Systematische Analyse des Verschweißprozesses von Schaumpartikeln mittels dielektrischer Erwärmung

Titelangaben

Dippold, Marcel:
Systematische Analyse des Verschweißprozesses von Schaumpartikeln mittels dielektrischer Erwärmung.
Bayreuth , 2026 . - XIV, 149 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Partikelschäume werden in zahlreichen technischen Anwendungen eingesetzt, erfordern jedoch zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile eine nachträgliche Verschweißung der einzelnen Schaumpartikel. Konventionell erfolgt dieser Prozess mittels heißem Wasserdampf, was mit erheblichen energetischen Nachteilen sowie materialseitigen Einschränkungen verbunden ist. Die Radiowellen-Technologie (RF) stellt eine dampflose Alternative dar und bietet ein hohes Potenzial zur Energieeinsparung sowie zur Erweiterung des verarbeitbaren Materialspektrums. Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau eines grundlegenden physikalischen Prozessverständnisses für das Radiowellen-Verschweißen von Schaumpartikeln. Am Beispiel eines kommerziellen expandierten thermoplastischen Polyurethans (ETPU) werden die Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften, elektromagnetischem Wechselfeld und resultierenden Bauteileigenschaften untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der dielektrischen Erwärmung als zentralem Wirkmechanismus. Zunächst werden die thermischen und dielektrischen Eigenschaften des Grundpolymers und der Schaumpartikel in Abhängigkeit von Temperatur, Frequenz und Dichte analysiert. Zur Beschreibung der Schaumpartikel als Zweiphasensystem wird ein Mischungsmodell entwickelt, mit dem die dielektrischen Eigenschaften aus den Kennwerten des Vollmaterials vorhergesagt werden können. Ergänzend wird ein Labormessverfahren zur quantitativen Bestimmung der Verschweißfestigkeit einzelner Schaumpartikel etabliert, wodurch der Verschweißmechanismus auf Basis einer grenzflächennahen Rekristallisation aufgeklärt wird. Darauf aufbauend werden Verarbeitungsversuche im RF-Prozess durchgeführt und die Generatorleistung sowie die Temperaturentwicklung im Bauteil analysiert. Der Einfluss der Prozessparameter auf Oberflächenqualität und mechanische Eigenschaften wird bewertet. Abschließend werden die experimentell ermittelten Kennwerte in einen digitalen Zwilling überführt. Eine gekoppelte elektro-thermische und mechanische Simulation ermöglicht die Vorhersage des Temperaturfeldes, der Verschweißfestigkeit und des Versagensverhaltens unter Zugbeanspruchung. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Material-Prozess-Interaktion beim Radiowellen-Verschweißen von Schaumpartikeln und schafft die Grundlage für eine gezielte Material- und Prozessoptimierung.

Abstract in weiterer Sprache

Particle foams are used in a wide range of technical applications but require a subsequent welding step to form three-dimensional components from individual foam particles. Conventionally, this process is performed using hot steam, which entails significant energy-related disadvantages and material-related limitations. Radio-frequency (RF) technology represents a steam-free alternative and offers high potential for energy savings as well as for extending the range of processable materials. The objective of this work is to establish a fundamental physical process understanding of radio-frequency welding of foam particles. Using a commercially available expanded thermoplastic polyurethane (ETPU) as an example, the relationships between material properties, the electromagnetic alternating field, and the resulting component properties are investigated. The focus is placed on dielectric heating as the central process mechanism. First, the thermal and dielectric properties of the base polymer and the foam particles are analyzed as a function of temperature, frequency, and density. To describe the foam particles as a two-phase system, a mixing model is developed that enables the prediction of dielectric properties based on the characteristics of the solid material. In addition, a laboratory-scale method for the quantitative determination of the weld strength of individual foam particles is established, allowing the welding mechanism to be explained based on interfacial recrystallization. Subsequently, processing trials are carried out using the RF process, and the generator power as well as the temperature evolution within the component are analyzed. The influence of process parameters on surface quality and mechanical properties is evaluated. Finally, the experimentally determined material parameters are transferred into a digital twin. A coupled electro-thermal and mechanical simulation enables the prediction of the temperature field, weld strength, and failure behavior under tensile loading. This work makes a significant contribution to the understanding of material–process interactions in the radio-frequency welding of foam particles and provides a foundation for targeted material and process optimization.