Prozessmodell für das Hinterspritzen von Dekorfolien in der In-Mould-Labeling Technik. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 1 Online-Ressource (XIV, 207 Seiten). - (Fertigungstechnik - aus den Grundlagen für die Anwendung ; Band 15)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Das Folienhinterspritzen ist ein spezielles Spritzgießverfahren zur Dekoration und Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen. Dabei wird eine transparente Kunststofffolie bedruckt, verformt und hinterspritzt. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Oberflächenqualität und den zahlreichen Dekorationsmöglichkeiten. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, die sich meist nur durch hohe Stückzahlen und einer Vollauslastung der Maschine rechtfertigen lassen. Ansatzpunkte, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, liegen in der Reduzierung der Zykluszeiten und der Ausschussraten. Typische Fehlerbilder beim Folienhinterspritzen sind die Auswaschung der aufgedruckten Dekore durch den Hinterspritzvorgang, Gestaltabweichungen wie Verzug und die Ablösung der Folie vom Träger. Der Arbeit liegt die These zugrunde, dass die Formteilqualität auf die Wechselwirkung zwischen thermischen und mechanischen Randbedingungen zurückgeführt werden kann. Basierend auf einer systematischen Verfahrensanalyse und einer analytischen Betrachtung der thermischen und mechanischen Einflussfaktoren, wird ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung von Prozess-, Material- und Geometriegrößen. Auswaschungen resultieren aus thermischen und mechanischen Folienbelastungen. Dabei können zwei wesentliche Entstehungsmechanismen abgeleitet werden, die von der Wandschubspannung und den Temperaturen abhängen. Es wird gezeigt, dass die Wirkungsweise von Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit von der Höhe der Wandschubspannung abhängt. Die Verbundfestigkeit wird anhand von bedruckten und unbedruckten Folien untersucht, wobei sich unterschiedliche Zusammenhänge zeigen. Während bei unbedruckten Folien die Verbundfestigkeit mit der thermischen Energie in der Grenzschicht steigt, liegt der Einfluss der Prozessparameter bei bedruckten Folien im Bereich der doppelten Standardabweichung. Ferner wird in der vorliegenden Arbeit erstmals die Orientierung betrachtet. Dabei zeigt sich ein vom Fließweg abhängiger Orientierungsverlauf sowie eine Abnahme der Orientierung mit den Temperaturen. Analog hierzu nimmt auch der Formteilverzug mit einem steigenden Temperaturniveau ab, da hohe Temperaturen zu einer Reduzierung der Schwindungsdifferenzen zwischen Folie und Träger führen. Abschließend werden die Erkenntnisse in einem qualitativen Prozessmodell zusammengefasst, das die Haupteinflussfaktoren auf die Formteilqualität beinhaltet und eine Prozessoptimierung zulässt.
https://doi.org/10.22032/dbt.53464
Hybrid thermoplastic-metal joining based on Al/Ni multilayer foils - analysis of the joining zone. - In: Materials and design, ISSN 1873-4197, Bd. 226 (2023), 111561, insges. 16 S.
Multi material pairings like metal-plastic hybrid compounds are becoming increasingly important across all industrial sectors. However, the substitution of metals by plastics leads to a multitude of challenges based on the combination of dissimilar materials. The variations in the chemical and physical properties of the used materials require innovative joining processes. The application of reactive multilayers represents an advanced joining method for flexible and low-distortion joining of dissimilar joining partners by means of a short-term and localized application of thermal energy. In the context of this publication, the joining process between semi-crystalline polyamide 6 and austenitic stainless steel X5CrNi18-10(EN 1.4301 / AlSI304) based on reactive Al/Ni multilayers is investigated. In addition to evaluation of resulting joint strength, the focus of the work is in particular the characterization of the resulting failure behavior at the fracture interface under tensile load and the deriving binding mechanisms in the joint. From the results obtained, it is estimated that a direct bond can be generated between plastic and metal despite the presence of a residual reacted foil in the joining area. The structures present in the metal surface have a particularly positive influence on crack initiation and the resulting increased bond strength.
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111561
A systematic analysis of maximum tolerable tool wear in friction stir welding. - In: Welding in the world, ISSN 1878-6669, Bd. 67 (2023), 2, S. 325-339
Friction stir welding (FSW) is a solid-state joining process with a wide range of applications in the E-mobility, automotive, aerospace and energy industries. However, FSW is subjected to specific challenges including comparatively high process forces and high requirements on the clamping technique as well as tool wear resulting from the tool-workpiece interaction and thermo-mechanical stresses. Geometric-related tool wear can cause premature tool failure, process instabilities or weld seam irregularities. Therefore, tool wear in general, wear limits and tool life are essential factors for the efficient and sustainable implementation of friction stir welding. Against this background, this study analysed areas of significant tool wear on the shoulder and probe as a function of process temperature, weld seam length and weld seam quality. This provided functional correlations for determining limiting conditions on maximum tolerable tool wear. Geometrical deviations of the tool, induced by wear, were detected experimentally at different measuring points on the probe and shoulder and varying weld seam length. The investigations were carried out using a force-controlled robotized welding setup in which AA-6060-T66 sheets with a thickness of 5 mm were joined by weld seams up to 500 m in length. To identify the maximum tolerable tool wear, the weld seam properties were determined by visual and metallographic inspections and by tensile tests at 50-m intervals on the weld seam. It was shown that a 50% reduction in rotational speed (lower temperatures) resulted in less wear and thus in an increase of tool life of up to 150%. In addition, it was shown that the shoulder, like the probe, was also subject to significant wear. These results can be incorporated into FSW maintenance schedules to maximize tool life and minimize scrap rates.
https://doi.org/10.1007/s40194-022-01407-0
Development of evaluation strategies for ultrasonically welded aluminium strands/copper arrester joints :
Erarbeitung von Bewertungsstrategien für ultraschallgeschweißte Aluminiumlitzen-Kupferableiter-Verbindungen. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 5, S. 260-266
Der Beitrag thematisiert die Erarbeitung von Bewertungsstrategien für ultraschallgeschweißte Litze-Ableiter-Verbindungen unter besonderer Berücksichtigung der Litzenverdichtung als zentralen Punkt der Gesamtverbindungsbildung. Dabei wurde gezeigt, dass unabhängig von der Schwingungswirkrichtung (linear, torsional) eine hinreichende Verdichtung und Anbindung der Litzen an den Ableiter und dadurch sehr gute mechanische und elektrische Eigenschaften erzielt werden können. Zur Untersuchung der Möglichkeiten einer erweiterten Prozessüberwachung wurden zudem die maschinenseitigen Anlagendaten (Schweißkurven) ausgewertet und mit den Verbindungsfestigkeiten verglichen. Hierbei konnte die zusammengesetzte Kenngröße der Sonotrodeneindringgeschwindigkeit eingeführt und mit verschiedenen Kompaktierungszuständen (zum Beispiel „überschweißte“ Verbindungen) korreliert werden. Ebenso konnten eine Methodik zur eindeutigen Bewertung des Prozesses und der Schweißergebnisse erarbeitet sowie der Einfluss verschiedener bauteil- und werkstoffspezifischer Einflussgrößen sowie dessen Auswirkungen auf die Litzenverdichtung und Verbindungsbildung betrachtet werden. So zeigte sich, dass für verschiedene herstellerspezifische Litzenverseilungen Anpassungen der Prozessparameter erforderlich sind, um für jeden Litzentyp sehr gute mechanische Eigenschaften zu erzielen. Als weiterer werkstoffspezifischer Einfluss wurden verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten des Litzenkabels untersucht.
Characterization of gas-shielded metal arc welding with small wire diameters - Micro-MSG :
Charakterisierung des Metall-Schutzgasschweißens mit geringen Drahtdurchmessern - Mikro-MSG. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 5, S. 276-282
Das Metall-Schutzgasschweißen (MSG) ist ein weit verbreitetes Fügeverfahren, dessen Leistungsbereich durch die kommerziell eingesetzten Drahtdurchmesser (0,8 bis 1,6 mm) bislang eingegrenzt wird. Zur Verringerung des Energieeintrags und des Schmelzbadvolumens ist daher der Einsatz geringerer Drahtdurchmesser, beispielsweise für das Fügen von Feinblech, von hohem Interesse. Im hier vorgestellten Forschungsvorhaben wurde das Metall-Schutzgasschweißen mit dünnen Drahtdurchmessern von 0,8 bis 0,4 mm (Mikro-MSG) grundlegend untersucht. Hierbei erfolgten neben der Analyse des Lichtbogenverhaltens und des Wärmeeintrags ebenso Untersuchungen zu schweißtechnischen Kenngrößen wie Lichtbogenleistung oder abgeschmolzener Drahtmasse. Dabei konnte eine Reduzierung der Lichtbogenleistung um bis zu 80% und eine damit einhergehende Reduzierung des Wärmeeintrags in den Grundwerkstoff erreicht werden. Diese Erkenntnisse wurden modellhaft für das Fügen von Feinblech (t = 0,5 mm) mit verschiedenen Stoßarten (zum Beispiel I-Naht am Stumpfstoß, Kehlnaht am Überlappstoß) mittels Mikro-MSG-Verfahren eingesetzt.
Highly productive GMAW joint welding using filler wire and magnet-induced twodimensional arc deflection :
Hochproduktives MSG-Verbindungsschweißen durch den Einsatz von Zusatzheißdraht und einer magnetinduzierten zweidimensionalen Lichtbogenauslenkung. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 4, S. 204-211
Der Schwerpunkt der hier vorgestellten Untersuchungen zum MSG-Verbindungsschweißen mit dem Einsatz von Zusatzheißdraht lag auf der Verringerung der thermischen Beanspruchung durch die Separierung des Werkstoff- und Wärmeeintrags sowie auf der flächenmäßigen Verteilung des Energieeintrags durch eine magnetinduzierte zweidimensionale Lichtbogenauslenkung. Dabei wurde die Auslenkung des Lichtbogens zum einen über einen Gleichstrom(DC)-Heißdraht und eine eigens entwickelte Magneteinheit, zum anderen über das Wechselspiel zweier Wechsel-strom(AC)-Heißdrähte erzeugt. Somit wurden Abschmelzleistungen größer als 15 kg/h ermöglicht und eine davon unabhängige Einstellung der mechanisch-technologischen Eigenschaften erzielt. Hierzu erfolgte eine umfangreiche Charakterisierung der Prozesse am niedriglegierten Baustahl S355 (Zusatzwerkstoff: G4Si1) sowie am hochlegierten, rostfreien Stahl X5CrNi18-10 (Zusatzwerkstoff: G19-9-LSi). Die Abschmelzleistung wurde hinsichtlich des Energieeintrags und des resultierenden Temperatur-Zeit-Verlaufs variiert, um Erkenntnisse zu geometrischen und metallurgischen Eigenschaften zu erarbeiten. Weiter wurden der Einfluss des Heißdrahts auf die Verbindungsausbildung bewertet und geeignete Drahtvorschubverhältnisse erarbeitet. Abschließend wurden unterschiedliche Auslenkmuster untersucht, um die Anbindung der Werkstoffe zueinander sowie das Benetzungs- und Einbrandverhalten gezielt anzupassen. Das Forschungsvorhaben liefert erstmalig Erkenntnisse zum heißdrahtunterstützten MSG-Verbindungsschweißen mit zusätzlicher magnetinduzierter Lichtbogenauslenkung.
Development of an arc-based additive manufacturing of near-net-shape Ti6Al4V components using wire under controlled heat input and removal :
Entwicklung einer lichtbogenbasierten, additiven Herstellung endkonturnaher Ti6Al4V-Bauteile mit Draht unter kontrollierter Wärmezu- und -abfuhr. - In: Schweissen und Schneiden, ISSN 0036-7184, Bd. 74 (2022), 7/8, S. 472-478
Untersucht wurde der additive Fertigungsprozess von Bauteilen aus Ti-6Al-4V unter Verwendung des Metall-Schutzgas-Schweißens (MSG). Der Schwerpunkt des Projektes lag auf der systematischen Erarbeitung wirtschaftlicher additiver Aufbaustrategien und der Analyse der Temperatur-Zeit-Verläufe während des Aufbauprozesses sowie der Untersuchung der resultierenden Eigenschaften. Hierbei erfolgte die Aufstellung eines Schweißbereichsdiagramms mit Empfehlungen von Prozesseinstellungen für die additive Fertigung mit dem geregelten Kurzlichtbogen sowie eine Darstellung möglicher Fehlerbilder außerhalb des aufgezeigten Bereichs. Zum Herstellen dickwandiger Strukturen wurden durch Modifikation des Schweißpfads verschiedene Aufbaustrategien untersucht und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet. Aufbauend auf den Ergebnissen konnten additive Strukturen unter Variation des Temperatur-Zeit-Verlaufs hergestellt werden, um Erkenntnisse zu ausgewählten geometrischen, metallurgischen und mechanisch-technologischen Eigenschaften zu erarbeiten. Verwendet wurden hierfür unterschiedliche Streckenenergien, Strukturabmessungen und Zwischenlagentemperaturen. Das Forschungsvorhaben lieferte umfangreiche Erkenntnisse zur additiven Verarbeitung des Werkstoffs Ti6Al4V unter Verwendung des MSG-Schweißens, insbesondere hinsichtlich des Temperatur-Zeit-Verlaufs und der daraus resultierenden Eigenschaften.
Entwicklung und Validierung einer Methodik zur anwendungsnahen Beschreibung des Werkzeugverschleißes an Rührreibschweißwerkzeugen. - In: DVS Congress 2022 - Große Schweißtechnische Tagung - DVS Campus, (2022), S. 62-68
Optimization of the ultrasonic crimping process of high-frequency litz wires by using process data monitoring. - In: 2022 12th International Electric Drives Production Conference (EDPC), (2022), insges. 7 S.
From a technological point of view, the contacting process of insulated wires to contact elements is one of the most complex steps in electromechanical engineering. To establish an electrical and mechanical connection of winding ends and contact elements, commonly the wire is stripped before the actual contacting process. However, for high-frequency litz wires, consisting of up to several thousand insulated single wires, the stripping process cannot be carried out in advance. Therefore, processes such as hot crimping or ultrasonic crimping, in which the insulation is thermally removed during the crimping process, are used. The latter is characterized by a significantly lower process energy consumption compared to the hot crimping process. It is therefore most attractive for future applications, but process optimization strategies have hardly been addressed in the literature. Within the scope of this publication, several possibilities of optimizing the process of ultrasonic crimping are investigated by means of systematic process data analysis. For this analysis, directly available data from the control system like the required process energy as well as additionally acquired sensor data, such as the sonotrode oscillation, are taken into account and a variation of process control variables as well as the cable lug clamping is conducted.
https://doi.org/10.1109/EDPC56367.2022.10019751
Entwicklung einer lichtbogenbasierten, additiven Herstellung endkontur-naher Ti-6AI-4V-Bauteile mit Draht unter kontrollierter Wärmezu- und -abfuhr. - In: #additivefertigung: Metall in Bestform, (2022), S. 135-142