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Düse verbessert Kunststoffschweißen

Pleidelsheimer Unternehmen GMB optimiert mit Neuentwicklung Verfahren in einem Projekt mit der Hochschule Esslingen

Aus den in einer Reihe stehenden Runddüsen strömt der erhitzte Stickstoff aus. Die oben angebrachte Aufsatzdüse optimiert dabei den Kunststoffschweißprozess. Überprüft wird der der Vorgang mit einer Infrarotkamera (im roten Gehäuse) Foto: GMB
Aus den in einer Reihe stehenden Runddüsen strömt der erhitzte Stickstoff aus. Die oben angebrachte Aufsatzdüse optimiert dabei den Kunststoffschweißprozess. Überprüft wird der der Vorgang mit einer Infrarotkamera (im roten Gehäuse) Foto: GMB

Pleidelsheim. Schweißen ist eine Kunst. Dies gilt auch für thermoplastische Kunststoffe, die in der Industrieproduktion eingesetzt werden – im Automotive-Sektor, in der Medizintechnik und anderen Branchen. Ihre Vorteile: Die Teile sind leicht, stabil, resistent gegen korrosive Chemikalien – und man kann sie in jede Form bringen. Häufig findet man sie im Motorraum: Ölabscheider, Ansaugsysteme, Kühlkreislaufteile oder Ölfilter können so hergestellt werden. Oft werden sie aus zwei Teilen durch ein Fügeverfahren – häufig Schweißen – zusammengebracht. Dabei werden „berührungslos erwärmende Fügeverfahren“ bei Kühlmittelverteilern oder Batteriegehäusen für Elektroautos eingesetzt.

Kunststoffe mit verschiedenen Basispolymeren (Polyamide) und Glasfaseranteilen gehören in die Welt der GMB Kunststoffteile GmbH in Pleidelsheim. Das mittelständische Unternehmen ist auf den Vorrichtungsbau in der Kunststofffügetechnik und die Prozessentwicklung von Schweißprozessen spezialisiert. Bekannt ist GMB für Prototypen und Kleinserien. Günter Böhler, Geschäftsführer der Pleidelsheimer Firma, die im vergangenen Oktober 25 Jahre alt geworden ist, befasst sich seit Jahrzehnten mit Kunststoffschweißverfahren, kennt Vor- und Nachteile, ob es sich um Vibrationsschweißverfahren handelt, um Ultraschall-, Rotations-, Heizelement- oder Heißgasschweißen geht.

GMB hat es sich zur Aufgabe gemacht, das Heißgasschweißverfahren zusammen mit dem Labor für Kunststofftechnik der Hochschule Esslingen zu optimieren und eine Expertise aufzubauen, wie es bei den etablierten Verfahren der Fall ist. Böhler setzt mit seinem sechsköpfigen Team auf das Heißgasschweißen. „Ich habe vor zehn Jahren mit eigenen Versuchen angefangen“, sagt er. Die Vorteile liegen für ihn und seinen Co-Geschäftsführer und Sohn Steffen Böhler auf der Hand. Man könne so größere, anspruchsvolle Bauteile schweißen. „Es gibt keine Brandgefahr wegen einer Überhitzung der Teile wie beim Infrarotschweißen“, weiß Günter Böhler. „Anders als beim Vibrationsschweißen kann es bei diesem berührungslosen Verfahren nicht zu Verunreinigungen durch Materialstäube im Inneren der Bauteile kommen“, sagt Steffen Böhler. Denn diese könnten durch wenige Partikel im System verstopfen. Partikelfreiheit in Bauteilen wird in der Autoindustrie gefordert. Denn die Bauteile wurden in den vergangenen Jahren immer kleiner und komplexer. Ihre Miniaturisierung macht sie aber durch den Fügeprozess auch anfälliger für Verschmutzung. Auch GMB legt mit Vibrationsschweißen Kleinserien auf. Ein Mitarbeiter ist derzeit mit einer kleinen Serie von Ölabscheidern für Motoren beschäftigt.

Doch kein Verfahren ist so gut, dass es nicht verbessert werden könnte. Das gilt auch für das Heißgasschweißen, das sich laut Günter Böhler zu einem Standard entwickelt hat. GMB hat in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem Esslinger Labor für Kunststofftechnik eine neuartige Aufsatzdüse entwickelt. Diese wird nachträglich auf einen Heißgasspiegel montiert, der die Schweißkontur durch in Reihe angeordnete Runddüsen abbildet. Der aus den Düsen austretende heiße Stickstoff schmilzt den Kunststoff. Dabei optimiert die Aufsatzdüse den Schweißprozess. GMB und die Hochschule Esslingen sind in einem zweijährigen Forschungsprojekt, das durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand des Bundes gefördert wird. „Die Firma GMB ist sehr innovativ und handelt nachhaltig. GMB ist es gelungen, einen neuen Standard in Sachen Heißgasschweißen zu setzen“, fasst Professor Matthias Deckert, Leiter des Labors für Kunststofftechnik, die bisherigen Forschungsergebnisse zusammen. Das Projekt läuft bis Jahresende, ein Nachfolgeprojekt ist in Vorbereitung.

„Die schlechte Kontrollierbarkeit der Oberflächentemperatur bei der Runddüse und die langen Erwärmungszeiten haben den Denkanstoß für die Aufsatzdüse gegeben“, sagt Günter Böhler. „Die Aufsatzdüse ist strömungsoptimiert und umschließt den Fügebereich, der Kunststoff taucht quasi in die Düse hinein.“ Johannes Schmid, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Kunststofftechnik-Labors, geht ins Detail. Die Aufsatzdüse erwärme den Kunststoff viel effizienter. „Die Erwärmungsphase ist gegenüber einer Runddüse um 50 bis 60 Prozent kürzer“, erklärt Böhler. Entsprechend sei der Verbrauch des Schutzgases Stickstoff mindestens 50 Prozent geringer. „Beim Prototypenbau ist die Ersparnis nicht so interessant“, führt er aus. „Bei der Großserie mit einer Million Teile machen sich die kürzere Erwärmungszeit und der geringere Gasverbrauch bemerkbar.“ Hinzu komme, dass die Erwärmung des Fügebereichs gleichmäßiger sei, es nicht wie bei der Runddüse zu einer „Kraterbildung im Fügebereich“ komme. Das Schweißen sei durch die Aufsatzdüse besser beherrschbar.

„Die Aufsatzdüse eröffnet ein breiteres Prozessfenster, kürzere Erwärmungszeiten und führt zur größeren Akzeptanz des Heißgasschweißens“, sagt Schmid. „Es werden Werkstoffe schweißbar, welche vorher nicht oder nur schwer mit dem Heißgasschweißprozess schweißbar waren. Neue Werkstoffe eröffnen neue Anwendungsfelder.“ Zudem werden die Düsen vor Beschädigungen geschützt. „Wir glauben, dass wir mit der GMB dem Heißgasschweißen eine neue Entwicklungsstufe mitgegeben haben“, sagt Schmid.

Eine Lizenzvereinbarung mit der Bielefelder Firma KVT, die die Basismaschine herstellt, ermöglicht GMB die Herstellung von Prototypen- und Kleinserien-Schweißwerkzeugen. Ergänzt hat GMB die Anlage durch ein Kraftweg-Messsystem und ein Infrarotkamera-System, das die Oberflächentemperatur der Schweißnaht erfasst und dokumentiert. So kann die Qualität geprüft werden. „Man sieht sofort, ob eine Düse verstopft und die Schweißnaht nicht optimal ist“, sagt Steffen Böhler. Für einen Kunden hat GMB den Heißgasspiegel mit der Aufsatzdüse nachgerüstet. Weitere Firmen haben angefragt.

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