DVS 2216-6-2013 Ultrasonic joining of mouldings and semi-finished products made of amorphous thermoplastics in series fabrication.pdf

1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Fgen von Kunststoffen“Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11)

2、 15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vo

3、rliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Inhalt:1 Geltungsbereich2 Verfahrensbeschreibung3 Beschreibung der zu schweienden Werkstoffe3.1 Homopolymere3.1.1 Polystyrol (PS)3.1.2 Polyacrylat (PMMA)3.1.3 Polycarbon

4、at (PC)3.1.4 Polysulfon (PSU, PES)3.2 Copolymere3.2.1 Acrylnitril / Butadien / Styrol (ABS)3.2.2 Acrylnitril / Styrol / Acrylester (ASA)3.2.3 Styrol / Acrylnitril (SAN)3.2.4 Styrol / Butadien (SB)3.3 Blends3.3.1 ABS+PC und ASA+PC3.3.2 PPE+SB3.3.3 PPE+PA3.3.4 PC+PBT3.3.5 PBT+ASA4 Werkstoffbezogene Ei

5、nflussfaktoren auf das Schwei-verhalten4.1 E-Modul und mechanische Dmpfung4.2 Flieverhalten4.3 Fll- und Verstrkungsstoffe4.4 Sonstige Zusatzstoffe4.5 Recyclate, Regranulate, Regenerate4.6 Feuchtigkeit4.7 Unterschiedliche Schmelzpunkte der Komponenten bei Blends4.8 Schweieignung von Werkstoffkombinat

6、ionen4.9 Werkstoffdaten5 Konstruktive Gestaltung der Fgeteile5.1 Spielausgleich und Distanznoppen5.2 Fgeteilzentrierung6 Herstellqualitt der Fgeteile7 Schwei- und Umformbedingungen7.1 Schweien7.1.1 Amplitude7.1.2 Schweidruck / Haltedruck7.1.3 Frequenz7.1.4 Konstruktive Gestaltung der Fgeteile7.2 Nie

7、ten, Brdeln, Verdmmen, Punktschweien und Einbetten8 Einflussfaktoren auf die Schweinahtqualitt8.1 Flieverhalten8.2 Fll- und Verstrkungsstoffe8.3 Sonstige Zusatzstoffe8.4 Recyclate, Regranulate, Regenerate8.5 Verschmutzungen8.6 Feuchtigkeit8.7 Versatz8.8 Spannungsrissempfindlichkeit8.9 Lackierte, met

8、allisierte und bedruckte Fgeteile9 Prfen der geschweiten Fgeteile9.1 Zerstrungsfreie Prfungen9.1.1 Visuelle Prfungen9.1.2 Dichtheitsprfung9.2 Zerstrende Prfungen9.2.1 Mechanische Prfungen9.2.2 Mikroskopische Untersuchungen9.2.3 Mikrotomschnitte9.2.4 Anschliff- und Dnnschlifftechnik9.3 Spannungsrisst

9、est10 Manahmen zur Qualittssicherung im Fertigungsprozess10.1 Konstruktions- und Prozess-FMEA10.2 Maschinen- und Prozessfhigkeitsuntersuchung10.3 Eingangsprfung der Fgeteile10.4 Prozess- oder Fertigungsberwachung11 Sicherheitsvorschriften12 Schrifttum13 Anwendungsbeispiele1 GeltungsbereichDiese Rich

10、tlinie gilt fr das Ultraschallfgen von Formteilen unter-einander wie auch fr Kombinationen von Formteilen und Halb-zeugen aus amorphen Thermoplasten, Homo- und Copolymeren sowie deren Blends einschlielich verstrkte, gefllte, elastomer-modifizierte, brandgeschtzte und Sondereinstellungen aus die-sen

11、Kunststoffen.Diese Richtlinie ist im Zusammenhang mit den Richtlinien DVS 2216-1 bis -5 zu sehen, in welchen die allgemeinen Grundlagen fr das Ultraschallfgen von Formteilen und Halbzeugen aus thermoplastischen Kunststoffen beschrieben sind.2 VerfahrensbeschreibungBeim Ultraschallschweien und Ultras

12、challumformen werden die vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungen im kHz-Bereich im Ultraschallwandler (Schallkopf, Konverter) in mecha-nische Schwingungen gleicher Frequenz umgewandelt und ber das Transformationsstck (Booster) und die Sonotrode den Fge-teilen zugeleitet. Dabei arbeiten Gen

13、erator, Ultraschallwandler, Transformationsstck und Sonotrode in Resonanz.Die Erwrmung des thermoplastischen Kunststoffes im Fge-bereich erfolgt durch Energieumwandlung infolge von Druck-wechselbeanspruchung, verursacht durch die eingebrachten me-chanischen Schwingungen, durch die Grenzflchenreibung

14、 der Fgeflchen und Reflexion. Die Orte maximaler Druckwechsel-beanspruchung sind von der Fgeteilgeometrie abhngig.Ultraschallfgenvon Formteilen und Halbzeugenaus amorphen thermoplastischenKunststoffen in der SerienfertigungDezember 2013RichtlinieDVS 2216-6Ersetzt Ausgabe Juni 2002B974908A824A6748CAA

15、AA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 2216-63 Beschreibung der zu schweienden Werkstoffe3.1 Homopolymere3.1.1 Polystyrol (PS)Polystyrol wird hufig uneingefrbt eingesetzt, da hierbei das glnzende, glasklare

16、 Aussehen zum Tragen kommt. Formteile aus Polystyrol sind sprde, haben eine sehr geringe Wasserauf-nahme und ein sehr gutes elektrisches Isolierverhalten. Unter Sonneneinstrahlung findet eine Vergilbung und Versprdung statt,die die Empfindlichkeit gegen Spannungsrisse noch erhht. Die maximale Gebrau

17、chstemperatur liegt bei 80C, die Verarbeitungs-temperatur je nach Type zwischen 190 und 260C.3.1.2 Polyacrylat (PMMA)Haupteinsatzgebiet von Polymethylmethacrylat sind Bauteile mit optischen Anforderungen aufgrund der guten Lichtdurchlssig-keit und Kratzfestigkeit. Reines PMMA ist sprde, aber hervor-

18、ragend witterungsbestndig und hat nur eine geringe Wasser-aufnahme. Die Wrmeformbestndigkeit ist niedrig und die maxi-male Gebrauchstemperatur liegt bei ca. 100C, die Verarbeitungs-temperatur bei 210 bis 250C. Gegossenes PMMA ist nicht schweigeeignet.3.1.3 Polycarbonat (PC)Polycarbonat wird transpar

19、ent und eingefrbt eingesetzt. Form-teile aus PC besitzen eine hohe Festigkeit und Zhigkeit. Die Witterungsbestndigkeit ist, ebenso wie das elektrische Isolier-verhalten, gut. Die Wasseraufnahme ist gering, aber Wasserkon-takt bei hohen Temperaturen fhrt zu einem Abbau der mechani-schen Eigenschaften

20、 durch Hydrolyse. Die Spannungsrissemp-findlichkeit durch Eigenspannungen kann durch Tempern bei 120Creduziert werden. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt bei 135C, die Verarbeitungstemperatur bei 280 bis 320C.3.1.4 Polysulfon (PSU, PES)Polysulfone sind hochwrmeformbestndig und haben auch bei hoh

21、en Temperaturen sehr gute elektrische Eigenschaften. Die Witterungsbestndigkeit und die Hydrolysebestndigkeit sind gut,jedoch wird Wasser schnell in geringen Mengen aufgenommen. Die Festigkeit ist gut, aber Formteile sind kerbempfindlich. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt bei 200C, die Verarbei

22、-tungstemperatur ber 320C.3.2 Copolymere3.2.1 Acrylnitril / Butadien / Styrol (ABS)ABS gehrt zur Polystyrol-Gruppe, die durch die Butadien-Kom-ponente eine hohe Schlag- und Kerbschlagzhigkeit, auch bei tiefen Temperaturen, aufweist. Der Acrylnitrilanteil erhht die Wrmeformbestndigkeit gegenber PS. D

23、ie Spannungsriss- undChemikalienbestndigkeit ist, ebenso wie die Kratzfestigkeit, gut. Spezielle ABS-Typen sind galvanisierbar. Die maximale Gebrauchs-temperatur liegt bei 100C, die Verarbeitungstemperatur bei 220 bis 260 C.3.2.2 Acrylnitril / Styrol / Acrylester (ASA)ASA ist vom chemischen Aufbau g

24、leich mit ABS, wobei beim ASA die Butadien-Komponente durch Acrylester ersetzt ist. Die Eigenschaften sind mit ABS vergleichbar, allerdings wird es hufigglasklar eingesetzt und hat eine bessere Alterungs- und Witte-rungsbestndigkeit und ein sehr gutes antistatisches Verhalten. Die maximale Gebrauchs

25、temperatur liegt bei 90C, die Verarbei-tungstemperatur bei 230 bis 280C.3.2.3 Styrol / Acrylnitril (SAN)SAN zeigt gegenber PS besseres Verhalten bei der Festigkeit, Zhigkeit, Kratzfestigkeit, Spannungsrissbestndigkeit und wird daher bevorzugt im technischen Bereich eingesetzt. Im nicht ein-gefrbten

26、Zustand ist SAN glasklar, jedoch mit steigendem Acryl-nitrilgehalt gelblich. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt bei 95C, die Verarbeitungstemperatur bei 220 bis 260C.3.2.4 Styrol / Butadien (SB)SB wird auch als schlagfestes Polystyrol bezeichnet. Die hohe Schlagzhigkeit und Flexibilitt wird durc

27、h die Butadien-Kompo-nente erreicht. Durch sie erhlt uneingefrbtes SB ein opakes Aussehen, und die Witterungsbestndigkeit wird stark herabge-setzt. Die Kerb- und Spannungsrissempfindlichkeit ist besser als beim reinen PS. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt wie beim PS bei 80C, die Verarbeitungst

28、emperatur bei 200 bis 280C.3.3 BlendsBlends sind Kombinationen aus zwei oder mehreren verschiede-nen Polymeren bzw. Copolymeren, die entweder miteinander vertrglich sind und daher molekular disperse, homogene Mi-schungen bilden, einphasige Blends“, oder nur teilvertrglich sind,phasenseparierte Blend

29、s“. Bei diesen mehrphasigen Blends ist meistens eines der Polymere als disperse Phase in dem zweiten (kohrente Phase) eingelagert. Die kohrente Phase (Matrix) be-stimmt in der Regel das Schweiverhalten.Mit den Blends knnen Kombinationen von Eigenschaften erreichtwerden, die mit Standardpolymeren nic

30、ht zu erhalten sind, wie Steifigkeit und Zhigkeit.In diese Richtlinie wurden auch die Blends mit aufgenommen, deren kohrente Phase aus einem teilkristallinen Thermoplast wie PA oder PBT besteht, da sonst eine exakte Abgrenzung nur schwer mglich ist. Einige der Blends werden nur mit Glasfaser-verstrk

31、ung gefertigt.3.3.1 ABS+PC und ASA+PCBeide Blends gehren zu den phasenseparierten Blends mit PC als kohrenter Phase; der PC-Anteil kann zwischen 45 und 85% liegen. Diese Blends zeichnen sich durch hohe Wrmeformbe-stndigkeit, Steifigkeit, Zhigkeit und Witterungsbestndigkeit aus.Gegenber PC ist die Sp

32、annungsrissbestndigkeit erhht.3.3.2 PPE+SBDie Eigenschaften dieses einphasigen Blends knnen durch den groen Mischungsbereich (20 bis 95% PPE) in weiten Grenzen variiert werden. Mit zunehmendem PPE-Anteil nehmen Wrme-formbestndigkeit, Steifigkeit und Brandverhalten zu, Fliefhig-keit und Zhigkeit ab.3

33、.3.3 PPE+PABei diesem phasenseparierten Blend stellt das Polyamid die kohrente Phase. Dieses Blend besitzt eine gute Chemikalien-bestndigkeit und Dimensionsstabilitt bei hoher Wrmeform-bestndigkeit und geringer Wasseraufnahme.3.3.4 PC+PBTDieses Polymerblend mit einem PC-Anteil von 40 bis 60% bietet

34、eine ausgezeichnete Kombination mechanischer Festigkeit mit Chemikalienbestndigkeit und Dimensionsstabilitt. Das Niveau der Chemikalienbestndigkeit hngt unmittelbar vom kristallinen Anteil des jeweiligen Blends ab: je hher die Kristallinitt, desto hher die Chemikalienbestndigkeit.3.3.5 PBT+ASAPBT is

35、t die kohrente Phase dieses phasenseparierten Blends und bestimmt daher weitgehend die Schweieigenschaften. Auch die mechanischen und thermischen Eigenschaften weichen nur wenig von denen des PBT ab. Vorteile gegenber PBT bietet es in der Dimensionsstabilitt und Witterungsbestndigkeit.4 Werkstoffbez

36、ogene Einflussfaktoren auf das Schwei-verhaltenGrundstzlich lassen sich alle amorphen Thermoplaste nach die-sem Verfahren schweien. Das Schweiverhalten wird durch die nachstehend aufgefhrten Einflussfaktoren bestimmt. Weitere Angaben hierzu sind auch in Abschnitt 8 enthalten.B974908A824A6748CAAAA99B

37、AB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 2216-64.1 E-Modul und mechanische DmpfungMit zunehmender Temperatur fllt der E-Modul leicht ab, und die mechanische Dmpfung steigt geringfgig an. Bis zum Bereich der Glasbe

38、rgangstemperatur Tg haben die nderungen aber keinen signifikanten Einfluss auf das Schweiverhalten, da eine gute Schalleitfhigkeit besonders bei den amorphen Thermo-plasten gegeben ist. Je hher der E-Modul, desto geringer die Dmpfung und damit eine bessere Schalleitfhigkeit, siehe auch Richtlinie DV

39、S 2216-1, Abschnitt 6.1.4.2 FlieverhaltenDas Flieverhalten von Thermoplastschmelzen wird durch die Schmelze-Volumenflierate (MVR) oder die Schmelze-Massen-flierate nach DIN EN ISO 1133-1 und -2 grob gekennzeichnet (Einpunktmesswert bei variabler Schergeschwindigkeit). In den Normen sind die Kombinat

40、ionen von Temperatur und Masse festgelegt, bei der die Flierate zu bestimmen ist. Es knnen nur Werte miteinander verglichen werden, die bei gleichen Prfbe-dingungen (Massetemperatur und Belastungsgewicht) gemessenwurden.Das Plastifizierverhalten in der Fgezone wird entscheidend vom Schmelzeflieverha

41、lten des zu schweienden Werkstoffes be-einflusst, siehe auch Abschnitt 8.1.Allgemein gilt: Leichtflieende Typen mit hoher MVR plastifizierenschneller als zhflieende mit niedriger MVR. Zhflieende Ther-moplaste bentigen eine hhere Temperatur bzw. mehr Energie, um einen fliefhigen (schweibaren) Zustand

42、 zu erreichen. Bei Thermoplasten mit hoher MVR kann die Schmelze schlagartig aus der Fgezone austreten. Die Schweiparameter mssen auf das Schmelzeflieverhalten abgestimmt werden und sind nach deren Einfluss gewichtet: Amplitude Schweiweg / Fgeweg Triggerkraft Schweikraft / -zeit Haltekraft / -zeit U

43、mstellzeit(en) fr Kraft- und/oder Amplitudenniveaus. 4.3 Fll- und VerstrkungsstoffeDas Schweiverhalten wird durch diese Zustze je nach Art und Menge sowie deren Orientierung beeinflusst. Besonders Fasern beeinflussen die Schalleitfhigkeit und das Schmelzeflieverhal-ten (Erhhung der Schmelzestabilitt

44、).4.4 Sonstige ZusatzstoffeBei hohen Konzentrationen von Zusatzstoffen, insbesondere von Fremdpolymeren, Brandschutz-, Gleit- und Trennmitteln, knnen nachteilige Einflsse auftreten.Fremdpolymere beeinflussen dann das Schweiverhalten, wenn sie im Vergleich zum Grundwerkstoff einen unterschiedlichen A

45、uf-bau oder stark abweichende Schmelzbereiche oder -viskositten aufweisen. Fremdpolymere knnen z. B. in Form von Master-batches in den Grundwerkstoff gelangen.4.5 Recyclate, Regranulate, RegenerateIn zunehmendem Mae werden Recyclate (auch aus gebrauch-ten Bauteilen), Regranulate und Regenerate allei

46、n oder in Mischung mit Neuware verarbeitet und die daraus hergestellten Formteile geschweit. Der Einfluss auf die Fgenaht wird in Abschnitt 8.4 beschrieben.4.6 FeuchtigkeitViele Kunststoffe nehmen Wasser aus der Umgebung auf. Die-ses kann zu Blasenbildung in der Schmelze fhren und damit Einfluss auf

47、 das Schweiverhalten haben.4.7 Unterschiedliche Schmelzpunkte der Komponenten beiBlendsBlends werden aus Thermoplasten mit zum Teil unterschiedlichenSchmelztemperaturbereichen hergestellt. Dies fhrt zu hheren Aufschmelzenergien.4.8 Schweieignung von WerkstoffkombinationenGrundstzlich lassen sich ver

48、schiedene amorphe Thermoplaste mit-einander schweien. Problematisch sind dabei Materialpaarungen,deren Glasbergangsbereiche deutlich voneinander abweichen. Die Schweieignung und Fgenahtfestigkeit der Verbindung sind durch Versuche nachzuweisen.Sehr gut schweigeeignet sind folgende Paarungen:4.9 Werk

49、stoffdatenTabelle 1. Werkstoffdaten von amorphen Thermoplasten.ABS mit PMMA PC mit ABSPC+ABS mit PC PC mit PC-GFABS mit SAN SAN mit ABSPC+ABS mit ABSSAN mit ASAWerkstoff Anteil kohrenter Phase Verarbeitungstemperaturfr das SpritzgieenSchmelzeviskositt MVR Wasseraufnahme in Klima23C/50% r. F. bei Sttigung% C ml/10 min C/kg %