D ie steigende Funktionalität techni- scher Produkte stellt hohe Anforde- rungen an die Fügetechnik für Kunststof- fe. Dichtheit, einwandfreie Optik, hohe Festigkeiten, Alterungsbeständigkeit, kur- ze Zykluszeiten und Leichtbau sind nur einige der vielen Anforderungen an den Fügeprozess und die Fügenaht eines Bauteils.
Der Fügeprozess selbst stellt in der Regel einen der letzten Schritte in der Prozesskette dar und ist daher häufig für die Funktionsfähigkeit eines Bauteils ent- scheidend.
Der wirtschaftliche Erfolg in der Pro- duktion von Kunststoffteilen hängt da- mit maßgeblich von der Wahl des richti- gen Fügeverfahrens sowie dem sicheren Umgang mit Verbindungstechnologien ab. Sie zu kennen, ist für die Konkurrenz- fähigkeit von Produkten und Unterneh- men unerlässlich, und daher die K 2016 eine ideale Gelegenheit, sich über Neue- rungen zu informieren.
Einige davon haben wir vorab schon für Sie gesichtet und auf den nächsten Seiten zusammengestellt, um Ihnen die Messeplanung zu erleichtern.
Verbinden für die Ewigkeit
Von der Schraube bis zum Laserschweißen stehen Prozesse und Qualität im Fokus
Die Verbindungstechnik dient der Herstellung von komplexen, funktionsintegrierten Bauteilen und ist daher entscheidend für die Funktionsfähigkeit eines Bauteils. Viele Neuerungen und Trends sind seit der letzten K- Messe angestoßen und umgesetzt worden, da die Anforderungen an die Fügetechnik in Bezug auf Industrie 4.0 immer höher werden. Die wichtigsten werden dem Fachpublikum im Oktober auf der K 2016 präsentiert.
Arnold Umformtechnik
Kunststoffkomponenten verschrauben
Der zunehmende Einsatz von Thermoplasten vor allem in der Automobilindustrie erfordert die Weiterentwicklung auch von mechani- schen Fügeverfahren zur Herstellung von Bauteilgruppen, etwa das Direktverschrau- ben. Die Arnold Umformtechnik GmbH & Co.
KG, Forchtenberg, hat die Remform-Schraube für Direktverschraubungen von Thermoplas- ten entwickelt (Bild 1), die nicht nur Material und somit Kosten sparen kann, sondern auch Montagezeiten verkürzen und die Prozess- sicherheit erhöhen. Die Schraube hat eine asymmetrische Gewindegeometrie und die vom Schraubenkopf abgewandte Gewinde- flanke wurde mit einem Radius versehen, um den Materialfluss zu verbessern. Dies führt durch bessere Lenkung des Kunststoffs zu
niedrigeren Gewindeformmomenten. Die dem Schraubenkopf zugewandte steile Last- flanke fängt den ungeformten Kunststoff ab und gewährleistet so hohe Auszugkräfte.
Hinzu kommt, dass die große Differenz zwischen Gewindeformmoment und Über- drehmoment eine hohe Montagesicherheit bietet. Im Vergleich zu einer 30-Grad-Flanken- winkelschraube besitzt die Remform-Schrau- be einen erhöhten Kerndurchmesser, sodass die Schraube höhere Bruchdrehmomente aufweist – ein Vorteil bei der Verschraubung von Hochleistungskunststoffen.
Da die Schraube selbstständig ihr Gewin- de in ein vorhandenes Kernloch furcht, entfal- len zum einen zusätzliche Materialkosten für beispielsweise Muttern und Inserts sowie zum
anderen kosten- und zeitintensive Prozesse zur Vorbereitung der Schraubstelle. Zudem lassen sich hohe Einschraubgeschwindigkei- ten und damit kurze Zykluszeiten erreichen.
B Halle 7.2, Stand E21
Bild 1. Remform-Schraube zur Direkt- verschraubung von Kunststoffbauteilen
(© Arnold Umformtechnik)
Die Autorin
Suveni Kreimeier, M.Sc., arbeitet auf dem Forschungsgebiet der Werkstoff- technik und Fügetechnik.
Service
Digitalversion
B Ein PDF des Artikels finden Sie unter www.kunststoffe.de/1603405
English Version
B Read the English version of the article in our magazine Kunststoffe international or at www.kunststoffe-international.com
Ejot
Leichtbau-Verbindungstechnik
Leichtbaukonzepte gewinnen vor dem Hintergrund von ökono- mischen und politischen Zwän- gen zur Einsparung von Rohstof- fen und Energie eine immer grö- ßere industrielle Bedeutung, be-
sonders in der Automobilindus- trie. Die Ejot GmbH & Co. KG, Bad Berleburg, bietet ein breites Port- folio leichtbaugeeigneter Verbin- dungslösungen an.
Die Schraube Delta PT, die so- wohl aus Stahl als auch Alumini- um hergestellt wird, unterstützt die Direktverschraubung in Kunststoffen, die dank einer Ver- ringerung von Abmessungen so- wie Verschraubungsstellen Ge- wichtsreduzierungen ermöglicht.
Die Schraube aus Kunststoff lässt sich für weiche Thermoplaste einsetzen und ist bis zu 85 % leichter als ihr Pendant aus Stahl.
Die Realisierung eines stabilen Befestigungspunktes ist beim Einsatz von weichen Thermo- plasten wie beispielsweise Poly- propylen oder Polyamid oft nicht ausreichend. Selbst Optimierun- gen wie größere Schrauben- durchmesser, Wandstärken oder Einschraubtiefen eignen sich nur bedingt, um dieses Problem kons truktionstechnisch zu lösen.
Das Unternehmen bietet für diese Fälle das Insert Deltasert P aus Kunst stoff an (Bild 2), das in Kombination mit der Schraube eine prozesssichere Verbindung ermöglicht. Mit dem Insert lässt
sich trotz konstruktionsbedingt geringer Wandstärken ein Tubus- profil umsetzen, in das dieses Verbindungselement auch bei geringer Bauraumhöhe einge- schraubt werden kann.
Vor allem in der Automobil- industrie soll durch die Substitu- tion etablierter Werkstoffe, hauptsächlich Metalle, durch leichtere Werkstoffe (wie bei- spielsweise endlosfaserverstärk- te Kunststoffe oder Waben- und Schaumkernstrukturen) die Leis- tungsfähigkeit der Bauteile kei- nesfalls vermindert werden. Ejot hat für derartige Werkstoffe den Kunststoffdom TSSD (Thermi- scher Stoff-Schluss-Dom) entwi- ckelt. Er besteht aus Thermoplast und wird unter definierter Dreh- zahl und Axiallast in das Kunst- stoffbauteil gesetzt. Der Dom lässt sich sowohl direkt als Schraubdom für die Delta- PT- Schraube einsetzen als auch di- rekt als Verbindungselement.
B Halle 5, Stand C03
Bild 2. Insert: Kunst- stoff-Alternative für weiche Thermo- plaste (© Ejot)
Branson Ultraschall
Großformatige Baugruppen laserschweißen
Partikelfreies Schweißen wird für diverse Pro- dukte der Automobil-, der Haushaltsgeräte- industrie sowie der Medizintechnik gefordert.
Vor allem das partikelfreie Fügen von großfor- matigen Kunststoffteilen mit komplexen Schweißnähten stellt nach wie vor eine He- rausforderung dar. Hier setzt Branson Ultra- schall, Dietzenbach, mit einer Laserschweiß-
maschine der Serie GLX-3 (Bild 3) an. Sie baut auf dem patentierten Verfahren „Simulta- neous Through Transmission Infrared (STTIr)“
des Unternehmens auf, mit dem sich die Schweißnaht gleichzeitig und gleichförmig erwärmen lässt, was Zykluszeiten verkürzen und insbesondere Bauteiltoleranzen ausglei- chen kann – laut Hersteller ein Vorteil im Ver-
gleich zu anderen Bestrahlungsstrategien wie dem Quasi- Simultanschweißen. Die simultane Erwärmung der Fügenaht impliziert einen Fü- geweg, sodass Toleranzen von großformati- gen Bauteilen ausgeglichen werden können.
Die Schweißmaschine GLX-3 wurde für großformatige Teile entwickelt, die mehr La- serleistung und Klemmkraft erfordern. Die An- lage weist einen servomotorisch angetriebe- nen Hubtisch auf, der Werkzeuge mit einer oder mehreren Kavitäten mit einem Gesamt- gewicht von 500 kg aufnehmen kann. Ein inte- griertes automatisches Werkzeugwechsel- system erlaubt einen zügigen Werkzeug- austausch. Außerdem verfügt die Schweißma- schine über vier Leistungsstufen (1250 W, 1500 W, 1750 W und 2000 W).
Die Sicherheits- SPS zur Steuerung der Funktionen sowie Sicherheitseinrichtungen der Maschine führt das Logic Control System von Branson aus. Damit ist die automatisierte Steuerung der Funktionen von Hubtisch, Tür und Werkzeug möglich, sodass sich Schweiß- zykluszeiten bei gleichzeitiger Gewährleis- tung von Prozesssicherheit reduzieren lassen.
B Halle 11, Stand E57 Bild 3. Laser-
schweißsystem der Serie GLX-3
(© Branson Ultraschall)
SKZ – Das Kunststoff-Zentrum
Inline-Prozesskontrolle mit Thermografie
Die Qualitätssicherung der Schweißnaht von gefügten Kunststoffbauteilen ist von ent- scheidender Bedeutung. Daher hat die Industrie einen hohen Be- darf an Analysemöglichkeiten, die ohne aufwendige Probenvor- bereitungen schnelle, zuverlässi- ge und zerstörungsfreie Messun- gen der Schweißnähte ermögli- chen. Das SKZ – Das Kunststoff- zentrum, Würzburg, hat im Rah- men eines Forschungsprojekts die grundsätzliche Einsetzbarkeit der passiven Thermografie beim Schweißen von Kunststoffen un- tersucht und dabei das Ultra-
schall-, Infrarot-, Heizelement- stumpf- und Vibrationsschwei- ßen näher betrachtet.
In Abhängigkeit der Probekör- pergeometrie ließen sich gute Er- gebnisse erzielen. Zur Überwa- chung mithilfe der Thermografie wurde eine Software (Bild 4) am SKZ entwickelt, die automatisch während des Schweißprozesses die Schweißung bewertet und Bauteile als „i. O.“ oder „n. i. O.“ ein- stuft. In Zusammenarbeit mit Partnern ist eine Weiterentwick- lung dieses zerstörungsfreien In- line-Prüfverfahrens geplant.
B Halle 10, Stand H15
Bild 4. Prozess-Thermografie im Serienschweißprozess: Die Software bewertet die Qualität von Schweißnähten (© SKZ – Das Kunststoff Zentrum)
LPKF WeldingQuipments
Laserschweißen von großformatigen Bauteilen
Insbesondere in der Automobilindustrie steigt der Bedarf nach Schweißverfahren für groß- formatige Bauteile. Die LPKF WeldingQuip- ment GmbH, Fürth, stellt das Laserschweiß- system PowerWeld 3D 8000 vor, das Bauteile von bis zu 100 x 70 cm mit Schweißnähten zwi- schen 1 und 5 mm fügen kann (Bild 5). Die Fü- genaht entsteht quasisimultan durch „Wob- beln“, wobei der Laserstrahl mit kleiner Ampli- tude quer zum Vorschub über den Schweiß- weg geführt wird. Darüber hinaus kann das System Änderungen der Höhenlage durch Anpassen der Amplitude automatisch ausglei- chen. Aussagen über die Qualität der Schwei- ßung lassen sich mithilfe des Setzwegs und der Schweißzeit vornehmen.
Durch eine Reihe von Verbesserungen der technischen Komponenten wurde das Laser- schweißsystem PowerWeld 6600 der Stand- Alone-Serie weiterentwickelt. Das System ar-
beitet mit einer Servo-Spanntechnik und nutzt eine Soft-SPS, um Flexibilität und Zu- kunftsfähigkeit zu erhöhen. Die gewählte Mo- dulbauweise unterstützt zudem die Flexibili- tät und führt zu einer kostengünstigeren Pro- duktionseinheit.
Eine weitere Neuerung ist die CAM-Soft- ware ProSeT 3D, die eigenständige Schweiß- pfade direkt aus den CAD-Daten vorschlägt.
Ein integrierter Editor hilft bei der manuellen Anpassung der Wegpunkte und der Schweiß- parameter. Damit besteht die Möglichkeit, aus den Bauteillayouts in kürzester Zeit den Schweißprozess abzuleiten. Außerdem kann der Entwickler auf alle Prozessdaten zugreifen und einzelne Parameter ändern, wohingegen im Produktionsprozess im Operator-Modus nur die für die Produktion erforderlichen Da- ten und Befehle zur Verfügung stehen.
B Halle 11, Stand E04
Bild 5. PowerWeld-3D-Baureihe: Sicheres und hochwertiges Quasi-Simultanschweißen von großformatigen Bauteilen
(© LPKF WeldingQuipments)
Thermische Fügeverfahren
Mit dem zunehmenden industri- ellen Einsatz von Kunststoffen gewinnen auch Fügeverfahren, insbesondere Schweißverfahren, an Bedeutung. Entsprechend
der physikalischen Prinzipien stehen diverse thermische Füge- verfahren zum Schweißen von Kunststoffen zur Verfügung. Ein geeignetes Schweißverfahren zu
wählen sowie den Prozess rich- tig einzurichten und zu führen, ist für die Qualität der Schweiß- nähte von hoher Bedeutung.
Hierbei unterstützt die KLN Ul- traschall AG, Heppenheim, die anfänglich nur Ultraschall- schweißmaschinen für Reini- gungsprozesse in der Medizin- technik anbot. Mittlerweile hat das Unternehmen sein Schweiß- maschinen-Portfolio auf sechs Hauptbereiche erweitert: Ultra- schall-, Vibrations-, Heizele- ment-, Rotations-, thermisches und Infrarotschweißen. Die
Schweißmaschinen finden inzwi- schen in der Medizintechnik, Au- tomobil-, Weißgeräte- und Elekt- roindustrie weltweit Anwen- dung.
Neben der Beratung über Schweißverfahren stellt das Un- ternehmen auf Wunsch komplet- te Produktionslinien bereit (Bild 6), einschließlich von Standardma- schinen, Spezialkomponenten, Werkzeugen, Werkzeugwechsel- zellen, Robotersystemen sowie die dafür geeigneten Zuführtech- niken.
B Halle 11, Stand H41 Bild 6. Erstellung von Produktionslinien zum Schweißen von Kunst-
stoffen (© KLN Ultraschall)
Cemas
Thermische Schweißverfahren
Entsprechend des Stands der Technik gibt es zahlreiche thermische Schweißverfahren zum Fügen von Thermoplastkomponenten. Ein je- des Schweißverfahren, wie beispielsweise das Heizelement-, Infrarot- oder Laserschweißen, bietet prozessspezifische Vor- und Nachteile.
Die Auswahl eines Verfahrens erfordert Exper- tenwissen bezüglich der unterschiedlichen Schweißverfahren und des verwendeten Ma- terials. Dieses Know-how bündelt Cemas Elettra S.r.l., Carmagnola/Italien, durch ein breites Produktportfolio. Das Unternehmen hat eine Multi-Faser-Laserschweißmaschine für die Verfahrensvariante Simultanschweißen entwickelt. Da als Produkt eine Heckleuchte
im Vordergrund der Entwicklungsarbeiten stand, wurde vor allem auf die optischen An- forderungen der Schweißnaht geachtet.
Im Simultanschweißverfahren lässt sich die Schweißnaht mithilfe des Mehrfasersystems gleichzeitig erwärmen und fügen, sodass kon- stante Fügewege realisiert werden können.
Dies erlaubt geringe Maschinenzykluszeiten und optisch hochwertige Schweißnähte.
Neben der kontinuierlichen Weiterentwick- lung der Vibrationsschweißmaschinen mit 240 Hz und 100 Hz wurde die Kombination aus Infrarot-Vorerwärmung und Vibrationsschwei- ßen in das Produktportfolio aufgenommen.
Allgemein ist beim Vibrationsschweißen durch
die Reibbewegung eine Partikelbildung in der Fügezone unvermeidbar. Gerade bei medien- führenden Bauteilen kann dies zu erheblichen Herausforderungen führen. Die Kopplung des klassischen Vibrationsschweißens mit einer Infrarot-Vorwärmeinheit reduziert die Partikel- bildung in der Fügenaht und führt zu optisch ansprechenden Schweißnähten.
Darüber hinaus bietet Cemas Elettra im Be- reich des Ultraschallschweißens verschiedene Arten von Standardmaschinen an, die auf ei- nem modularen Konzept basieren, und stellt Sondermaschinen nach Kundenbedarf zu- sammen.
B Halle 11, Stand F73
BASF
Dicke Dämmplatten schweißen
In der Baubranche werden häufig zum Schutz der Häuser vor Wär- me, Kälte und Feuchtigkeit druck- feste, wasserabweisende und langhaltende Dämmplatten ein- gesetzt. Die BASF SE, Ludwigs-
hafen, stellt verschiedene Typen von Styrodur-Platten (extrudier- ter Polystyrolhartschaumstoff) her, die als Zellgas Luft enthalten und sich vor allem durch ihre Druckfestigkeit unterscheiden.
Das Unternehmen hat für Dämm- platten ein kontaktloses thermi- sches Fügeverfahren entwickelt (Bild 7). Die Schweißtechnik eig- net sich für unterschiedliche Dämmstoffe, was vor allem der Baubranche neue Kombinations- möglichkeiten bietet. Beispiels- weise lässt sich Styrodur mit Po- lyurethan, anorganischen Dämm- stoffen oder dem Melaminharz- schaumstoff Basotect zu neuen Dämmstofflösungen verbinden.
Es lassen sich hochdruckfeste Styrodur-Platten von bis zu 240 mm herstellen. BASF plant in Zusammenarbeit mit Partnern, neue Anwendungen in der Ge- bäudedämmung zu entwickeln.
B Halle 5, Stand C21 und D21 Bild 7. Neue Schweißtechnik für
Dämmplatten: Kombination günstiger Eigenschaften unter- schiedlicher Bauprodukte (© BASF)
Kiefel
Halbleitertechnik für Reinraum-Produkte
In der Medizintechnik kommen bislang zum Hochfrequenz- schweißen von Blut- oder Infusi- onsbeuteln meist Röhrengenera- toren zum Einsatz, die allerdings über ihre Lebensdauer einen Leistungsverlust erleiden. Die Kiefel GmbH, Freilassing, hat ei- nen Schweißgenerator zur Verar- beitung von Kunststofffolien ent- wickelt (Bild 8), in dem Halbleiter die benötigten Schwingungen erzeugen (Solid State Generator).
Die Leistung ist je nach Bedarf in- dividuell dosierbar, und es soll kein Leistungsverlust über die ge- samte Betriebsdauer zu verzeich- nen sein. Der Schweißgenerator funktioniere nahezu wartungs- frei.
Ein weiterer Vorteil der Halb- leitertechnik liegt in der einfache- ren Bedienung des Systems, so- dass eine schnelle Einarbeitung
möglich ist. Der Solid State Gene- rator lässt sich in bestehende An- lagen integrieren und bietet eine hohe Flexibilität bezüglich der Werkzeuge. Durch einen signifi- kant geringeren Platzbedarf im Vergleich zu den bisherigen Ge- räten und der Kühlung mit Was- ser bietet sich der Schweißgene- rator besonders für den Einsatz in Reinräumen an.
B Halle 3, Stand E90
Bild 8. Halbleitertechnik: Blut- und Infusionsbeutel lassen sich mit konstanter Leistung ver- schweißen (© Kiefel)
