SB_22562LP

2024
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Warmgasstumpfschwei
ßen 2 Untersuchung
des Betriebsverhaltens
und Übertragung
auf dreidimensionale
Bauteile

Warmgasstumpfschweißen 2
Untersuchung des
Betriebsverhaltens und
Übertragung
auf dreidimensionale Bauteile
Abschlussbericht zum
Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 22.562
DVS-Nr.: 11.3590
Technische Universität Chemnitz
Institut für Fördertechnik und
Kunststoffe Professur
Kunststofftechnik
Universität Paderborn
Kunststofftechnik Paderborn (KTP)
Fachgebiet Kunststoffverarbeitung
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 22.562 N / DVS-Nr.: 11.3590 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online
abrufbar unter: http://dnb.dnb.de
© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 605
Bestell-Nr.: 170715
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Schlussbericht
zum IGF-Vorhaben 01IF22562N / 22.562 BG
Thema
Warmgasstumpfschweißen 2 – Untersuchung des Betriebsverhaltens und Übertragung auf
dreidimensionale Bauteile
Berichtszeitraum
01.08.2022 bis 31.12.2024
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtungen
Forschungseinrichtung 1
Technische Universität Chemnitz
Institut für Fördertechnik und Kunststoffe
Professur Kunststofftechnik
09126 Chemnitz
Forschungseinrichtung 2
Universität Paderborn
Fakultät für Maschinenbau
Warburger Straße 100
33098 Paderborn
Prof. Dr.-Ing. Andreas Seefried
Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner
IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ............................................................................................................ 2
Inhaltsverzeichnis .............................................................................................................. 4
Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................... 6
Tabellenverzeichnis ......................................................................................................... 10
1 Einleitung ................................................................................................................... 11
1.1 Problemstellung .................................................................................................. 11
1.2 Forschungsziel .................................................................................................... 12
2 Experimenteller Aufbau ............................................................................................ 13
2.1 Werkstoffauswahl und Materialcharakterisierung (AP 1) .................................... 13
2.2 Prüfkörpergeometrien und Probekörperherstellung (AP3) .................................. 14
2.3 Schweißanlagen ................................................................................................. 15
2.4 Messverfahren .................................................................................................... 16
3 Forschungsergebnisse ............................................................................................. 30
3.1 Festlegung des Realbauteils, Bestellung und Inbetriebnahme des
Warmgasstumpfschweißwerkzeugs (AP 2) ........................................................ 30
3.2 Weiterentwicklung und Optimierung der alternativen Düsengeometrie (AP 5) ... 31
3.3 Untersuchungen zu dreidimensionalen Schweißnahtgeometrien (AP 4 und 6a) 36
3.4 Mischmaterialschweißungen (AP 6b) ................................................................. 57
3.5 Analyse der Betriebs- und Langzeiteigenschaften (AP 7) ................................... 72
3.6 Analyse der thermo-oxidativen Schädigung (AP 8) ............................................ 84
3.7 Berichterstellung ................................................................................................. 92
4 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................. 92
5 Wissenschaftlich-technischer Anspruch und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten
Ergebnisse insbesondere für kmU .......................................................................... 92
6 Ergebnistransfer ........................................................................................................ 94
6.1 Veröffentlichungen .............................................................................................. 94
6.2 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ....................................................... 94
7 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen des Projekts.................................................................................................... 96
8 Verwendung der Zuwendungen ............................................................................. 100
Seite 4 Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22562N / 2

8.1 Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des
Finanzierungsplans) ......................................................................................... 100
8.2 Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ............................................. 101
8.3 Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) ............................ 101
9 Ausblick ................................................................................................................... 101
10 Forschungsstellen .................................................................................................. 102
10.1 Forschungsstelle 1 ............................................................................................ 102
10.2 Forschungsstelle 2 ............................................................................................ 102
11 Literaturverzeichnis ................................................................................................ 103
Seite 5 Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22562N / 2

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
Das Warmgasstumpfschweißen ist ein industrielles Fügeverfahren, das sich insbesondere
für glasfaserverstärkte und Hochtemperaturkunststoffe eignet. Im Gegensatz zu anderen
Kunststoff-Schweißtechniken wie dem Vibrations-, Ultraschall- oder Infrarotschweißen erfolgt
die Plastifizierung der Fügeflächen durch ein erwärmtes Prozessgas, das kontaktlos
auf die Schweißzone einwirkt. Dies vermeidet unerwünschte Partikelbildung [FGF11] und
ermöglicht eine größere geometrische Gestaltungsfreiheit der Bauteile. Aufgrund dieser
Vorteile findet das Verfahren zunehmend Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter
die Automobilindustrie, die Medizintechnik und der Maschinenbau [EM16].
Trotz der Vorteile gibt es jedoch mehrere Herausforderungen, die eine breite industrielle
Nutzung des Verfahrens bislang einschränken. Eine zentrale Problematik ergibt sich aus
der Nutzung von Runddüsen, wie sie derzeit in industriellen Schweißmaschinen eingesetzt
werden. Diese erzeugen hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Prozessgases, wodurch
insbesondere bei niedrigviskosen Kunststoffen inhomogene Fügenahtoberflächen entstehen.
Dies führt dazu, dass entlang der Schweißnaht unterschiedliche Schmelzeschichtdicken
auftreten, was lokale Festigkeitsunterschiede verursacht. Zudem können wellenförmige
Schweißwulste entstehen, die insbesondere bei optisch hochwertigen Bauteilen ein
erhebliches Qualitätsproblem darstellen [EM18].
Ein weiteres zentrales Problem ist die hohe Warmgastemperatur, die für den Schweißprozess
erforderlich ist. Da das Verfahren auf einer konvektiven Erwärmung der Fügeflächen
basiert, kann es zu einem thermischen oder thermisch-oxidativen Materialabbau kommen,
der die Langzeiteigenschaften der Schweißnaht negativ beeinflusst. Insbesondere bei
Hochleistungskunststoffen wie Polyamiden ist der Nachweis einer solchen Materialschädigung
schwierig, da diese nur durch aufwendige Langzeituntersuchungen erfasst werden
kann. Um die Oxidation des Werkstoffs zu reduzieren, wird in der Regel ein Schutzgas,
meist Stickstoff, eingesetzt. Dies führt jedoch zu hohen Betriebskosten und schränkt die
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens für viele Anwender ein.
Neben diesen werkstoff- und prozesstechnischen Herausforderungen ist zudem die Übertragbarkeit
der bisherigen Forschungsergebnisse auf komplexe Bauteilgeometrien begrenzt.
Bisherige Untersuchungen wurden vorrangig an einfachen Plattengeometrien durchgeführt,
da diese eine schnelle und unkomplizierte Probenherstellung ermöglichen. In der
industriellen Praxis sind jedoch häufig komplexe Fügegeometrien anzutreffen, die beispielsweise
Wanddickensprünge oder Kreuzstrukturen aufweisen. Diese geometrischen Unstetigkeiten
können zu lokalen Unterschieden in der Viskosität der Schmelze führen, was die
Qualität der Schweißverbindung erheblich beeinflusst. Ein weiteres Phänomen, das in der
Praxis problematisch ist, ist der sogenannte Kamineffekt. Dieser entsteht, weil das erwärmte
Prozessgas eine geringere Dichte als die umgebende Luft aufweist. Dadurch entstehen
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ungleichmäßige Wärmeübergänge, die zu einem asymmetrischen Aufschmelzen der Fügeflächen
führen und die Schweißqualität negativ beeinflussen.
1.2 Forschungsziel
Das Vorhaben baut auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojekts (IGF-Nr. 20119 BG) auf,
in dem erfolgreich das Runddüsensystem analysiert und alternative Schlitzdüsenformen
entwickelt sowie untersucht wurden.
Ein Schwerpunkt liegt auf der weiteren Optimierung der Düsenkonstruktion, um die thermische
und volumetrische Homogenität des Prozessgases zu verbessern. Insbesondere die
Weiterentwicklung der Schlitzdüsen-Technologie soll eine gleichmäßige Erwärmung der Fügeflächen
ermöglichen und gleichzeitig die notwendige Warmgastemperatur reduzieren.
Dadurch kann ein möglicher thermisch-oxidativer Abbau des Werkstoffs minimiert und eine
potenzielle Nutzung von Luft anstelle von Stickstoff als Prozessgas realisiert werden. Dies
würde eine signifikante Senkung der Betriebskosten für industrielle Anwender ermöglichen.
Ein weiterer zentraler Aspekt des Vorhabens ist die Untersuchung von Materialschädigungsmechanismen,
die während des Warmgasstumpfschweißens auftreten. Die bislang
begrenzten Erkenntnisse zur Materialalterung sollen systematisch erweitert werden. Dies
soll insbesondere Anwendern und Materialherstellern ermöglichen, fundierte Entscheidungen
hinsichtlich der Werkstoffauswahl und Prozessführung zu treffen. Zudem wird untersucht,
ob oxidierte Materialbereiche gezielt in den Schweißwulst gedrückt werden können,
um die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht zu verbessern.
Darüber hinaus sollen die Untersuchungen auf dreidimensionale Bauteile mit komplexen
Geometrien übertragen werden. Hierzu werden experimentelle Versuchsreihen durchgeführt
und ein ergänzendes Simulationsmodell entwickelt, das die Prozessauslegung sowohl
für einfache als auch für dreidimensionale Fügeflächen unterstützt und vereinfacht. Hierbei
werden die Auswirkungen des Kamineffekts detailliert untersucht und Strategien zur Kompensation
von Wärmeübergangsungleichmäßigkeiten entwickelt. Die gewonnenen Erkenntnisse
dienen der Entwicklung gezielter Erwärmstrategien für komplexe Fügegeometrien, mit
dem Ziel, die industrielle Anwendbarkeit des Verfahrens auf anspruchsvolle Bauteile auszuweiten.
Darüber hinaus wird die Schweißnahtqualität beim Fügen verschiedenartiger
Thermoplaste systematisch untersucht, um die Eignung des Warmgasstumpfschweißens
für Mischmaterialschweißungen fundiert bewerten zu können.
Insgesamt soll das Forschungsvorhaben dazu beitragen, die Schweißnahtqualität zu verbessern,
die Prozessstabilität zu erhöhen und die Wirtschaftlichkeit des Warmgasstumpfschweißens
zu steigern. Insbesondere KMU, Maschinenhersteller und Materialproduzenten
sollen von den Erkenntnissen profitieren, indem sie das Verfahren effizienter und kostengünstiger
nutzen können.
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2 Experimenteller Aufbau
2.1 Werkstoffauswahl und Materialcharakterisierung (AP 1)
Tabelle 1 bietet eine Übersicht über die verwendeten Werkstoffe. Die Materialauswahl erfolgte
in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss. Um einen Vergleich mit
früheren Untersuchungen zu ermöglichen, orientierte sich die Auswahl an den bereits im
Vorgängerprojekt (IGF-Nr. 20119 BG) untersuchten Werkstoffen. Aus diesem Grund kamen
erneut ein Polypropylen sowie eine hitzestabilisierte und eine nicht-hitzestabilisierte Variante
von Polyamid 66 zum Einsatz.
Die Hauptuntersuchungen (AP 4, AP 6a, AP 7 und AP 8) wurden mit den Kunststoffen PP
und PA66 durchgeführt. Polypropylen (PP) wurde aufgrund seiner einfachen Verarbeitung,
guten Schweißbarkeit und problemlosen Probenpräparation – insbesondere für optische
Untersuchungen – gewählt. Es diente hauptsächlich zur Charakterisierung des Aufschmelzverhaltens
sowie für grundlegende Untersuchungen zum Erwärmverhalten.
Zusätzlich wurde Polyamid 66 (PA66) als Vertreter der technischen Kunststoffe in verschiedenen
Konfigurationen eingesetzt. Die erste Variante war ein Standardpolyamid des Herstellers
Celanese. Die zweite Variante war zusätzlich hitzestabilisiert, um den möglichen
Einfluss des Prozessgases auf oxidativ anfällige Werkstoffe zu untersuchen (AP 8).
Tabelle 1: Übersicht über die Versuchswerkstoffe
Polymertyp Bezeichnung Hersteller Besonderheit
Polypropylen Moplen HP501H LyondellBasell Natur, unverstärkt
Zytel 101L NC010
unverstärkt, lubricated
Polyamid 66
Zytel 103HSL
NC010
Celanese
unverstärkt, heat
stabilized and lubricated
Ultramid B3K
Natur, unverstärkt
Polyamid 6
Ultramid B3WG6
BASF
30 % glasfaserverstärkt
PC/ABS
LUPOY HR5007AC
LUPOY ER5007N
LG Chem
recyclate PC/ABS
PLEXIGLAS 8N
PMMA
Plexiglas proTerra
M5
Röhm GmbH
recyclate PMMA
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