Schweißen

– an dieser Stelle geht es um das Schweißen von Kunststoffen. Biokunststoffe finden ihre Verwendung in erster Linie in der Verpackungsindustrie, dem Garten- und Landschaftsbau und der Medizintechnik.

Ihre Anwendungsvielfalt und ihr Markt anteil wachsen jedoch zunehmend. Sie werden auch immer häufiger als beständige Polymerwerkstoffe für technische Anwendungen nachgefragt. Um die Biokunststoffe erfolgreich sowohl als Verpackungsmaterialien als auch als technische Werkstoffe anwenden zu können, müssen diese Werkstoffe u. a. über eine gute Schweiß- und Klebbarbarkeit verfügen.

Materialien

Bei den im Kapitel Verbindungstechnik untersuchten Biokunststoffen handelt es sich um kommerziell erhältliche Biokunststoffe mit entsprechender Marktrelevanz. Die untersuchten Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Übersicht der im Abschnitt Verbindungstechnik untersuchten Materialien
Materialklasse	Hersteller	Typ
PLA	NatureWorks	Ingeo 3251D
PLA	NatureWorks	Ingeo 4032D
PLA	NatureWorks	Ingeo 4043D
PLA	NatureWorks	Ingeo 4060D
PLA	Simona	SimoGreen natur
PLA	Simona	SimoGreen grün
PHB	Metabolix	Mirel P1004

Schweißen

Kunststoffe können generell durch unterschiedliche Schweißverfahren miteinander verbunden werden, wie z. B. durch Wärmekontakt-, Ultraschall-, Hochfrequenz-, Infrarotschweißen etc. Die Verfahrensauswahl wird in den meisten Fällen durch die zu schweißenden Materialien und die entstehenden Kosten vorgegeben, da jedes Verfahren werkstoff- und anwendungsspezifische Vor- und Nachteile hat.

Eine Vielzahl von Einflussfaktoren kann die Schweißnahtqualität beeinflussen. In erster Linie sind hier die Materialeigenschaften wie z. B. E-Modul und Schmelztemperatur aber auch die Schweißparameter zu nennen. Für ein einwandfreies Schweißen liegen für die meisten petrochemisch basierten Kunststoffe vom „Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V.“, DVS, Empfehlungen vor. Für Biokunststoffe fehlen solche Empfehlungen jedoch komplett. Deshalb sind in den nachfolgenden Tabellen grundlegende Schweißparameter für ausgewählte Biokunststoffe den Tabellen 2–6 aufgeführt.

Tabelle 2: Heizelementstumpfschweißen

*Untersuchte Probengeometrie: 170 x 15 x 5 mm³ (Parallelzugstab)
Material*	Angleichzeit (s)	Abkühlzeit (s)	Angleichdruck (MPa)	Fügekraft (MPa)	Anwärmdruck (MPa)	Heizelementtemperatur (°C)	Anwärmzeit (s)
SimoGreen grün	2	100	0,05	0,05	0,00	190–250	15–50
Ingeo 3251D	2	100	0,25	0,25	0,00	190–250	10–50

Tabelle 3: Wärmekontaktschweißen

*Untersuchte Probengeometrie: Folie mit einer Dicke von 50 μm
Material*	Schweißzeit (s)	Schweißdruck (MPa)	Heizelementtemperatur (°C)
Ingeo 4060 D	0,1–0,9	1,0–3,5	95–140
Ingeo 4032 D	0,1–0,9	1,0–3,5	95–150
Ingeo 4043 D	0,1–0,9	1,0–3,5	110–150

Tabelle 4: Ultraschallschweißen

*Untersuchte Probengeometrie: Folie mit einer Dicke von 50 μm
Material*	Schweißzeit (s)	Schweißkraft (N/mm)	Amplitude (μm)
Ingeo 4060 D	0,1–0,5	1,2–1,6	15,8–22,1
Ingeo 4032 D	0,1–0,5	0,6–1,6	15,8–28,4
Ingeo 4043 D	0,1–0,7	1,2–1,6	15,8–25,3

Tabelle 5: Hochfrequenzschweißen

*Untersuchte Probengeometrie: Folie mit einer Dicke von 50 μm
Material*	Schweißzeit (s)	Schweißdruck (N/mm)	Spannung an der Elektrode (V)
Ingeo 4060 D	0,4–0,9	0,8–3,2	700–1200
Ingeo 4032 D	0,4–0,9	0,8–3,2	700–1100
Ingeo 4043 D	0,4–0,9	0,8–3,2	700–1100

Tabelle 6: Infrarotschweißen

*Untersuchte Probengeometrie: Probekörper Typ 1A nach DIN EN ISO 527-2
Material*	Leistung (%)	Anwärmzeitzeit (s)	Abkühlzeit (s)	Fügedruck (MPa)
SimoGreen grün	50–80	25–60	30	0,05
Ingeo 3251D	50–70	40–60	30	0,80

Zusammenfassung:

Die am Markt verfügbaren Biokunststoffe lassen sich hervorragend mit herkömmlichen Schweißverfahren wie u. a. Wärmekontakt-, Ultraschall-, Hochfrequenz-, Heizelementstumpf- und Infrarotschweißen stoffschlüssig verbinden. Erfreulicherweise müssen an Schweißmaschinen keine speziellen konstruktiven Änderungen vorgenommen werden. Jedoch ist zu beachten, dass jeder Werkstoff sein eigenes Verarbeitungsprozessfenster aufweist. Werden Biokunststoffe mit für den Werkstoff geeigneten Schweißbedingungen verarbeitet, führt dies zu einer zielführenden Verbindung (ein Kurzzeit-Schweißfaktor von 1,0 kann ohne Weiteres erreicht werden).

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