Genre: Technik

Hochgefüllte Kunststoffe mit thermischer Funktionalität eröffnen in vielfältiger Weise wissen-schaftliche Fragestellungen zur Materialentwicklung, -herstellung und Weiterverarbeitung in Kunststoffverarbeitungsprozessen. Das thermische Fügen von Komponenten aus wärmeleitenden Kunststoffen findet jedoch erst in jüngster Zeit forschungsseitig Aufmerksamkeit und wird in der vorliegenden Abhandlung erstmalig am Beispiel von Graphitkompositen dargestellt. Der Fokus liegt dabei auf einer Variation des Füllstoffgehalts sowie des Graphittyps. Unter Berücksichtigung der zum Kunststoffschweißen werkstofflich relevanten Materialeigenschaften werden zunächst alle eingesetzten Graphitkomposite experimentell thermisch, rheologisch und mechanisch charakterisiert. Auf Basis unterschiedlicher Kunststoffschweißverfahren folgen Analysen des material- und verfahrensspezifischen Schweißverhaltens. In diesem Zusammenhang sind füllstoffbedingte Einflüsse auf die Schweißnahtausbildung prozessübergreifend beschrieben. Als grundlegendes Kriterium zur Bewertung der angestrebten stoffschlüssigen Fügeverbindung dient hierbei das Schweißnahtversagen unter Kurzzeitzugbelastung sowie eine Abschätzung des Schweißfaktors. Insgesamt zeigt sich, dass nicht nur die Füllstoffmenge und der im Komposit enthaltene Graphittyp einen Einfluss auf die Schweißnahtausbildung haben. Vielmehr liegt eine wesentliche Herausforderung darin, das wärmeableitende Kompositmaterial lokal auf eine ausreichend hohe Schweißtemperatur zu erwärmen. Allgemein konnte in den Fügeversuchen mit etablierten Kunststoffschweißverfahren keine hochwertige Schweißnaht realisiert werden, da die Wärmeleitungsvorgänge in einem gewissen Maß den Schweißprozess dominieren. Gemessen an der Grundmaterialfestigkeit besteht jedoch ein deutliches Verbesserungspotenzial. Mit dem Ziel die thermischen Materialeigenschaften gezielt für den Schweißprozess zu nutzen, folgt Entwicklung eines materialangepassten Schweißverfahrens. Das zuvor erarbeitete Prozess- und Werkstoffverständnisses zum Schweißen thermisch hochleitfähiger Kunststoffkomposite fließt in diesen Teil der Arbeit mit ein. Basierend auf Berstdrucktests und Dichtheitsprüfungen (Luft) wird das Einsatzpotenzial des sogenannten variothermen Heißverpressens aufgezeigt. Dies erfolgt anhand eines mit 60 Gew.-% gefüllten Graphitkomposits sowie im Hinblick auf die Realisierung einer Hybridverbindung mit einem Fügepartner ohne Füllstofffunktionalisierung.

Hochgefüllte Kunststoffe mit thermischer Funktionalität eröffnen in vielfältiger Weise wissen-schaftliche Fragestellungen zur Materialentwicklung, -herstellung und Weiterverarbeitung in Kunststoffverarbeitungsprozessen. Das thermische Fügen von Komponenten aus wärmeleitenden Kunststoffen findet jedoch erst in jüngster Zeit forschungsseitig Aufmerksamkeit und wird in der vorliegenden Abhandlung erstmalig am Beispiel von Graphitkompositen dargestellt. Der Fokus liegt dabei auf einer Variation des Füllstoffgehalts sowie des Graphittyps. Unter Berücksichtigung der zum Kunststoffschweißen werkstofflich relevanten Materialeigenschaften werden zunächst alle eingesetzten Graphitkomposite experimentell thermisch, rheologisch und mechanisch charakterisiert. Auf Basis unterschiedlicher Kunststoffschweißverfahren folgen Analysen des material- und verfahrensspezifischen Schweißverhaltens. In diesem Zusammenhang sind füllstoffbedingte Einflüsse auf die Schweißnahtausbildung prozessübergreifend beschrieben. Als grundlegendes Kriterium zur Bewertung der angestrebten stoffschlüssigen Fügeverbindung dient hierbei das Schweißnahtversagen unter Kurzzeitzugbelastung sowie eine Abschätzung des Schweißfaktors. Insgesamt zeigt sich, dass nicht nur die Füllstoffmenge und der im Komposit enthaltene Graphittyp einen Einfluss auf die Schweißnahtausbildung haben. Vielmehr liegt eine wesentliche Herausforderung darin, das wärmeableitende Kompositmaterial lokal auf eine ausreichend hohe Schweißtemperatur zu erwärmen. Allgemein konnte in den Fügeversuchen mit etablierten Kunststoffschweißverfahren keine hochwertige Schweißnaht realisiert werden, da die Wärmeleitungsvorgänge in einem gewissen Maß den Schweißprozess dominieren. Gemessen an der Grundmaterialfestigkeit besteht jedoch ein deutliches Verbesserungspotenzial. Mit dem Ziel die thermischen Materialeigenschaften gezielt für den Schweißprozess zu nutzen, folgt Entwicklung eines materialangepassten Schweißverfahrens. Das zuvor erarbeitete Prozess- und Werkstoffverständnisses zum Schweißen thermisch hochleitfähiger Kunststoffkomposite fließt in diesen Teil der Arbeit mit ein. Basierend auf Berstdrucktests und Dichtheitsprüfungen (Luft) wird das Einsatzpotenzial des sogenannten variothermen Heißverpressens aufgezeigt. Dies erfolgt anhand eines mit 60 Gew.-% gefüllten Graphitkomposits sowie im Hinblick auf die Realisierung einer Hybridverbindung mit einem Fügepartner ohne Füllstofffunktionalisierung.