Fügen von Kunststoffen

Die Fügeverfahren nehmen in der Kunststoffverarbeitung eine wichtige Stellung ein.

Grob unterteilen lassen sich diese Verfahren in mechanische, thermische (Schweißen) und klebtechnische Verbindungen.

Wesentliche Methoden zum mechanischen Fügen von Kunststoffen sind:

Direktverschraubung
Schnappsysteme
Inserts

Kunststoffschweißen

Für Kunststoffe kommen vor allem folgende thermische Verbindungsverfahren zur Anwendung:

Folienschweißen mit einem Heizdraht (beispielsweise mit einem Vakuumiergerät)
Heißverstemmen
Heizelementschweißen
Heizwendelschweißen
Hochfrequenzschweißen
Laserdurchstrahlschweißen
Zirkularschweißen
Rotationsreibschweißen
Ultraschallschweißen
Vibrationsschweißen
Warmgasschweißen (beispielsweise mit einem Handschweißgerät (Heißluftgebläse))

Dabei lassen sich grundsätzlich nur thermoplastische Kunststoffe schweißen.

Zirkularschweißen

Beim Zirkularschweißen wird die benötigte Aufschmelzenergie durch eine Relativbewegung zwischen zirkular bewegtem Oberteil und feststehendem Unterteil eingebracht.

Ein Fügeteil wird beim Schweißen in 2 Dimensionen kreisförmig vibrierend bewegt, das andere Fügeteil bleibt unbeweglich eingespannt. Die hierbei eingesetzte Frequenz wird dem verwendeten Material angepasst.

Die vorbeschriebene Zirkularkinematik entspricht der oszillierenden Bewegung der Schleifplatte eines Schwingschleifers. Im Unterschied zu dieser ist die Ausgangs- und Endposition der Fügeteile immer die Maschinenmitte. Die Kinematik ist absolut kreisförmig und in ihrer Größe einstellbar, das erlaubt Präzisionsschweißungen. Durch das Spindel-Servo-Antriebssystem sind die Schweißfrequenzen frei wählbar, im Gegensatz zu Feder-Massen-Systemen, die mit einer festen Eigenfrequenz arbeiten.

Laserdurchstrahlschweißen

Für das Schweißen mit Laserstrahlen ist es von Bedeutung, ob die zu verbindenden Kunststoffe eher transparent oder opak sind. Opake Kunststoffe absorbieren größere Anteile des Lichts. Die meisten Thermoplaste lassen sich von typischen Laserwellenlängen einfach durchstrahlen. Durch Pigmentierung oder andere Beimengungen zum Polymer erhöht man die Absorption. Trifft der Laserstrahl auf eine absorbierende Substanz, wandelt sich seine Energie in Wärme um.

Beim Laserdurchstrahlschweißen liegt ein für die Laserwellenlänge transparentes über einem absorbierenden Material. Ein Spannwerkzeug presst die beiden Fügepartner aufeinander. Der Laser durchstrahlt das transparente Material und schmilzt die Oberfläche des absorbierenden Materials auf. Durch Wärmeleitung plastifiziert auch die Berührungsfläche des transparenten Materials.

Dieser Prozess kann beim Kunststoffschweißen mittels Laserstrahlung exakt gesteuert und zeitnah überprüft werden. Nach dem Wiederverfestigen der Kunststoffe ist die Berührungszone zuverlässig und dauerhaft geschweißt. Dabei können große Festigkeiten und Dichtheiten erzielt werden.

Ultraschallschweißen

Beim Ultraschallschweißen wandelt ein Generator Netzspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um, die im Konverter in eine mechanische Schwingung konvertiert wird. Die Schwingungen werden über die Sonotrode (Schweißwerkzeug) in die zu fügenden Bauteile eingeleitet, wodurch es zur Erwärmung und zum Plastifizieren des Materials durch innere Molekular- und äußere Grenzflächenreibung kommt. Nach Beenden der Schalleinleitung sorgt eine kurze Abkühlphase unter Druck für eine homogene Schweißverbindung der beiden Fügepartner. Die Prozessparameter Frequenz, Amplitude, Schwingungsdauer und Druck sind abhängig von den Materialeigenschaften und der Bauteilform und -Größe.

Weitere Formen des Ultraschallschweißens sind das Ultraschall-Nieten, -Verkrallen und -Bördeln. Hiermit lassen sich auch artfremde Materialien verbinden, wobei mindestens einer der beiden Fügepartner ein thermoplastischer Kunststoffe sein muss.

Anwendungsgebiete

Hauptanwendungsgebiete des Kunststofffügens sind:

Medizintechnik
Maschinenbau
Automobilbau
Rohrleitungs- und Behälterbau

Literatur

Regelwerke / Normen

Ein Regelwerk zum Fügen von Kunststoffen wird in Deutschland von der Fachgruppe „Fügen von Kunststoffen“ im Ausschuss für Technik des DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren erarbeitet und in Form von DVS-Merkblättern und Richtlinien sowie gesammelt in Buchform veröffentlicht.

Bücher

AG W 4 des DVS: Fachbuch Merkblätter und Richtlinien – Fügen von Kunststoffen. DVS Media, Düsseldorf 2010 (13. Aufl.). ISBN 978-3-87155-224-3

Zeitschriften und Aufsätze

Fügen von Kunststoffen Zweisprachige (deutsch/englisch) Fachzeitschrift für die Kunststoffverbindungstechnik. DVS Media, Düsseldorf 2007ff. ISSN 1864-3450
Plastverarbeiter (PV). internat. Fachzeitschr. für Verarbeitung, Gestaltung u. Anwendung von Kunststoffen. Hüthig, Heidelberg 1.1950, Apr.ff. ISSN 0032-1338
Kunststoffe (KU). Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung. Organ deutscher Kunststoff-Fachverbände. Fachzeitschrift für Kunststofftechnik. Hanser, München 1.1911ff. ISSN 0023-5563

Institute

Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), Dresden
Lehrstuhl für Kunststofftechnik (KTC), Chemnitz
Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT), Erlangen
Lehrstuhl für Kunststofftechnologie (KTP), Paderborn
Süddeutsches Kunststoff-Zentrum (SKZ), Würzburg