wohltemperiert zur besseren Verbindung

Autor / Redakteur: Tino Jahnke / Peter Königsreuther

Der Trend zum Leichtbau, allen voran der von vielen Experten propagierte hybride Leichtbau, bei dem der sogenannte Multimaterial-Mix die Komponenten der Zukunft ausmachen soll, stellt die Frage nach der adäquaten Verbindungstechnik. Forscher am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) optimieren deshalb das Ultraschallnieten (US-Nieten) mit diversen Hochleistungs-Polymeren.

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Am Kunststoff-Zentrum in Leipzig untersucht man das Ultraschallnieten mit Hochleistungs-Kunststoffen zur Optimierung der Kopfgeometrien. Hier eine von drei Varianten: ein Nietkopf aus Polyphenylensulfid (40 % Glasfasergehalt), mit sogenannter Pyramidenstruktur.
Am Kunststoff-Zentrum in Leipzig untersucht man das Ultraschallnieten mit Hochleistungs-Kunststoffen zur Optimierung der Kopfgeometrien. Hier eine von drei Varianten: ein Nietkopf aus Polyphenylensulfid (40 % Glasfasergehalt), mit sogenannter Pyramidenstruktur.
(Bild: KUZ)

Das Forschungsvorhaben "Konstruktions- und Prozessoptimierung von Kunststoffnietverbindungen" wurde vom 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

Die Aufgabe 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 US-Nietens mit temperierten Sonotroden (Nietwerkzeug) für Formteile aus Hochleistungskunststoffen, sollte eine Erweiterung des Einsatzbereichs von Kunststoffnietverbindungen mit optimierten Kopfgeometrien für dieses Verfahren erfolgen.

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Gewisse Besonderheiten

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 Ultraschallniet-Prozesses 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.

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