Obwohl in der Kunststofftechnik mit Hilfe des Spritzgießverfahrens komplexe Formteile effizient herstellbar sind, entsteht ein finales Bauteil aus Kunststoff häufig erst durch einen nachgeschalteten Fügeprozess. Hier stehen bei Gleichmaterialkombinationen verschiedene Schweißverfahren an erster Stelle. Am Lehrstuhl beschäftigen wir uns am Beispiel des Vibrations- und Infrarotschweißens mit der Auswirkung des Schweißprozesses auf die Morphologie und die Eigenschaften von thermoplastbasierten Nanokompositen. Dabei setzen wir sowohl das Experiment als auch die Modellierung und Simulation zur Analyse, Beschreibung und Vorhersage des Prozessverhaltens, der entstehenden Werkstoffmorphologien und der daraus resultierenden Eigenschaften ein. So konnten wir beispielsweise zeigen, dass die Fließfähigkeit von Thermoplasten durch Zugabe von nanoskaligen Füllstoffen durchaus verbessert werden kann. Dies wirkt sich im Schweißprozess in schnelleren Schmelzedeformationsprozessen und in der Folge im Vergleich zu ungefüllten teilkristallinen Thermoplasten in einer anderen supermolekularen Struktur und letztendlich in mechanischen Eigenschaften aus. Aufgrund der Fließprozesse, die in der Regel normal zur Beanspruchungsrichtung einer Verbindung gerichtet sind, ist die Tragfähigkeit der Verbindung rund 50% unterhalb der des Grundmaterials. Eventuelle Verbesserungen der Leistungsfähigkeit eines Kunststoffs durch die Modifikation mit nanoskaligen Füllstoffen werden daher vollständig zunichte gemacht. Oft liegen die erzielbaren Verbindungsfestigkeit sogar weit unterhalb der Werte von ungefüllten Werkstoffen.

Unser Ziel ist des die prozessbedingte Morphologie (Dispergierung, Verteilung und Ausrichtung von Nanopartikeln, Partikel-/Matrix-Haftung, supermolekulare Struktur der Kunststoffmatrix) so zu steuern, dass Verbindungen mit hoher Belastbarkeit entstehen können. Dabei analysieren wir die Morphologie der Grundmaterialien und in der vom Schweißprozess beeinflussten Zone mit Hilfe der Lichtmikroskopie, der Rasterelektronenmikroskopie und der Transmissionselektronenmikroskopie. Die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen charakterisieren wir mit Hilfe von standardisierten Methoden (Zugversuch, Schlagebiegeversuch). Darüber hinaus untersuchen wir das Kraft-/Verformungsverhalten der Schweißnaht im Mikrozugversuch unter dem Lichtmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop um so das lokale Deformationsverhalten unter Berücksichtigung von Geometrieeffekten beschreiben zu können. Diese Daten speißen wir in ein Nahtmodell ein und simulieren letztendlich das mehrdimensionale strukturmechanische Verhalten der Schweißverbindung mit Hilfe von Finite-Elemente-Methoden (FEM). Ziel ist die virtuelle Optimierung der Verbindungszone hinsichtlich Morphologie und Geometrie und letztendlich die vollständige Ausnutzung der Eigenschaften optimierter Nanokomposite in der industriellen Anwendung.