Schweißleistung mit MuCell

ABSTRAKT:

Glasfaserverstärktes PA 6 und PA 6.6 sind zwei der häufigsten Materialien, die im MuCell-Mikrozellular-Schäumverfahren spritzgegossen werden. Da die Technologie immer mehr in Anwendungen unter der Motorhaube vordringt, wird es immer wichtiger, sich mit Vibrationsschweißen und Ultraschallschweißen auszukennen. 

In diesem Dokument wird die Schweißleistung von PA 6 und PA 6.6 verglichen, die als Massivformteile und im MuCell-Verfahren geformt wurden. Außerdem werden die Festigkeit und Variation der Schweißnaht zwischen den Testproben sowie das Verständnis der richtigen Schweißleistung erörtert.
 

EINFÜHRUNG:

Das Spritzgießen von mikrozellulärem Schaum ist eine Technologie, die in den letzten 4 bis 5 Jahren große Aufmerksamkeit erhalten hat. Die Grundlagen dieser Technologie wurden Anfang der 1980er Jahre in der Fakultät für Maschinenbau am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt. Diese von Dr. Nam Suh geleitete Arbeit bildet die Grundlage für die Technologien, die heute auf dem Markt erhältlich sind. Da das Interesse zugenommen hat, wird die Technologie in mehr Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen eingesetzt.  

Ein Wachstumsbereich sind Anwendungen unter der Motorhaube, typischerweise aus glasfaserverstärktem PA 6 oder PA 6.6, wie Lüfterhauben, Luftansaugkrümmer und Kipphebelabdeckungen. Diese Anwendungen eignen sich aufgrund häufiger Dimensionsprobleme und der Gesamtteilmasse für das MuCell-Verfahren. Dimensionsprobleme sind auch eine Ursache für Schweißprobleme, da sie den Kontaktdruck zwischen den Teilen beeinflussen.

Zwei der gebräuchlichsten Schweißverfahren sind Ultraschall für Kleinteile und Vibration für größere Baugruppen. In diesem Dokument werden beide Methoden erläutert, wobei Vibrationsschweißen für Anwendungen unter der Motorhaube gebräuchlicher ist.  

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN:

Die Grundlagen des mikrozellulären Schaumgießens wurden in zahlreichen Abhandlungen und Artikeln behandelt, darunter Arbeiten von MIT, Trexel, Sulzer Chemtech und IKV Aachen. Deshalb werden wir hier nicht ins Detail gehen, sondern nur eine grundlegende Zusammenfassung geben. Das Konzept, wie es auf das Spritzgussverfahren angewendet wird, beinhaltet das Einbringen eines physikalischen Treibmittels, üblicherweise Stickstoff oder Kohlendioxid, in Form einer überkritischen Flüssigkeit in ein geschmolzenes Polymer. Das geschmolzene Polymer befindet sich unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen, um das Treibmittel im Polymer aufzulösen und eine einphasige Lösung zu bilden. Der Begriff „einphasige Lösung“ bedeutet nicht nur, dass das Treibmittel vollständig im Polymer gelöst ist, sondern auch, dass es gleichmäßig im gesamten Polymer verteilt ist. Ist die einphasige Lösung erst einmal entstanden, muss sie aufrechterhalten werden, bis das Material in die Formhöhle gespritzt wird.

Wenn die einphasige Lösung aus Treibmittel und Polymer in die Form eingeführt wird, erfährt sie eine thermodynamische Veränderung, einen Druckabfall, der zur Bildung von Zellstellen (Zellkernbildung) führt, die dann wachsen, wenn das Treibmittel aus der Lösung austritt. Die Zelldichte, also die Anzahl der Zellen für ein bestimmtes Materialvolumen, ist eine Funktion der Menge des Treibmittels als Funktion seiner Sättigungsgrenze und auch der Geschwindigkeit des Druckabfalls (Änderung des Druck-/Zeitinkrements). Dieser grundlegende Mechanismus ist auf jedes System anwendbar, das ein physikalisches Treibmittel verwendet, um ein mikrozelluläres Spritzgussteil herzustellen.  

SCHWEISSVERFAHREN:

Auf dem Markt werden heute zahlreiche Schweißverfahren verwendet, darunter Vibrationsschweißen, Ultraschallschweißen, Heizplattenschweißen und Rotationsschweißen. Das Vibrationsschweißen wird dabei am häufigsten für große Teile mit komplexen Trennlinien verwendet, wie z. B. Ansaugkrümmer. Es ist eher bei Teilen aus mikrozellulärem Schaum interessant, da diese größeren Teile typischerweise stärker vom MuCell-Verfahren profitieren. Beim Vibrationsschweißen werden die Kunststoffteile so fixiert, dass die Schweißflächen unter Druck in Kontakt gebracht werden. Die Schweißflächen werden dann mit einer bestimmten Frequenz, einem bestimmten Druck und einer bestimmten Zeit entweder linear oder orbital aneinander gerieben. Während sich die Teile bewegen, entsteht Reibung, wodurch die sich berührenden Flächen schmelzen. Wenn genügend Material geschmolzen ist, wird die Bewegung zwischen den Teilen gestoppt und der geschmolzene Kunststoff an der Schnittstelle kühlt ab und erstarrt, wodurch eine Verbindung zwischen den Teilen entsteht.

Ultraschallschweißen wird häufiger bei kleinen Teilen eingesetzt. Bei dieser Technik wird ein Teil stationär gehalten, während ein zweites Teil in Kontakt gebracht wird. Auf das bewegliche Teil wird eine hochfrequente Vibration ausgeübt, die an den Kontaktpunkten Reibung verursacht, was zu einem Schmelzen des Materials an der Schweißfläche führt. Teile, die durch Ultraschallschweißen verbunden werden, weisen normalerweise ein Designmerkmal auf der Schweißfläche auf, um die Schweißenergie zu fokussieren.

EXPERIMENTAL:

Es wurden zwei Studien an einem mit 35 % Glasfasern gefüllten PA 6 und einem mit 35 % Glasfasern gefüllten PA 6.6 durchgeführt. Die Schweißfestigkeit von im Standard-Massivspritzgussverfahren und im MuCell-Verfahren hergestellten Prüfkörpern wurde bei der Montage mittels Ultraschallschweißen und Vibrationsschweißen untersucht. Die angestrebte Dichtereduzierung für alle im MuCell-Verfahren hergestellten Proben betrug 10 %.

Resultate und Diskussion:

Ultraschallschweißen:  

Der erste Schritt der Ultraschallschweißstudie bestand darin, optimale Schweißbedingungen zu ermitteln. Diese sind definiert als eine vollständige Schweißnaht über die gesamte Wandstärke, jedoch ohne Schweißgrat. Die Schweißbedingungen wurden optimiert, indem die Schweißzeit angepasst wurde, um die Menge des in der Schweißzone erzeugten geschmolzenen Materials entweder zu erhöhen oder zu verringern. Die Eignung der Schweißnaht wurde durch Aufteilen der Baugruppen und Betrachten der Schweißverbindung bestimmt. Eine gute Schweißnaht weist keinen Grat außerhalb der Wände des Teils auf, hat aber Kontakt über die gesamte Breite der Wände. Die Ergebnisse der Optimierung für PA 6 zeigen eine kürzere Schweißzeit für die im MuCell-Verfahren hergestellten Teile, 0.195 Sekunden im Vergleich zu 0.275 Sekunden für massive Teile. Da die angewandte Last und Frequenz gleich waren, führte dies zu niedrigeren Gesamtschweißenergien für die im MuCell-Verfahren hergestellten Teile.

Dies war beim PA 6.6 nicht der Fall. Die Ergebnisse der Schweißoptimierung zeigten, dass die mit dem MuCell-Verfahren hergestellten Teile und die mit dem Standard-Massivformverfahren hergestellten Teile beide die gleiche Schweißzeit von 0.200 Sekunden benötigten. Dies führte zu einer gleichen Schweißenergie.

Die ultraschallgeschweißten Proben wurden in zwei separaten Testkonfigurationen bewertet: einem Zugtest und einem Berstdrucktest. Der Zugtest wird mithilfe eines Zugprüfsystems durchgeführt. In diesem Fall werden die oberen und unteren Flansche der Baugruppe in Vorrichtungen gelegt und die Probe wird so lange gespannt, bis die Schweißnaht versagt. Die Ergebnisse dieses Tests zeigen, dass die Schweißleistung von PA 6 besser war als die von PA 6.6. Sie zeigten auch, dass bei PA 6 die im MuCell-Verfahren geformten Teile eine höhere durchschnittliche Bruchlast aufwiesen als die massiven Teile, nämlich 37 % höher. Bei PA 6.6 zeigte sich, dass die durchschnittlichen Ergebnisse bei den massiven Teilen und den Teilen aus dem MuCell-Verfahren dieselben waren. Die Schwierigkeit beim Zugtest besteht darin, dass die Standardabweichung ziemlich groß ist, was bedeutet, dass statistisch gesehen ein sehr geringer Unterschied zwischen den aus massiven Teilen und denen aus dem MuCell-Verfahren hergestellten Baugruppen besteht.

Diagramm 1 – Daten zum Ultraschallschweißen – 10 % Dichtereduzierung

Die Daten aus dem Bersttest sind aufgrund ihrer Wiederholbarkeit und der Tatsache, dass sie den Ausfallzustand im Einsatz besser simulieren, wertvoller. Die hier dargestellten Daten zeigen, dass die im MuCell-Verfahren hergestellten PA 6-Proben die gleiche Berstleistung wie die festen Proben aufwiesen. Bei PA 6.6 gab es zwei Beobachtungen. Erstens waren die Berstdrücke wie beim Zugtest niedriger als bei PA 6. Zweitens war der Berstdruck bei den MuCell-Proben im Vergleich zu den festen Proben um 12 % geringer.

Grafik 2 – Daten zum Ultraschallschweißen – 10 % Dichtereduzierung

Eine Analyse der ultraschallgeschweißten MuCell-Proben zeigt, dass die Zellstruktur im Kern der mit PA 6 und PA 6.6 geformten Teile ähnlich ist und weniger als 20 Mikrometer beträgt. Allerdings weisen die PA 6-Proben eine dickere Außenschicht auf (bis zu dreimal so dick) als die PA 3-Proben.  

Tatsächlich ist das Material im Energieleiter der PA 6-Proben völlig frei von Zellstrukturen. Die dickere Haut sorgt für mehr Material im Schweißbereich und kann in einigen Fällen die Zellstruktur auch vollständig aus dem Schweißbereich verdrängen.

Vibrationsschweißen:

Die Vibrationsschweißstudie wurde mithilfe einer Glockenform durchgeführt. Diese Form erzeugt ein Teil, wobei zwei Teile zu einer geschweißten Probe zusammengefügt werden. Die Proben wurden dann auf Berstdruck getestet.

Es wurde eine kurze Studie durchgeführt, um die Schweißbedingungen und die Schweißtiefe für Teile zu bewerten, die mit dem MuCell-Verfahren bei 10 % Dichtereduzierung hergestellt wurden. Es wurde festgestellt, dass sowohl die Vibrationsfrequenz als auch die Schweißzeit zur Bildung einer guten Schweißnaht beitragen. Als die Vibrationsfrequenz bei einer bestimmten Schweißzeit (50 Sekunden) von 75 Hz auf 100 Hz auf 6 Hz erhöht wurde, erhöhte sich die Schweißtiefe von keiner Schweißnahtbildung auf 3 mm (Diagramm 3). Die zunehmende Schweißtiefe führte zu einer stärkeren Schweißnaht. Es wurde auch festgestellt, dass bei einer bestimmten Vibrationsfrequenz, in diesem Fall 100 Hz, die Schweißzeit die Schweißtiefe und damit die Schweißfestigkeit beeinflusste (Diagramm 4).

Die Ergebnisse der Schweißstudie wurden dann verwendet, um die Schweißbedingungen für die MuCell-Proben für den Bersttestvergleich mit festen Proben festzulegen. Unter den optimierten Bedingungen zeigte sich, dass sich bei den PA 6-Proben zwischen den festen Teilen und den MuCell-Teilen mit 10 % reduzierter Dichte nur sehr wenig änderte, was einer Abnahme des Berstdrucks um 12 % entspricht (Grafik 5). Der Unterschied zwischen den festen Teilen und den MuCell-Teilen mit PA 6.6 bei 10 % reduzierter Dichte betrug 20 %.

Grafik 5 – Studie zum optimierten Vibrationsschweißen

Bei der Betrachtung der Zellstruktur in den Testteilen wurde festgestellt, dass sich die Zellstruktur bei beiden Materialien bis in den Schweißbereich erstreckte. Allerdings war die Zellgrößenverteilung bei PA 6 viel besser als bei PA 6.6. Die Zellstruktur von PA 6 zeigt eine durchschnittliche Größe von unter 20 mm und keine Zellen größer als 50 Mikrometer. Die maximale Zellgröße von PA 6.6 beträgt 80 bis 100 Mikrometer. Dies scheint darauf hinzudeuten, dass die maximale Zellgröße im Schweißbereich die Schweißfestigkeit beeinflusst.

Beim Vergleich der Ergebnisse von Ultraschallschweißen und Vibrationsschweißen zeigte sich, dass die MuCell-Proben im Vergleich zu den festen Proben besser abschnitten, wenn sie durch Ultraschallschweißen zusammengefügt wurden. Ein beitragender Faktor ist der Energieleiter. Die Geometrie des Energieleiters ist so, dass in diesem Bereich nur sehr wenig Zellstruktur vorhanden ist, und bei richtiger Auslegung sollte der Energieleiter den größten Teil des Materials darstellen, das geschmolzen wird, um die Schweißnaht in einem Ultraschallschweißverfahren zu bilden. Daher ist das Material, das geschmolzen wird, um die Verbindung zu bilden, frei von Zellstruktur.

Beim Vibrationsschweißen ist es schwierig, die Zellstruktur im Schweißbereich zu erhalten, da diese Bereiche verfahrensbedingt flach und relativ breit sind, 3 bis 4 mm breit. Die Zellstruktur kann jedoch durch die Kontrolle des SCF-Niveaus, der Einspritzgeschwindigkeit und auch der Prozesstemperaturen kontrolliert werden. Während verschiedene PA 6- und 6.6-Typen unterschiedlich auf den mikrozellulären Schäumungsprozess reagieren, bedeutet dies normalerweise Stickstoffwerte von 0.2 bis 0.3 % bei höheren Einspritzgeschwindigkeiten über 50 mm/s. Glasfaserverstärkte Materialien bieten in der Regel auch eine bessere Zellstruktur als glas- und mineralverstärkte Materialien.

FAZIT:

Mikrozellularer Schaumspritzguss ist nicht mehr nur ein Entwicklungsprogramm. Zahlreiche Anwendungen unter der Motorhaube aus glasfaserverstärktem PA 6 und PA 6.6 werden kommerziell angeboten. Einige dieser Anwendungen erfordern entweder Ultraschall- oder Vibrationsschweißverfahren, um Teile in der Endmontage zu verbinden. Die hier durchgeführte Arbeit untersucht die Auswirkungen des MuCell-Verfahrens auf den Schweißprozess und die Schweißfestigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer 10%igen Dichtereduzierung der mikrozellularen Formproben:

• Es ist möglich, ähnliche Berstdruckergebnisse zwischen Massivteilen und mikrozellularen Schaumteilen durch Ultraschallschweißen mit PA 6 zu erreichen.
• Dies entspricht einer Festigkeitsabnahme von etwa 12 % gegenüber einer Ultraschallschweißnaht mit PA 6.6.
• Der Rückgang der Berstdruckfestigkeit bei vibrationsgeschweißten Baugruppen aus Massivteilen im Vergleich zu MuCell-Teilen mit einer um 10 % reduzierten Dichte ist größer als bei ultraschallgeschweißten Proben, nämlich 12 % bei PA 6 und 20 % bei PA 6.6.
• Die Schweißbedingungen müssen für mikrozellulare Schaumteile optimiert werden. Eine erste Studie zeigte, dass Schweißzeit und Vibrationsfrequenz erhebliche Auswirkungen auf die Vibrationsschweißfestigkeit hatten.
• Hautdicke und Zellstruktur in den Schweißbereichen beeinflussen die Schweißfestigkeit. Die höhere Beibehaltung der Schweißfestigkeit bei ultraschallgeschweißten MuCell-Teilen spiegelt das Fehlen einer Zellstruktur im Energieleiter wider. SCF-Niveau und Einspritzgeschwindigkeit sind zwei Faktoren, die zur Zellgröße beitragen.