Wohltemperiert zur besseren Verbindung

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AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

VdLB Verband deutscher Laseranwender - Blechbearbeitung e.V.

technotrans SE

Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH

Umfangreiche Ergebnis-Analyse

Dieser Effekt wird bei konventioneller Technik mit einer erhöhten Schwingungsamplitude kompensiert. Die im KUZ Leipzig entwickelte Technik zum US-Nieten mit temperierten Sonotroden dagegen ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Temperaturgradienten zwischen Temperatur an der Sonotrodenformfläche (Kavität zur Formung des Nietkopfes) und der Schmelztemperatur des sich bildenden Nietkopfes. Deshalb wurden an den Materialien PA66-GF30, PPS-GF40 und PEEK zusätzlich vergleichende Versuche mit temperierter Sonotrode durchgeführt.

Um eine qualitative Aussage über die Nietergebnisse machen zu können, wurde die Bruchkraft jeder Nietverbindung mittels Zugversuch ermittelt sowie eine optische Beurteilung in Form von Makroskopie und stichprobenartig Mikroskopie (Schliffbilder) durchgeführt. Durch die Mikroskopie konnten Aussagen über das Verhalten des umgelegten Materials im Nietkopf zum Nietpin getroffen werden. Die qualitative Beurteilung der Nietköpfe bildete die Grundlage für die Parameteroptimierung für jede untersuchte Serie.

Temperierung hilft

Die Untersuchungen an den verschiedenen Materialien und Geometrien zeigten, dass eine hohe Verbindungsfestigkeit eine gute Verbindung zwischen umlegtem Material des Nietkopfes an den Nietpin voraussetzt. Unter Einsatz der optimierten Nietkopfgeometrien nach FEM und optimierten Fügeparameter wurden Bruchkräfte erzielt, die bei PA66-GF30 circa 40 % und bei PPS-GF40 etwa 50 % der Grundbruchkraft (Bruchkraft des ungenieteten Nietpins) entsprachen.

Der positive Einfluss der temperierten Sonotrode konnte in Kombination mit optimierten Nietkopfgeometrien auf die optischen und mechanischen Ergebnisse insbesondere für den Hochleistungskunststoff PEEK (ungefüllt) nachgewiesen werden.

Verringerte Schwingungsbelastung

In den Versuchen konnte belegt werden, dass die Wärmeableitung durch temperierte Sonotroden deutlich verringert wird. Dies führte zu einer deutlich besseren Plastifizierung und zu einem homogeneren Aufschmelzen des Materials. Somit wurden optisch ansprechendere Nietergebnisse und deutlich höhere Bruchkräfte (circa 80 % der Grundbruchkraft) der Köpfe erzielt.

Ein zusätzlicher Effekt des Einsatzes temperierter Sonotroden besteht darin, dass materialübergreifend mit temperierter Sonotrode kleinere Amplituden für den optimalen Einsatzbereich erforderlich sind, wodurch grundsätzlich die Schwingungsbelastung der genieteten Formteile reduziert werden kann.

Die erzielten Ergebnisse des US-Nietens zeigen, dass die untersuchten Nietkopfgeometrien hohes Potential aufweisen. Sie zeigten jedoch auch, dass die Anwendung einer optimalen Nietkopfgeometrie nicht oder nur beschränkt möglich ist.

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