Für die Eckreflektoren eines Automobils ergab sich folgende Ausgangslage: Sie haben eine dreidimensionale Krümmung, wobei die Stoßfängerecke über 120° abgewinkelt verläuft. Zusammen mit der Teilegröße schied das US-Schweißen aus, auch mit der Lineartechnik wäre dieses Projekt aufgrund der zu großen Auslenkung in der Teillängsachse nicht realisierbar gewesen. Eine weitere Möglichkeit wäre lineares Vibrationsschweißen mit Querschwingung zur Krümmung. Das wurde ebenso verworfen, um die bekannte Fusselbildung nicht zum Optikgegner zu haben! Andere thermische Fügeverfahren wurden auch erwogen, schieden aber wegen der erwarteten Formabweichungen der Spritzteile zueinander und der längeren Prozesszeiten aus.
Am Anfang stand der Versuch
Fischer sind Spezialisten für multidirektionalen Zirkularreibschweißen, also entschied man sich für Versuche mit diesem Verfahren. Aus PMMA-Platten mit einer Stärke von 6 mm wurde zunächst die Eckkontur um 120° ausgefräst. Danach erfolgte die Herstellung eines speziellen Klemmwerkzeugs, in welchem die Teilehälften eingelegt und geklemmt wurden. Das Versuchswerkzeug wurde dann auf dem Maschinentisch ausgerichtet und die ersten Schweißversuche wurden durchgeführt. Bereits die ersten Schweißungen zeigten verblüffend gute Ergebnisse. Die Naht wurde vollkommen durchgeschweißt und war homogen wie auf einer geraden Platte gefügt. Entscheidend ist, bei geringen Anfangsschweißkräften früh in die Schmelzephase zu kommen und dann mit einem anderen Druckprofil weiter in der stationären Phase zum Wegende zu schweißen. Zugute kommt dem Prozess eine robuste Zwangskreisschwingung, durch eine patentierte Spindel mit Exzenter-Schnellverstellung wird die Kreisschwingung gesteuert. Diese geht in die Reibphase und zurück zur Ausgangsmitte für die folgende Kühlphase, unter der die Teile zueinander exakt und deckungsgleich in weniger als 50 ms positioniert werden. Nach einer kurzen Kühlhaltezeit ist das Produkt bereits fertig gefügt. Die ganze Prozesszeit beträgt nur 8 s bei immerhin 1,1 mm Schweißweg.
Wahlmöglichkeiten
Dabei entscheidet der Betreiber ob er seine Teiletoleranzen zugunsten der Teilestärke oder exakt gleiche Schweißwege einhalten will. Beides ist programmierbar und wird entsprechend im Prozess überwacht. Ebenfalls kennt der Betreiber seine Spritzteile und deren Verzug, dieser ist aber unkritisch beim Fügeprozess der Formhälften. Durch die passgenaue Aufnahme werden die Teilehälften in diese hineingedrückt und bleiben unter dem Fügedruckeinfluss bis zum Schweißende in ihrer Position, damit ist die Formgenauigkeit regelrecht eingefroren.
Die paar Probleme
Damit ist noch nicht die Unparallelität zwischen den Fügepartnern in der Fügeebene ausgestanden. Beim Präzisionsschweißen mit Zirkularschwingung werden bis 25% des Fügeweges Unparallelitäten ausgeglichen. Größere Fehler macht der Prozess zwar mit, aber diese Zonen sind Schwachstellen in der Fügefläche und werden später undicht oder halten im Verbund nicht gut. Zudem durchläuft die Zirkularschwingung vier Quadranten des Kreises, bei dem die Schwingrichtung sich automatisch in Richtung der stabilsten Wandung oder des stabilsten Schweißstegs orientiert und garantiert in der Fügerichtung schweißt, wobei die labile Richtung der Wandung weniger stark zum Mitschwingen angeregt wird als bei einer üblichen Querschweißung des linearen Vibrationsschweißens. Selbst eine sehr labile Wandung wird geschweißt, während dieselbe quer zur Wandrichtung mitschwingen kann, dieser Effekt ist einmalig günstig und verhindert bei derartiger Nahtvorlage, dass der Prozess „hängen bleibt“.
Hybridfügen für Reinheit
Mit mittel- oder kurzwelliger Vorheizung, in wenigen Sekunden einwirkend, werden die üblichen Reinheitsanforderungen erfüllt. Die Schweißfestigkeit ist dabei immer nahe der Materialgrundfestigkeit, weil die Materialien gerade in der Formtrennung der Fügezone beheizt und final durch die Schweißkinematik vermischt werden. Es ist anzunehmen, dass Verstärkungsfasern dabei die Schweißzone verstärken, weil sie nicht komplett „plattgebügelt“ werden. Überhitzungen im geheizten Fügebereich, wie sie bei rein thermischen Fügeprozessen vorkommen, sind bei der Vorheiztechnik infolge der viel kürzeren Heizzeit ausgeschlossen. Weil die Kreisschwingung keine schädigenden Beschleunigungen aufweist, wie sie beim Ultraschallschweißen (US) und auch bei linearen Systemen vorliegen, werden elektronische Bauteile nicht beschädigt.
Quelle: K-Zeitung, 19.12.2014 Ausgabe 24, www.k-zeitung.de