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Rührreibschweißen von Aluminiumstrangpressprofilen mit Kunststoff
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Zusammenfassung
Moderner Leichtbau wird durch eine optimierte Konstruktion und durch den Einsatz neuer oder weiterentwickelter Werkstoffe realisiert, um zum Beispiel trotz gestiegener Anforderungen bezüglich Komfort und Sicherheit die gesamte Fahrzeugmasse bei Automobilen so gering wie möglich zu halten. Der Trend zur Mischbauweise, bei der jeweils optimale Materialien für die jeweiligen lokalen Anforderungen zum Einsatz kommen, wird durch diese Anforderungen stark angetrieben. So wird sich sowohl der Anteil an Aluminium- und Magnesiumlegierungen als auch der von Kunststoffen auf Kosten des Masseanteils der Stähle erhöhen. Ziel des Transferprojekts war die Erforschung und Entwicklung eines abgeänderten Rührreibschweißverfahrens zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoffkomponenten mit Aluminium-Strangpressprofilen. Bei den Kunststoffen wurden ausschließlich Thermoplaste untersucht, da diese bei höheren Temperaturen in einen breiigen oder flüssigen Zustand übergehen können und nicht wie Duroplaste ihre innere Struktur auflösen. Das Spektrum der Kunststoffe erstreckte sich dabei über mehrere Werkstoffe wie Polypropylen (PP), Polymethylmethacrylat (PMMA, = Plexiglas) bis hin zu Polyetheretherketon (PEEK). Aluminiumseitig lag der Fokus der Strangpresslegierungen im Dickenbereich zwischen 2 mm und 5 mm.
Für die Herstellung der Mischverbindungen wurde das Rührreibschweißen bzgl. der Anforderungen (Druckspannungs- und Wärmeeintrag anstatt Vermischen der Fügepartner durch den Rührprozess) angepasst. Mithilfe eines konstruktiv veränderten Rührreibschweißwerkzeuges, welches auf einen Schweißpin verzichtet, wurden Druck und Wärme auf den Aluminiumfügepartner aufgebracht. Der Druck wurde durch die Anpresskraft Fz erzeugt. Die Wärme entstand durch die Reibung des Werkzeuges auf der Bauteiloberfläche, während die Druckspannungen und der Wärmestrom ein dauerhaftes Verbinden des Kunststoffs mit dem Aluminiumbauteil bewirkten. Die Bewegung des Werkzeugs verlief wie beim konventionellen Rührreibschweißen über eine Rotation n des Werkzeuges und eine Vorschubbewegung mit der Geschwindigkeit v. Im Rahmen der Untersuchungen wurden unterschiedliche Oberflächen auf den Aluminiumwerkstoffen erzeugt, um die Güte der Verbindung zu erhöhen. Diese Oberflächen beinhalteten dabei sowohl makroskopische Veränderungen wie Hinterschnitte als auch mikroskopische, beispielsweise die Erzeugung von Schichten durch Anodisierung. Der während des Prozesses plastifizierte Kunststoff wurde dann in die erzeugten Vertiefungen eingepresst, wodurch eine formschlüssige Verbindung entstand. Zusätzlich dazu wurde das Auftreten weiterer Bindungsmechanismen untersucht.
Aufgabenstellung
Dauerhaftes Verbinden von Aluminiumlegierungen mit Thermoplasten durch einen abgewandelten Rührreibprozess.
- Identifikation der Parameterfenster für Anpresskraft und Drehzahl des rotierenden Werkzeugs
- Kombination unterschiedlicher Aluminiumlegierungen (z. B. EN AW-6060, EN AW-5083) mit Thermoplasten (z. B. PP, PMMA, PEEK)
- Ermittlung statischer und dynamischer Festigkeiten
Lösungsansatz
Durchführung und Analyse von Schweißversuchen unter folgenden Gesichtspunkten:
- Modifikation der Fügepartneroberflächen durch Aufbringung von Schichten bzw. Erzeugung von geometrischen Formelementen
- Erfassung prozessrelevanter Daten wie Temperaturen, Drücke und Geschwindigkeiten
- Abbildung des Prozesses durch eine thermische Struktursimulation
