Ein Beitrag zum Verständnis des Erwärm- und Schweissverhaltens thermoplastischer Kunststoffe beim Mikrowellenschweissen

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Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen mit beiden Verfahrensvarianten, dem Schweißen ohne und mit Zusatzwerkstoff, vorgestellt. Zum direkten Mikrowellenschweißen wurde in grundlegenden systematischen Untersuchungen die MW-Erwärmbarkeit und -Schweißeignung verschiedener technischen Kunststoffe beurteilt. Letztendlich werden die Materialien PVDF, POM und PBT als geeignet eingestuft. Anhand von Schweißversuchen werden die erreichbaren Festigkeiten sowie deren Abhängigkeiten von den Verfahrens-Parametern Mikrowellen-Leistung, Heizzeit, und Fügedruck aufgezeigt. Diesen Versuchsresultate werden Messergebnisse der dielektrischen Materialeigenschaften gegenübergestellt. Weiterhin wird der Zusammenhang zwischen der Schweißnahtfestigkeit und dem resultierenden Fügeweg beschrieben. Für die Werkstoffe PVDF und POM kann gezeigt werden, dass ein Mindest-Fügeweg für gute Festigkeiten existiert. Für das direkte MW-Schweißen werden die Kennzahlen Lo/d und sF/Lo ermittelt und mit den für das Heizelementschweißen bekannten Optimierungskriterien verglichen. Für die sF/Lo-Werte wird eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Vorgabewert erreicht. Aufgrund des speziellen Aufschmelzverhaltens der verwendeten MW-Anlage weicht der Wert des Lo/d­ Verhältnisses des direkten MW-Schweißens jedoch deutlich von dem des Heizelementschweißens ab. Im Rahmen der Untersuchungen zum indirekten Mikrowellenschweißen wurden verschiedene Zuschlagsstoffe untersucht, die zur Modifikation von im reinen Zustand inaktiven Kunststoffen in Frage kommen. Diese Stoffe werden durch ihre Erwärmung bei MW­ Bestrahlung in einem Hohlleitersystem charakterisiert. Es wird gezeigt, dass nur bei wenigen Stoffen eine für eine technisch relevante Erwärmung ausreichende Aktivität besteht. Dies sind Metallpigmente (verschiedene aluminium- und bronzebasierte Farbmittel), Ruß, Kohlefasern sowie ein anorganisches Schwarzpigment. Als wesentliche Einflussgröße wird der Zusammenhang zwischen der eingemischten Konzentration der genannten Zuschlagsstoffe und der Erwärmbarkeit dargestellt. Anhand der betrachten Aluminiumpigmente wird weiterhin der Zusammenhang zwischen der Partikelgröße des Pigments und der Erwärmbarkeit des Gemisches dargestellt. Es liegt offensichtlich eine für die Mikrowellenabsorption optimale Partikelgröße vor. Als Hinweis auf die Komplexität und schwierige Beherrschbarkeit der Mikrowellentechnik werden Phänomene wie thermischer Runaway und Funkenüberschlag sowie die Fortleitung der MW-Leistung beschrieben und anhand von anlagen- und materialspezifischen Eigenschaften erklärt. Diese Probleme und Schwierigkeiten zeigen, dass das Mikrowellenschweißen ein Verfahren ist, das zurzeit noch nicht für den industriellen Einsatz geeignet ist. Es wird dennoch deutlich, dass hier Potenziale vorliegen, die es in der weiteren Entwicklung auszuschöpfen gilt. Abschließend wird ein Vergleich des Energiebedarfes bezogen auf die Fügefläche des direkten Mikrowellenschweißens zum Heizelement- und Vibrationsschweißen vorgestellt. Es wird festgestellt, dass das direkte MW-Schweißen ein vergleichsweise energiesparendes Schweißverfahren darstellt.