Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff-Fensterprofile unter ökologischen Gesichtspunkten

URBAN GmbH & Co Maschinenbau KG SKZ Das Kunststoff-Zentrum SKZ - KFE ggmbh Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff-Fensterprofile unter ökologischen Gesichtspunkten Abschlussbericht über ein Forschungsprojekt, gefördert unter dem Az: 29146-21/2 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Wolfgang Tesch (URBAN) Dr. Benjamin Baudrit (SKZ) Dipl.-Volksw. Oliver Stübs (SKZ) Würzburg, Juni 2012

Bezugsquelle des Forschungsberichts: SKZ - KFE ggmbh Friedrich-Bergius-Ring 22 97076 Würzburg kfe@skz.de 0931 4104-411

URBAN GmbH & Co Maschinenbau KG SKZ Das Kunststoff-Zentrum SKZ - KFE ggmbh Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff-Fensterprofile unter ökologischen Gesichtspunkten Abschlussbericht über ein Forschungsprojekt, gefördert unter dem Az: 29146-21/2 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Wolfgang Tesch (URBAN) Dr. Benjamin Baudrit (SKZ) Dipl.-Volksw. Oliver Stübs (SKZ) Würzburg, Juni 2012

06/02 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az 29146 Referat 21/2 Fördersumme 123.500,00 Antragstitel Stichworte Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff-Fensterprofile unter ökologischen Gesichtspunkten Schweißen, Fenster, Kunststoff, Faserverstärkung, Heizelement, Infrarot Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 12 Monate 12.04.2011 11.04.2012 Zwischenberichte 21.07.2011 Bewilligungsempfänger URBAN GmbH & Co Maschinenbau KG Tel 08331 858-430 Dornierstr. 5 Fax - 170 87700 Memmingen Projektleitung Herr Wolfgang Tesch Kooperationspartner SKZ - KFE ggmbh Kunststoff-Forschung und -Entwicklung Friedrich-Bergius-Ring 22 97076 Würzburg Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Bearbeiter - Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollte die Schweißbarkeit neuartiger Hochleistungsverbundwerkstoffe für den Fensterbau untersucht werden. Dies sind faserverstärkte Kunststoffe (FVK), auf deren Basis bereits erste Profilsysteme am Markt verfügbar sind. Durch den geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten im Vergleich zu konventionellen PVC-Fenstern können deutliche Energieeinsparpotenziale in der Nutzenphase realisiert werden. Neben der Energieeinsparung bietet der Einsatz von faserverstärkten Materialien weitere ökologische Vorteile gegenüber konventionellen PVC-Profilen: Zum einen wird das Fenstergewicht signifikant reduziert, was unmittelbare Auswirkungen in der Wertschöpfungskette hat. Zum anderen eröffnen sich für Fenster durch FVK neue gestalterische Möglichkeiten, da wesentlich schlankere Konstruktionen bei gleicher Steifigkeit möglich sind. Durch die somit größere Glasfläche steigen die solaren Wärmegewinne. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Zur Untersuchung der Schweißeignung von faserverstärkten Fensterprofilen mussten zahlreiche Schweißversuche durchgeführt werden. Hierbei galt es, die Prozessführung an das im Vergleich zu unverstärktem PVC teilweise stark unterschiedliche rheologische Materialverhalten der faserverstärkten thermoplastischen Werkstoffe anzupassen. Die hergestellten Schweißverbindungen mussten bzgl. mechanischer Festigkeit, thermoanalytischer Materialkennwerte und ästhetischer Aspekte charakterisiert werden. Daneben stellte teilweise das abrasive Verhalten der Fasern eine Problematik bzgl. der Heizelementbeschichtungen dar. Hierzu sollte alternative Beschichtungen eingesetzt und ggf. nach Umweltkriterien bewertet werden. Die Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten berührungsloser Schweißverfahren (Erwärmung durch Infrarotstrahlung) für diesen speziellen Anwendungsfall war ebenfalls vorgesehen. Der Einsatz von faserverstärkten Fensterprofilen sollte durch die Entwicklung bzw. Adaptierung, Modifizierung und Optimierung der erforderlichen Fügetechnologie entscheidend voran getrieben werden. Die entsprechenden Profile und Materialien sollten nach Beendigung der Forschungsarbeit ebenso wirtschaftlich und qualitätssicher geschweißt werden können, wie die aktuell marktführenden PVC-Fensterprofile. Darüber hinaus wurde das Forschungsvorhaben durch eine Bewertung der Umweltwirkungen der Fügeverfahren bei unterschiedlichen faserverstärkten Werkstoffen für Fensteranwendungen vervollständigt. Beides sollte dem deutschen Fenstermarkt zu mehr Innovationskraft sowie interessanten, energiesparenden Fensterkonzepten verhelfen und somit die nationale und internationale Wettbewerbsfähigkeit steigern. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de

Ergebnisse und Diskussion Das Heizelementstumpfschweißen ist aus technischer Sicht ein gut geeignetes Schweißverfahren sowohl für vollarmierte Fensterprofile aus glasfaserverstärktem PVC (PVC-GF) als auch für Profile mit Armierungsstegen aus glasfaserverstärktem PBT (PBT-GF), wobei das PBT-GF-Material besondere Beachtung bzgl. Prozessführung und Verschleiß erfordert: Während die Prozessführung durch die materialgerechte Parameterwahl gut optimiert werden konnte, wurde ein höherer Verschleiß der Heizelementbeschichtung beobachten. Mittels Infrarotschweißen konnten gute Schweißnahtfestigkeiten bei unverstärktem PVC und PVC-GF erreicht werden. Das PBT-GF konnte aufgrund der geringeren erzeugbaren Schmelzeschichtdicke und teilweise Materialdegradation durch die IR-Strahlung im betrachteten Versuchsumfang nicht verbunden werden, was allerdings keinen nennenswerten Einfluss auf die resultierende Eckfestigkeit hatte. Um die IR-Strahlung nur auf bestimmte Bereiche zu fokussieren bzw. sie je nach Material zu dosieren, können Blenden eingesetzt werden, um das IR-Schweißverfahren für Fensterprofile grundsätzlich und insbesondere mit faserverstärkten Materialanteilen sinnvoll anwendbar zu machen. Auf Basis der Datenerhebung der relevanten Eingangsgrößen Verschleiß, Energieverbrauch, Emissionen und Kosten wurde eine ökologische und ökonomische Bewertung der beiden Schweißverfahren HS und IR mit Bezug zum Schweißen faserverstärkter Fensterprofile durchgeführt. Unter den getroffenen Annahmen und auf Basis der empirisch ermittelten Daten ist das IR-Verfahren aus ökologischer Sicht für das Schweißen von faserverstärkten Fensterprofilen zu bevorzugen. Die ökonomischen Unterschiede der beiden Schweißverfahren ergeben sich aus Investitions-, Verschleiß-, Energie- und Lohnkosten. Das IR-Verfahren ist insgesamt dank des geringen Verschleißes, des niedrigen Energieverbrauchs und der kurzen Schweißzeit als deutlich wirtschaftlicher anzusehen. Allerdings muss noch dieses Verfahren technologisch für die Fensterbranche adaptiert werden und die resultierende Schweißnahtqualität praxisrelevant überprüft. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Ergebnisse des Vorhabens werden nach Absprache zwischen den Kooperationspartnern interessierten Unternehmen zur Verfügung gestellt. Weiterhin bietet das SKZ als eine der größten Ausund Weiterbildungseinrichtungen Europas auf dem Kunststoffsektor die Gewähr für Verbreitung und gezielte Umsetzung der erarbeiteten Forschungsergebnisse. Diese werden in den alljährlich stattfindenden Fachtagungen, Lehrgängen und Seminaren in sämtliche Hierarchien der Unternehmen getragen (z. B. Lehrgänge zum Schweißen von Fensterprofilen, Kunststofffenster-Kongress, Würzburger Schweißertage, etc.). Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit werden ebenfalls in die akademische Lehre der Universität Würzburg sowie der Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt übernommen. Neben den genannten Veranstaltungen sind weiterhin zahlreiche Veröffentlichungen in Fachzeitschriften vorgesehen. Bereits vor Ablauf dieses Forschungsvorhabens konnte am SKZ ein weiterführendes öffentliches Forschungsprojekt zum Thema Infrarotschweißen von PVC-Fensterprofilen initiiert und im März 2012 gestartet werden. Dieses Vorhaben (IGF-Nr. 17414N) wird von mehr als 20 Unternehmen der Kunststofffensterbranche unterstützt, baut auf den gewonnenen Erkenntnissen der hier behandelten Untersuchungen auf und soll der IR-Schweißtechnologie für Kunststofffensterprofile nicht nur für faserverstärkte Profile zur technisch, wirtschaftlich und nicht zuletzt ökologisch sinnvollen Anwendbarkeit verhelfen. Fazit Für die immer häufiger am Markt anzutreffenden faserverstärkten Kunststoff-Fensterprofile ist das aktuell etablierte Verfahren Heizelementstumpfschweißen prinzipiell geeignet. Das Infrarotschweißverfahren bietet allerdings ein erhebliches Potenzial zur wirtschaftlichen und ökologischen Verbesserung des Fertigungsprozesses von energiesparenden faserverstärkten Kunststoff-Fenstern gegenüber dem Stand der Technik (Heizelementstumpfschweißen). Den beachtlichen Chancen dieses Verfahrens stehen jedoch auch diverse Herausforderungen und Risiken gegenüber, die in weiteren Untersuchungen vor einem industriellen Einsatz des Infrarotschweißens geklärt werden müssen. Hierzu zählen die technische Umsetzbarkeit in der Praxis, die Sicherung einer ausreichenden Schweißnahtqualität sowie die Vermeidung von direkten Emissionen im Schweißprozess. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de

I Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung... 8 2. Versuchsmaterialien... 10 3. Durchführung von Schweißversuchen und Prüfungen... 11 3.1 Heizelementstumpfschweißen... 11 3.1.1 Ermittlung der mittels HS erreichbaren Kurzzeit-Zugschweißfaktoren... 12 3.1.2 Ermittlung der mittels HS erreichbaren Eckfestigkeiten... 15 3.1.3 Künstliche Bewitterungstests und Farbmessungen... 19 3.1.4 Vergleich verschiedener Heizelementbeschichtungen... 20 3.1.5 Zwischenfazit: Heizelementstumpfschweißen... 21 3.2 Infrarotschweißen... 22 3.2.1 Grundlegende Versuche zum Erwärm- und Aufschmelzverhalten... 23 3.2.2 Umrüstung einer Standard-Schweißmaschine auf IR-Technologie... 29 3.2.3 Schweißversuche auf der experimentellen IR-Schweißmaschine... 30 3.2.4 Versuchsweise Ausrüstung einer Serienschweißmaschine mit IR-Technologie... 36 3.2.5 Zwischenfazit: Infrarotschweißen... 37 4. Ökologische und ökonomische Bewertung der Schweißprozesse... 38 4.1 Datenerhebung... 38 4.1.1 Verschleiß... 38 4.1.2 Energieverbrauch... 40 4.1.3 Emissionen... 41 4.1.4 Kosten... 46 4.2 Ökologische Bewertung... 47 4.2.1 Ökologische Bilanzierung auf Basis von Verschleiß und Energieverbrauch... 47 4.2.2 Toxikologische Bewertung... 49 4.3 Ökonomische Bewertung... 52 5. Fazit der Untersuchungen... 55 6. Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse... 57 7. Literatur... 58 8. Anhang... 60

2 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Querschnitt des faserverstärkten Fensterprofils Energeto... 10 Abbildung 2: Querschnitt des faserverstärkten Fensterprofils Geneo... 10 Abbildung 3: Prinzipieller Verfahrensablauf beim Heizelementstumpfschweißen von PVC-Fensterprofilen nach DVS 2207-25 [DVS89]... 11 Abbildung 4: Stumpfschweißen von Fensterprofilen für die Entnahme von Zugprobekörpern... 12 Abbildung 5: Entnahmepositionen für Zugstäbe aus PVC (Energeto) (1), PBT-GF (Energeto) (2) und PVC-GF (Geneo) (3)... 12 Abbildung 6: Entnahme von Zugstäben mittels Fräse und entnommene Probekörper... 12 Abbildung 7: Zugfestigkeiten der Grundmaterialien (PVC, PVC-GF und PBT-GF) und HS-Schweißungen mit Startparametern sowie entsprechende Kurzzeit- Zugschweißfaktoren... 13 Abbildung 8: Zugfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 2) gegenüber Grundmaterial- und Startparameterfestigkeit beim HS von reinem PBT-GF (Energeto)... 14 Abbildung 9: Prüfanordnung für die Eckfestigkeit mit Wagengerät (a = 400 mm) [DVS89]... 15 Abbildung 10: Bis zum Bruch belastete Eckverbindung auf Universalprüfmaschine ZWICK 1475... 15 Abbildung 11: Heizelementstumpfschweißen einer Eckverbindung (URBAN AKS1200/1)... 15 Abbildung 12: Eckfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 3) gegenüber Mindestfestigkeit (F Soll ) und Startparameterfestigkeit beim HS von Geneo-Profilen... 16 Abbildung 13: Eckfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 4) gegenüber Mindestfestigkeit (F Soll ) und Startparameterfestigkeit beim HS von Energeto-Profilen... 18 Abbildung 14: Energeto-Profil mit zurückgefrästen PBT-GF-Stegen (1) vor dem Schweißen... 18 Abbildung 15: Schematischer Ablauf einer IR-Schweißung mit Druck- und Wegverlauf... 22 Abbildung 16: Emissionsspektren verschiedener IR-Strahler [Her10]... 22 Abbildung 17: Links: Prinzip-Zeichnung des IR-Teststands; Rechts: Labor-Aufbau mit Teststand (1), Profil-Probekörper (2), Leistungssteller (3) und Funktionsgenerator (4)... 23 Abbildung 18: Einfluss der Strahleranordnung auf Temperaturverteilung und Materialzustand. Oben: Enge Strahleranordung, inhomogene Temperaturverteilung und folglich lokale thermische Materialschädigungen (Abstand Profil Strahler = 35 mm; Leistung = 100 %; Anwärmzeit = 10 s). Unten: Breiteres Strahlerfeld, homogenere Temperaturverteilung und kaum geschädigtes Material (Abstand Profil Strahler = 45 mm; Leistung = 100 %; Anwärmzeit = 15 s)... 25 Abbildung 19: Anschmelzen eines Profilabschnittes durch IR-Strahler (links) und Ermittlung der Schmelzeschichtdicke an äußerer Profilwand durch Eindringen eines PEEK-Keils (rechts)... 25 Abbildung 20: Versuchsaufbau zur Schmelzeschichtmessung. Links: IR-Strahler (1) und Probenplättchen in Erwärmposition (2). Rechts: Probenplättchen nach Schmelzeverdrängung (3)... 26 Abbildung 21: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 100 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen... 27

3 Abbildung 22: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 100 % Strahlerleistung in Abhängigkeit vom Abstand bei verschiedenen Anwärmzeiten... 27 Abbildung 23: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 50 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen... 27 Abbildung 24: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 20 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen... 27 Abbildung 25: Schmelzeschichtdicken an PVC-Material (Energeto-Profil) bei 10 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen... 28 Abbildung 26: Schmelzeschichtdicken an PVC-Material (Energeto-Profil) bei 20 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen... 28 Abbildung 27: Schmelzeschichtdicken an PBT-GF-Material (Energeto-Profil) bei 10 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen... 28 Abbildung 28: Schmelzeschichtdicken an PBT-GF-Material (Energeto-Profil) bei 50 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen... 28 Abbildung 29: Experimentelle Einkopf-IR-Schweißmaschine URBAN AKS1150-IR für Fensterprofile... 29 Abbildung 30: IR-Stumpfschweißungen (hergestellt auf AKS1150-IR). Links: Ausbeulung neben der Schweißnaht aufgrund zu tiefer Erwärmung durch seitliche Einstrahlung. Rechts: Ablagerung in der PVC-Schweißnaht wegen Materialschädigung... 31 Abbildung 31: Grundmaterialfestigkeit des Energeto PVC-Materials, Zugfestigkeit einer HS-Schweißung bei Startparametern und ermittelte Zugfestigkeiten von IR-Schweißungen gemäß den Parametern aus Tabelle 9 sowie die entsprechenden Kurzzeit-Zugschweißfaktoren... 32 Abbildung 32: Grundmaterialfestigkeit des Geneo PVC-GF, Zugfestigkeit einer HS-Schweißung bei Startparametern und ermittelte Zugfestigkeiten von IR-Schweißungen gemäß den Parametern aus Tabelle 10 sowie die entsprechenden Kurzzeit-Zugschweißfaktoren... 33 Abbildung 33: Experimentell hergestellte Blenden (Quarzglasplatten mit partieller Aluminiumbeschichtung) für Schweißversuche mit dem Energeto-Profil auf der AKS1150-IR... 34 Abbildung 34: Eingebaute und justierte Quarzglas-Blenden für das Energeto-Profil auf der AKS1150 vor (links) und während (rechts) dem Schweißen... 34 Abbildung 35: Grundmaterialfestigkeit des Energeto PVC-Materials, Zugfestigkeit einer HS- Schweißung bei Startparametern und ermittelte Zugfestigkeiten von IR-Schweißungen gemäß den Parametern aus Tabelle 11 (mit Blenden) sowie entsprechende Kurzzeit- Zugschweißfaktoren... 35 Abbildung 36: Vierkopf-Schweißmaschine AKS6610 in Standardausführung (HS) mit vier Heizelementen (links) und ausgestattet mit IR-Strahlermodulen (rechts)... 36 Abbildung 37: Schematische Darstellung der durch ökologische und ökonomische Bewertungen zu vergleichenden Prozesse... 38 Abbildung 38: HCl-Emissionsmessung bei der IR-Erwärmung von Fensterprofilproben (1) mit IR-Strahlern (2) und Probenahme durch HCl-Prüfröhrchen (3) und Handpumpe (4)... 42 Abbildung 39: Messung der flüchtigen organischen Verbindungen beim Schweißen von Fensterprofilen mittels VOC-Messgerät an der IR-Schweißmaschine AKS1150-IR (links) und VOC-Messgerät MiniRAE Lite (rechts)... 43 Abbildung 40: Ergebnisse der VOC-Messungen beim Schweißen von Standard-Weißprofilen... 44 Abbildung 41: Ergebnisse der VOC-Messungen beim Schweißen von Geneo-Profilen... 44

4 Abbildung 42: Ergebnisse der VOC-Messungen beim Schweißen von Energeto-Profilen... 44 Abbildung 43: Gas-Chromatogramm der Dichtungs-Materialprobe aus dem Standard-Weißprofil... 45 Abbildung 44: Gas-Chromatogramm der Dichtungs-Materialprobe aus dem Geneo-Profil... 45 Abbildung 45: Gas-Chromatogramm der Dichtungs-Materialprobe aus dem Energeto-Profil... 45 Abbildung 46: Beiträge der bilanzierten Teil-systeme (Energieverbrauch und Heizelementbeschichtung) zu den Umweltwirkungen beim HS; Schweißfolienwechsel nach 400 Schweißungen... 48 Abbildung 47: Beiträge der bilanzierten Teil-systeme (Energieverbrauch und Heizelementbeschichtung) zu den Umweltwirkungen beim HS; Schweißfolienwechsel nach 100 Schweißungen... 48 Abbildung 48: Beiträge der bilanzierten Teil-systeme (Energieverbrauch und IR-Strahler) zu den Umweltwirkungen beim IR; Strahler-austausch nach 1,8 Mio. Schweißungen... 48 Abbildung 49: Beiträge der bilanzierten Teil-systeme (Energieverbrauch und IR-Strahler) zu den Umweltwirkungen beim IR; Strahler-austausch nach 180.000 Schweißungen... 48 Abbildung 50: Ergebnisse der Ökobilanz der Schweißverfahren HS und IR mit verschiedenen Szenarien im Vergleich (Relative Werte mit Bezug auf HS und Folienwechsel nach 400 Schweißungen)... 49 Abbildung 51: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Humantoxizität... 50 Abbildung 52: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Bodenökotoxizität... 50 Abbildung 53: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Süßwasserökotoxizität... 51 Abbildung 54: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Meeresökotoxizität... 51 Abbildung 55: Übersicht relativer Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle zur Ableitung eines Trends... 51 Abbildung 56: Vergleich der variablen Prozesskosten der Schweißverfahren für die Produktion von bis zu 50.000 Fenstern (mit Rahmen und Flügel) bei verschiedenen Verschleiß-Szenarien. 53 Abbildung 57: Ergebnisse aus Abbildung 56 mit geänderten Achsenskalierungen zur verbesserten Detail-Ansicht... 53 Abbildung 58: Zusammensetzung der variablen Prozesskosten bei den verschiedenen betrachteten Schweißverfahren und Verschleiß-Szenarien... 54

5 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Startparameter für das Schweißen von PVC-Fensterprofilen nach SKZ... 13 Tabelle 2: Schweißparameter zur Optimierung der Nahtfestigkeit beim HS von PBT-GF (Energeto)... 14 Tabelle 3: Schweißparameter zur Untersuchung der Eckfestigkeit beim HS von Geneo-Profilen... 16 Tabelle 4: Schweißparameter zur Untersuchung der Eckfestigkeit beim HS von Energeto-Profilen... 17 Tabelle 5: Probekörper für künstliche Bewitterung und Farbmessung... 19 Tabelle 6: Spezifikationen der kurzwelligen Zwillingsrohr-IR-Strahler... 24 Tabelle 7: Bewertungskriterien für IR-geschweißte Fensterprofile auf der AKS1150-IR... 30 Tabelle 8: Fixe Schweißmaschineneinstellungen für die Schweißversuche auf der AKS1150-IR... 30 Tabelle 9: Variierte IR-Schweißparameter zur Herstellung von Zugprobekörpern aus Energeto-Profilen (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8)... 31 Tabelle 10: Variierte IR-Schweißparameter zur Herstellung von Zugprobekörpern aus Geneo-Profilen (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8)... 32 Tabelle 11: Variierte IR-Schweißparameter zur Herstellung von Zugprobekörpern aus Energeto- Profilen unter Einsatz von Quarzglasblenden (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8)... 35 Tabelle 12: Masseanteile der einzelnen Bestandteile einer entsprechend dimensionierten PTFE- Schweißfolie für die beiden verwendeten HS-Schweißmaschinen der Fa. URBAN... 39 Tabelle 13: Masseanteile der einzelnen Bestandteile der IR-Strahler im Strahlermodul der IR-Schweißmaschine AKS1150-IR... 39 Tabelle 14: Gemessener Energieverbrauch pro Schweißvorgang für HS und IRbei bestimmten Schweißbedingungen... 40 Tabelle 15: Wirkungskategorien bzw. Sachbilanzindikatoren nach der Methode CML 2001... 47 Tabelle 16: Verwendete Charakterisierungsmodelle zur toxikologischen Untersuchung indirekter Emissionen [Goe09]... 50 Tabelle 17: Wirkungskategorien zur Bewertung der Toxikologie... 50 Tabelle 18: Geplante Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse... 57

6 Abkürzungsverzeichnis A. U. Willkürliche (unskalierte) Einheit (engl.: arbitrary unit ) Az Aktenzeichen CIE Internationale Beleuchtungskommission (franz.: Commission internationale de l éclairage ) DALY disability-adjusted life years DHC Dehydrochlorierungsverfahren DSC Differential Scanning Calorimetry FVK Faserverstärkte Kunststoffe GC/MS Gaschromatograph mit Massenspektrometer-Kopplung GM Grundmaterial HE Heizelement HS Heizelementstumpfschweißen IR Infrarot bzw. Infrarotschweißen Angleichdruck p AG PBT Polybutylenterephthalat PEEK Polyetheretherketon Fügedruck p F PID Photoionisationsdetektor P S Strahlerleistung PVC Polyvinylchlorid PVC-P Weichgemachtes PVC (engl.: plasticized PVC ) RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.v. (Früher: Reichsausschuss für Lieferbedingungen) Angleichweg s AG s F s S t AG t AW t F T HE t S t U VOC Fügeweg Schweißweg (Maßzugabe) Angleichzeit Anwärmzeit Fügezeit Heizelementtemperatur Schweißzeit (Gesamtzeit) Umstellzeit Flüchtige organische Verbindungen (engl.: volatile organic compounds )

7 Zusammenfassung In diesem Vorhaben wurde die Schweißbarkeit von glasfaserverstärkten Kunststofffensterprofilen mittels Heizelementstumpfschweißen (HS) und Infrarotschweißen (IR) untersucht und eine Bewertung dieser Verfahren unter ökologischen und ökonomischen Kriterien durchgeführt. Der Einsatz von faserverstärkten Fensterprofilen sollte durch die Entwicklung bzw. Adaptierung, Modifizierung und Optimierung der erforderlichen Fügetechnologie entscheidend voran getrieben werden. Die entsprechenden Profile und Materialien sollten ebenso wirtschaftlich und qualitätssicher geschweißt werden können, wie die aktuell marktführenden unverstärkten PVC- Fensterprofile. Das Forschungsvorhaben wurde durch eine Bewertung der Umweltwirkungen der Fügeverfahren bei unterschiedlichen faserverstärkten Werkstoffen für Fensteranwendungen vervollständigt. Beides hatte zum Ziel, dem deutschen Fenstermarkt zu mehr Innovationskraft sowie interessanten, energiesparenden Fensterkonzepten zu verhelfen und somit die nationale und internationale Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Das Heizelementstumpfschweißen ist aus technischer Sicht ein gut geeignetes Schweißverfahren sowohl für vollarmierte Fensterprofile aus glasfaserverstärktem PVC (PVC-GF) als auch für Profile mit Armierungsstegen aus glasfaserverstärktem PBT (PBT-GF), wobei das PBT-GF- Material besondere Beachtung bzgl. Prozessführung und Verschleiß erfordert: Während die Prozessführung durch die materialgerechte Parameterwahl gut optimiert werden konnte, wurde in diesen Versuchsreihen ein höherer Verschleiß der Heizelementbeschichtung beobachten. Mittels Infrarotschweißen konnten gute Schweißnahtfestigkeiten bei unverstärktem PVC und PVC-GF erreicht werden. Das PBT-GF konnte aufgrund der geringeren erzeugbaren Schmelzeschichtdicke und teilweise Materialdegradation durch die IR-Strahlung im betrachteten Versuchsumfang nicht verbunden werden, was allerdings keinen nennenswerten Einfluss auf die resultierende Eckfestigkeit hatte. Um die IR-Strahlung nur auf bestimmte Bereiche zu fokussieren bzw. sie je nach Material zu dosieren, können Blenden eingesetzt werden, um das IR-Schweißverfahren für Fensterprofile grundsätzlich und insbesondere mit faserverstärkten Materialanteilen sinnvoll anwendbar zu machen. Auf Basis der Datenerhebung der relevanten Eingangsgrößen Verschleiß, Energieverbrauch, Emissionen und Kosten wurde eine ökologische und ökonomische Bewertung der beiden Schweißverfahren HS und IR mit Bezug zum Schweißen faserverstärkter Fensterprofile durchgeführt. Unter den getroffenen Annahmen und auf Basis der empirisch ermittelten Daten ist das IR-Verfahren aus ökologischer Sicht für das Schweißen von faserverstärkten Fensterprofilen zu bevorzugen. Die ökonomischen Unterschiede der beiden Schweißverfahren ergeben sich aus Investitions-, Verschleiß-, Energie- und Lohnkosten. Das IR-Verfahren ist insgesamt dank des geringen Verschleißes, des niedrigen Energieverbrauchs und der kurzen Schweißzeit als deutlich wirtschaftlicher anzusehen. Das Infrarotschweißverfahren bietet ein erhebliches Potenzial zur wirtschaftlichen und ökologischen Verbesserung des Fertigungsprozesses von energiesparenden faserverstärkten Kunststoff-Fenstern gegenüber dem Stand der Technik (Heizelementstumpfschweißen). Den beachtlichen Chancen dieses Verfahrens stehen jedoch auch diverse Herausforderungen und Risiken gegenüber, die in weiteren Untersuchungen vor einem industriellen Einsatz des IR geklärt werden müssen. Hierzu zählen die technische Umsetzbarkeit in der Praxis, die Sicherung einer ausreichenden Schweißnahtqualität sowie die Vermeidung von direkten Emissionen im Schweißprozess. Dieses Forschungsvorhaben wurde als direktes Kooperationsprojekt zwischen der URBAN GmbH & Co. Maschinenbau KG, Memmingen, und der SKZ - KFE ggmbh, Würzburg, durchgeführt. Unterstützt in Form von Versuchsmaterialien wurden die Arbeiten von den Fensterprofilherstellern aluplast GmbH, Karlsruhe, und REHAU AG + Co, Rehau. Die Kooperationspartner danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für die Förderung dieses Vorhabens (Az: 29146-21/2).

8 1. Einleitung Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollte die Schweißbarkeit neuartiger Hochleistungsverbundwerkstoffe für den Fensterbau untersucht werden. In erster Linie sind dies faserverstärkte Kunststoffe (FVK), auf deren Basis bereits erste Profilsysteme am Markt verfügbar sind. Diese Profilsysteme sind relativ steif und kommen ohne Stahlarmierungen aus. Dadurch werden Wärmebrücken vermieden und somit der thermische Dämmwert des Fensters verbessert. Durch den geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten im Vergleich zu konventionellen PVC-Fenstern können deutliche Energieeinsparpotenziale in der Nutzenphase realisiert werden. Neben der Energieeinsparung bietet der Einsatz von faserverstärkten Materialien für die Rahmenprofile von Kunststoff-Fenstersystemen weitere ökologische Vorteile gegenüber konventionellen PVC-Profilen: Zum einen wird das Fenstergewicht signifikant reduziert, was unmittelbare Auswirkungen in der Wertschöpfungskette hat, z. B. auf den Kraftstoffverbrauch beim Transport und die damit einhergehenden Emissionen. Zum anderen eröffnen sich für Fenster durch FVK neue gestalterische Möglichkeiten, da wesentlich schlankere Konstruktionen bei gleicher Steifigkeit möglich sind. Durch die somit größere Glasfläche steigen die solaren Wärmegewinne. Nur wenn sich zukünftig FVK in Fensterprofilen etablieren werden, kann die Umwelt merklich durch die damit verbundenen Energieeinsparungen entlastet werden. Grundvoraussetzung für die Etablierung von FVK-Fenstern am deutschen Markt, der im Jahr 2010 eine Größenordnung von ca. 14 Mio. Fenstereinheiten hatte, ist die optimale Beherrschung jedes Verarbeitungsschritts so auch des Schweißens. Insbesondere sollten FVK-Fenster auf herkömmlichen Heizelementstumpfschweißmaschinen, wie sie im Fensterbau heute Standard sind, ohne die Notwendigkeit aufwendiger Modifikationen oder neuer Investitionen gefügt werden können. Ziel war hierbei die Erarbeitung der notwendigen Prozessbedingungen und deren Umsetzung, um ein sicheres Schweißen der Rahmen- und Flügelprofile zu gewährleisten. Während das Schweißen von konventionellen PVC-Fensterprofilen in entsprechenden Richtlinien und Regelwerken definiert ist, fehlen zum Schweißen von faserverstärkten Materialien im Fensterbereich grundlegende Qualitätsstandards. Die erforderlichen Grundlagen sollten in den Untersuchungen dieses Vorhabens erarbeitet werden. Zur Untersuchung der Schweißeignung von faserverstärkten Fensterprofilen mussten zahlreiche Schweißversuche durchgeführt werden. Hierbei galt es, die Prozessführung an das im Vergleich zu PVC stark unterschiedliche rheologische Materialverhalten der faserverstärkten thermoplastischen Werkstoffe anzupassen. Die hergestellten Schweißverbindungen mussten bzgl. mechanischer Festigkeit, Struktur, thermoanalytischer Materialkennwerte und ästhetischer Aspekte charakterisiert werden. Daneben stellt das stark abrasive Verhalten der Fasern eine Herausforderung bzgl. der Heizelementbeschichtungen dar. Hier sollten alternative Beschichtungen eingesetzt und bewertet werden. Die Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten berührungsloser Schweißverfahren für diesen speziellen Anwendungsfall war ebenfalls geplant. Der Einsatz von faserverstärkten Fensterprofilen sollte durch die Entwicklung bzw. Adaptierung, Modifizierung und Optimierung der erforderlichen Fügetechnologie entscheidend voran getrieben werden. Die entsprechenden Profile und Materialien sollten ebenso wirtschaftlich und qualitätssicher geschweißt werden können, wie die aktuell marktführenden PVC-Fensterprofile. Darüber hinaus sollte das Forschungsvorhaben durch eine Bewertung der Umweltwirkungen der Fügeverfahren bei unterschiedlichen faserverstärkten Werkstoffen für Fensteranwendungen vervollständigt werden. Beides hatte zum Ziel, dem deutschen Fenstermarkt zu mehr Innovationskraft sowie interessanten, energiesparenden Fensterkonzepten zu verhelfen und somit die nationale und internationale Wettbewerbsfähigkeit zu stärken.

9 Die Untersuchungen wurden im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen dem Schweißmaschinenhersteller URBAN GmbH & Co. Maschinenbau KG, Memmingen, und der FuE-Abteilung (Fachbereiche Fügen und Nachhaltigkeit ) des Kunststoff-Zentrum (SKZ), Würzburg, durchgeführt. Unterstützt wurden die Arbeiten in Form von Versuchsmaterialien von den zum Zeitpunkt der Antragstellung beiden einzigen Anbietern faserverstärkter Kunststoff- Fensterprofile aluplast GmbH und REHAU AG + Co. Die Aufgabenstellung beinhaltete die folgenden geplanten Arbeitsschritte: Materialbeschaffung und Projektorganisation (SKZ und URBAN) Anpassung bzw. Optimierung von Heizelement-Schweißmaschinen für faserverstärkte Materialien (URBAN) Umrüstung vorhandener Schweißmaschinen für den Einsatz von Infrarotstrahlern (URBAN) Durchführung von Schweißversuchen (SKZ) Material- und Schweißnahtprüfungen (SKZ) Vergleich verschiedener Heizelementbeschichtungen (SKZ) Künstliche Bewitterungstests und Farbmessungen (SKZ) Ökonomische und ökologische Bewertung der Schweißprozesse (SKZ) Übertragung der Laborergebnisse auf die industrielle Anwendung (SKZ und URBAN) Interpretation, Berichterstellung und Verfassen von Veröffentlichungen (SKZ und URBAN)

10 2. Versuchsmaterialien In Absprache mit den Fensterprofilherstellern aluplast und REHAU wurden geeignete und repräsentative faserverstärkte Profilsysteme für die Durchführung der geplanten Versuche ausgewählt. Diese sind im Folgenden kurz erläutert: a) aluplast energeto Beim Profil energeto des Herstellers aluplast (vgl. Abbildung 1) werden zusätzliche Stege aus dem mit 50 % glasfaserverstärkten Material Ultradur High Speed (Matrixmaterial: PBT) der Firma BASF in den Profilquerschnitt integriert. Diese Stege ersetzen die Stahlarmierungen und verleihen den PVC-Profilen die erforderliche Steifigkeit. PVC-Profil Hersteller aluplast Profilbezeichnung Energeto 8000 Armierungssteg (PBT-GF50 1 ) Profiltyp Armierung Flügelprofil, weiß PBT-GF50 1 (2 Stege) Abbildung 1: Querschnitt des faserverstärkten Fensterprofils energeto b) REHAU Geneo REHAU setzt auf vollarmierte Fensterprofile (Bezeichnung: Geneo ) aus dem mit 12 % glasfaserverstärkten Werkstoff RAU-FIPRO (Matrixmaterial: PVC). Lediglich die Sichtflächen der Profile werden aus ästhetischen und funktionalen Gründen aus unverstärktem PVC coextrudiert (vgl. Abbildung 2). Auch diese Profile bieten eine ausreichende Steifigkeit und können somit auf Stahlarmierungen verzichten. Unverstärkte PVC-Deckschicht Hersteller REHAU Profilbezeichnung Geneo 532036 Verstärktes Kernmaterial (PVC-GF12 2 ) Profiltyp Armierung Flügelprofil, weiß PVC-GF12 2 (Kernmaterial) Abbildung 2: Querschnitt des faserverstärkten Fensterprofils Geneo Von diesen Profilen wurden jeweils mehr als 100 Meter für die Untersuchungen dem Forschungsvorhaben unentgeltlich zur Verfügung gestellt. Beide Profile beinhalteten zudem Dichtungsprofile aus weichgemachtem PVC (PVC-P), die jedoch (falls nicht anders erwähnt) für Schweißversuche entfernt wurden, um zusätzliche Störfaktoren zunächst ausschließen zu können. 1 Polybutylenterephthalat mit 50 % Glasfaserverstärkung 2 Polyvinylchlorid mit 12 % Glasfaserverstärkung

11 3. Durchführung von Schweißversuchen und Prüfungen Die folgenden Beschreibungen unterteilen sich grundsätzlich in Untersuchungen zum Heizelementstumpfschweißen (HS) und zum Infrarotschweißen (IR). 3.1 Heizelementstumpfschweißen Das Heizelementstumpfschweißen ist das nach dem Stand der Technik übliche und in der Industrie etablierte Verfahren zum Fügen von Kunststofffensterprofilen aus PVC. Der Prozess besteht im Allgemeinen aus vier Phasen: Angleichen, Anwärmen, Umstellen und Fügen. Es werden zunächst die Verbindungsflächen der Profile an einem Heizelement (HE) unter Druck angeglichen, bis sie vollflächig anliegen und sich am gesamten Umfang ein deutlich sichtbarer Wulst gebildet hat. Dieser Vorgang (Angleichen) wird in der Regel wegabhängig gesteuert. Direkt nach dem Erreichen des vorgegebenen Angleichweges (erster Anschlag) beginnt die Anwärmphase. Dabei wird das Material in den Fügeflächen erwärmt und eine ausreichend dicke Schmelzeschicht erzeugt. Dies erfolgt bei sehr geringem Druck während einer vorher festgelegten Zeit (Anwärmen). Im Anschluss werden die Profile vom Heizelement entfernt (Umstellen). Diese Phase wird so kurz wie maschinell möglich gehalten, um ein Abkühlen der Fügeflächen zu verhindern. Die Profile werden danach sofort unter Einwirken eines definierten Fügedrucks gegeneinander gepresst, bis ein vorgegebener Fügeweg (zweiter Anschlag) zurückgelegt und eine festgelegte Fügezeit erreicht wurde (Fügen). Diese Zeit ist so zu wählen, dass zum einen der Fügeweg erreicht werden kann und zum anderen die Schweißnaht beim Entnehmen der Verbindung ausreichend abgekühlt ist. Eine schematische Darstellung der einzelnen Phasen im Weg- bzw. Druck-Zeit-Diagramm gibt Abbildung 3 wieder. [DVS89] s AG Angleichweg t U Umstellzeit s F Fügeweg t F Fügezeit s S Schweißweg (Maßzugabe) t S Schweißzeit (Gesamtzeit) t AG Angleichzeit p AG Angleichdruck t AW Anwärmzeit p F Fügedruck Abbildung 3: Prinzipieller Verfahrensablauf beim Heizelementstumpfschweißen von PVC-Fensterprofilen nach DVS 2207-25 [DVS89]

12 Ausgangspunkt für die weiteren Untersuchungen, Optimierungen und Bewertungen waren Schweißversuche zur Ermittlung der grundsätzlich nach dem Stand der Technik erreichbaren Schweißergebnisse. Dabei wurden einerseits die maximal erreichbaren Schweißfaktoren der betrachteten Materialien ermittelt (vgl. Punkt 3.1.1) und andererseits die möglichen mechanischen Kennwerte (Eckfestigkeit) gemäß geltender Gütesicherungsrichtlinien (vgl. Punkt 3.1.2). 3.1.1 Ermittlung der mittels HS erreichbaren Kurzzeit-Zugschweißfaktoren Hierbei wurden zunächst die einzelnen für den Schweißprozess relevanten Materialanteile der betrachteten Fensterprofile untersucht. Dies sind das unverstärkte PVC der energeto -Profile, das PBT-GF der energeto -Profil-Stege sowie das PVC-GF der Geneo-Profile. Die Profile wurden hierzu im 180 -Winkel auf einer URBAN Einkopf-Schweißmaschine (AKS3610/S) stumpfgeschweißt (vgl. Abbildung 4) und anschließend mittels Fräsen Zugstäbe aus den jeweiligen Materialbereichen entnommen (vgl. Abbildung 5 und Abbildung 6). 1 2 3 4 Abbildung 4: Stumpfschweißen von Fensterprofilen für die Entnahme von Zugprobekörpern 1 2 3 Abbildung 5: Entnahmepositionen für Zugstäbe aus PVC (energeto ) (1), PBT-GF (energeto ) (2) und PVC-GF (Geneo) (3) Abbildung 6: Entnahme von Zugstäben mittels Fräse und entnommene Probekörper Die Zugprüfung der Probekörper (Typ 1B) erfolgte gemäß DIN EN ISO 527. Geprüft wurden mindestens fünf Probekörper je Prüfreihe. Hierbei wurde eine Prüfgeschwindigkeit von 50 mm/min für PVC und PVC-GF sowie eine Prüfgeschwindigkeit von 5 mm/min für PBT-GF gewählt. Die Probekörper wurden vor der Prüfung mindestens 24 Stunden im Normklima gemäß DIN EN ISO 291 (23 C, 50 % relative Feuchte) konditioniert. Bestimmt wurden die Zugfestigkeiten jeweils sowohl für das unverschweißte Grundmaterial (GM) als auch für die hergestellten Schweißverbindungen. Das Verhältnis von Schweißnahtfestigkeit zu Grundmaterialfestigkeit beschreibt den Kurzzeit-Zugschweißfaktor. Dabei kamen zunächst nach SKZ-Erfahrungen etablierte Schweißparameter ( Startparameter ) für PVC-Fensterprofile zum Einsatz (vgl. Tabelle 1). Diese können als repräsentativ für die in vielen Fensterfertigungsbetrieben angewandten Schweißbedingungen betrachtet werden.

13 Heizelement-Temperatur 250 C Anwärmzeit Fügezeit Angleichweg* Fügeweg* 20 s 30 s 1,4 mm 1,0 mm Angleich- und Fügedruck in der Naht 0,42 N/mm 2 * Je Fügepartner; senkrecht zur Fügefläche Tabelle 1: Startparameter für das Schweißen von PVC-Fensterprofilen nach SKZ In Abbildung 7 sind die Zugfestigkeiten der jeweiligen Grundmaterialien sowie die mit Startparametern erreichten Schweißnahtfestigkeiten und die entsprechenden Kurzzeit- Zugschweißfaktoren dargestellt. Abbildung 7: Zugfestigkeiten der Grundmaterialien (PVC, PVC-GF und PBT-GF) und HS-Schweißungen mit Startparametern sowie entsprechende Kurzzeit-Zugschweißfaktoren Demnach werden mit dem unverstärkten PVC (energeto ) ebenso wie mit dem PVC-GF (Geneo) problemlos Schweißfaktoren von 1,0 erreicht. Eine Parameteroptimierung bzgl. der Schweißnahtfestigkeit ist für diese Materialien daher nicht erforderlich. Mit dem PBT-GF (energeto ) wurde hingegen lediglich ein Schweißfaktor von 0,43 erreicht, sodass hier weitere Versuche mit auf das Material abgestimmten Parametern durchgeführt wurden, um die Schweißnahtfestigkeit gegebenenfalls zu erhöhen. Ein Schweißfaktor von 0,43 mit dem PBT- GF entspricht ungefähr die Schweißnahtfestigkeit von PVC, so dass eine Erhöhung allerdings nicht notwendig ist, um eine ausreichende Nahtqualität zu erzielen. Hierzu wurde zusätzlich die Schmelztemperatur des PBT-GF mittels DSC (Differential Scanning Calorimetry) auf 225 C bestimmt. Dies lässt darauf schließen, dass für das Material höhere Heizelementtemperaturen als für PVC zu empfehlen sind, da letzteres bereits bei niedrigeren Temperaturen aufschmilzt. Dementsprechend wurden verschiedene Schweißversuche mit PBT- GF unter Variation der Heizelementtemperatur, der Anwärmzeit sowie der Schweißdrücke durchgeführt. Die entsprechenden Parameterkombinationen sind Tabelle 2 zu entnehmen und die erreichten Ergebnisse in Abbildung 8 dargestellt.

14 Parameter- Nr. Heizelementtemperatur [ C] Angleichzeit* [s] Anwärmzeit [s] Fügezeit [s] Angleichweg** [mm] Fügeweg** [mm] Angleich- und Fügedruck [N/mm²] Start 250 30 20 30 1,4 1,0 0,42 1 250 30 30 30 1,4 1,0 0,42 2 270 22 15 30 1,4 1,0 0,42 3 270 22 20 30 1,4 1,0 0,42 4 270 22 25 30 1,4 1,0 0,42 5 300 10 10 30 1,4 1,0 0,42 6 300 10 15 30 1,4 1,0 0,42 * Resultiert aus übrigen Parametereinstellungen und Materialverhalten ** Je Fügepartner; senkrecht zur Fügefläche Tabelle 2: Schweißparameter zur Optimierung der Nahtfestigkeit beim HS von PBT-GF (energeto ) Start Abbildung 8: Zugfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 2) gegenüber Grundmaterial- und Startparameterfestigkeit beim HS von reinem PBT-GF (energeto ) Wie die Ergebnisse zeigen, ist durch die Anpassung der Schweißparameter insbesondere durch eine Temperaturerhöhung eine höhere Schweißnahtfestigkeit zu erreichen. Jedoch konnte kein Schweißfaktor über 0,55 erreicht werden, was mit dem relativ hohen Glasfaseranteil von 50 % im PBT-GF zu erklären ist und zu erwarten war. Die Grundmaterialfestigkeit ist dementsprechend hoch, wobei die verstärkende Wirkung der Fasern nicht vollständig über die Fügeebene hinweg übertragen werden kann. Dennoch liegen die Festigkeiten auf einem durchschnittlich hohen Niveau (ca. 50 N/mm²), sodass die PBT-GF-Stege einen guten Beitrag zur Festigkeit einer geschweißten Fensterecke leisten könnten. Durch die materialgerechte Wahl der Schweißparameter kann die Verbindungsfestigkeit der PBT-GF-Stege um ca. 20 % im Vergleich zum Einsatz von Startparametern gesteigert werden. Die gewählten Parameter müssen jedoch auch für das PVC-Material des Fensterprofils geeignet sein, was in weiteren Schweißversuchen und Prüfungen am Gesamtprofil sichergestellt werden musste (vgl. Punkt 3.1.2).

15 3.1.2 Ermittlung der mittels HS erreichbaren Eckfestigkeiten Die Ermittlung der Eckfestigkeit ist sowohl in der RAL-Richtlinie Güte- und Prüfbestimmungen für Kunststoff-Fensterprofilsysteme (RAL-GZ 716/1 [RAL08]) als auch in der DVS-Richtlinie 2207-25 [DVS89] als das anzuwendende Prüfverfahren für geschweißte Eckverbindungen festgelegt. Dabei werden die Schenkel der zu prüfenden Ecke unter einem Winkel von (45 ± 1) so geschnitten, dass die neutrale Faser auf den Auflageflächen lotrecht über den Drehachsen des Prüfwagengeräts liegt (vgl. Abbildung 9). Die Schweißverbindung wird durch eine Kraft (F) bis zum Bruch belastet (vgl. Abbildung 10) und deren Verlauf aufgezeichnet. Die ermittelte Höchstkraft (F Bruch ) wird als Eckfestigkeit bezeichnet. Sie darf den Grenzwert einer errechneten Mindestbruchkraft (F Soll ) nicht unterschreiten. F Soll errechnet sich aus der geforderten Mindestbruchspannung σ = 35 N/mm² in der Schweißnaht sowie der Profilgeometrie. Für die Berechnung von F Soll wurde bei beiden Profilen der komplette Profilquerschnitt (auch faserverstärkte Materialanteile) berücksichtigt. Abbildung 9: Prüfanordnung für die Eckfestigkeit mit Wagengerät (a = 400 mm) [DVS89] Abbildung 10: Bis zum Bruch belastete Eckverbindung auf Universalprüfmaschine ZWICK 1475 Im Rahmen dieser Arbeit wurden, falls nicht anders erwähnt, jeweils 5 Ecken pro Versuchsreihe geprüft und der Schweißwulst (entsprechend der RAL-Anforderung) nicht entfernt. Die Probekörper wurden vor der Prüfung mindestens 24 Stunden im Normklima gemäß DIN EN ISO 291 (23 C, 50 % relative Feuchte) konditioniert. Vor dem Schweißen wurden die Profilschenkel zunächst in 45 -Schnitten auf das für die spätere Prüfung erforderliche innere Randfasermaß zugesägt. Das Schweißen der Eckverbindungen erfolgte auf einer Einkopfschweißmaschine von URBAN (AKS1200/1) im Diagonalschub (vgl. Abbildung 11). Diese Maschine war mit Kraft- und Wegsensoren ausgestattet, um den Angleich- und Fügdruck exakt einstellen zu können und das Erreichen des vorgegebenen Fügewegs bei jeder Schweißung überprüfen zu können. Um Untersuchungen bzgl. des Einflusses unterschiedlicher Schweißwege auf die Eckfestigkeit durchführen zu können, wurde die Maschine zudem von URBAN mit variablen Anschlägen zur beliebigen Einstellung von Angleich- und Fügeweg ausgestattet. Abbildung 11: Heizelementstumpfschweißen einer Eckverbindung (URBAN AKS1200/1)

16 Dabei wurden zunächst erneut die für die Verarbeitung von unverstärkten PVC-Fensterprofilen üblichen Startschweißparameter (vgl. Tabelle 1) angewandt, um die damit erreichte Verbindungsqualität als Ausgangpunkt für weitere Optimierungen heranziehen zu können. In Tabelle 3 sind die für das Fensterprofil Geneo angewandten Schweißparameter aufgelistet und in Abbildung 12 die damit erreichten Eckfestigkeiten dargestellt. Parameter- Nr. (Geneo) Heizelementtemperatur [ C] Angleichzeit* [s] Anwärmzeit [s] Fügezeit [s] Angleichweg** [mm] Fügeweg** [mm] Angleich- und Fügedruck [N/mm²] Start 250 16 20 30 1,4 1,0 0,42 G1 250 18 20 30 1,6 0,8 0,42 G2 250 20 20 30 1,8 0,6 0,42 G3 250 22 20 30 1,9 0,5 0,42 G4 250 24 20 30 2,1 0,3 0,42 G5 250 16 20 30 1,4 1,2 0,42 G6 250 16 20 30 1,4 0,8 0,42 G7 250 16 20 30 1,4 0,6 0,42 G8 250 16 20 30 1,4 0,5 0,42 G9 250 16 20 30 1,4 0,3 0,42 G10 250 15 25 30 1,1 0,8 0,42 * Resultiert aus übrigen Parametereinstellungen und Materialverhalten ** Je Fügepartner; senkrecht zur Fügefläche Tabelle 3: Schweißparameter zur Untersuchung der Eckfestigkeit beim HS von Geneo-Profilen Start Abbildung 12: Eckfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 3) gegenüber Mindestfestigkeit (F Soll ) und Startparameterfestigkeit beim HS von Geneo-Profilen Da beim Profil Geneo bereits mit Startparametern sehr hohe Festigkeiten möglich sind, wurde anhand der Parameterstudien in erster Linie untersucht, ob durch angepasste Schweißwege noch weitere Festigkeitsvorteile erreicht werden könnten. Hierbei wurde zunächst nicht der gesamte Schweißweg (Angleichen und Fügen), sondern lediglich das Verhältnis von Angleich-

17 und Fügeweg geändert. Der Fügeweg wurde sukzessive reduziert und der Angleichweg entsprechend erhöht (G1 bis G4). Da dies einen kontinuierlichen Abfall der Nahtfestigkeit zur Folge hatte, wurde der Angleichweg im Weiteren konstant auf dem Standardwert gehalten und der Fügeweg leicht erhöht (G5) bzw. erneut stetig reduziert (G6 bis G9). Es zeigte sich auch hier ein deutlicher Rückgang der Eckfestigkeit mit höheren und geringeren Fügewegen. Nach diesen Erkenntnissen lässt sich mit dem faserverstärkten Fensterprofil Geneo die höchste Schweißnahtfestigkeit mit den für unverstärkte PVC-Fensterprofile üblichen Schweißparametern erreichen. Ein Fügeweg von 1,0 mm scheint hier in den besten Nahteigenschaften zu resultieren. Bei den energeto -Profilen konnte mit den Startparametern keine reproduzierbare Schweißverbindung hergestellt werden, da der vorgegebene Fügeweg aufgrund der hohen Viskosität der PBT-GF-Stege bei 250 C nicht vollständig erreicht werden konnte. Deshalb wurde bei diesen Parametern der Angleich- und Fügedruck für die Startparameter auf 0,8 N/mm² erhöht. Die weiteren angewandten Schweißparameter sind Tabelle 4 zu entnehmen, während die damit erreichten Eckfestigkeiten in Abbildung 13 dargestellt sind. Parameter- Nr. (energeto ) Heizelementtemperatur [ C] Angleichzeit* [s] Anwärmzeit [s] Fügezeit [s] Angleichweg** [mm] Fügeweg** [mm] Angleich- und Fügedruck [N/mm²] Start *** 250 13 20 30 1,4 1,0 0,80 E1 250 33 20 30 1,4 0,5 0,42 E2 250 33 25 30 1,4 0,5 0,42 E3 250 33 30 30 1,4 0,5 0,42 E4 250 33 20 30 1,4 0,3 0,42 E5 250 38 20 30 2,1 0,3 0,42 E6 270 28 15 30 2,1 0,3 0,42 E7 270 22 15 30 1,4 0,3 0,42 E8 270 11 20 30 1,4 1,0 0,70 E9 280 20 10 30 1,4 0,3 0,42 E10**** 250 16 20 30 1,4 1,0 0,42 * Resultiert aus übrigen Parametereinstellungen und Materialverhalten ** Je Fügepartner; senkrecht zur Fügefläche *** Erhöhter Angleich- und Fügedruck, um Schweißwege zu erreichen **** PBT-GF-Stege wurden vor dem Schweißen aus dem Fügebereich entfernt Tabelle 4: Schweißparameter zur Untersuchung der Eckfestigkeit beim HS von energeto -Profilen Mit den (angepassten) Startparametern wurde nicht die geforderte Mindestfestigkeit erreicht. Aufgrund des höheren Schmelzpunktes des PBT-GF (gegenüber PVC) ist dieses Material nach 20 s Anwärmzeit bei 250 C noch nicht ausreichend plastifiziert, um mit dem eingegebenen Schweißdruck den vorgegebenen Fügeweg erreichen zu können. Der dafür erforderliche erhöhte Fügedruck (0,8 MPa) wirkt sich negativ auf die Nahtqualität aus. Daher wurde einerseits die Anwärmzeit erhöht und andererseits der Fügeweg reduziert, um reproduzierbar schweißen zu können (E1 bis E5). Es zeigte sich, dass ein reduzierter Fügeweg auch mit ansonsten standardmäßigen Parametern erreicht werden kann und in einer ausreichend hohen Nahtfestigkeit resultiert (E1 und E5).

18 Start Abbildung 13: Eckfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 4) gegenüber Mindestfestigkeit (F Soll ) und Startparameterfestigkeit beim HS von energeto - Profilen Weiter wurden Schweißversuche bei erhöhter Temperatur durchgeführt (E6 bis E9), um dem Schmelzpunkt beider am Schweißprozess beteiligten Materialien (PVC und PBT-GF) gerecht zu werden. Dabei wurde die höchste Eckfestigkeit bei 270 C, 20 s Anwärmzeit, standardmäßigen Schweißwegen und einem erhöhten Angleich- und Fügedruck von 0,70 N/mm² erreicht. Diese Parameter sind demnach sowohl für PBT-GF als auch für PVC geeignet, obgleich sie eine relativ hohe Temperaturbelastung des PVC-Materials bedeuten. Daher wurden Materialproben aus Schweißungen mit diesen Parametern aus Grundmaterial und Schweißnaht entnommen, um den Einfluss des Schweißprozesses auf die thermische Reststabilisierung des PVC im Dehydrochlorierungsverfahren (DHC) zu bestimmen. Dabei wurde eine um ca. 5 % reduzierte Stabilitätszeit des Materials aus der Schweißnaht festgestellt, was nicht als kritisch zu bewerten ist, da ein thermischer Schweißprozess die Stabilisierung von PVC immer leicht beeinflusst. Denkbare Einflüsse auf die Wetterechtheit wurden in Punkt 3.1.3 untersucht. Ferner wurde exemplarisch versucht, wie sich die energeto -Profile ohne den Einfluss der PBT-GF-Stege schweißen lassen. Hierzu wurden letztere vor dem Schweißen der Eckverbindungen durch Fräsen um einige Millimeter aus dem Schweißbereich entfernt und anschließend die Fensterprofile mit den Startschweißparametern gefügt (vgl. Abbildung 14). Die somit geschweißten Eckverbindungen erreichten hohe Festigkeiten über den Mindestanforderungen (E10). Dies zeigt, dass die PBT-GF-Stege nicht nennenswert zur Verstärkung der geschweißten Eckverbindungen beitragen, werden aber dazu nicht gebraucht, da die Mindesteckfestigkeit ohnehin erreicht wird. Es ist allerdings zu bedenken, ob ein zusätzlicher (automatisierter) Arbeitsschritt zum Zurückfräsen der PBT-GF-Stege vor dem Schweißen Abbildung 14: energeto -Profil mit zurückgefrästen PBT-GF-Stegen (1) vor dem Schweißen 1