SKZ: Forschungsarbeit – Wirtschaftlichkeit beim Schweißen von PVC-Fensterprofilen

[inspic=415,left,,0]Die „Erhöhung und Bewertung der Wirtschaftlichkeit beim Schweißen von PVC-Fensterprofilen“ war der Anlass für das gleichnamige Forschungsvorhaben am Süddeutschen Kunststoff-Zentrum (SKZ) in Würzburg. Fensterhersteller wenden derzeit Schweißparameter an (Temperaturen, Zeiten, Drücke), die vor mehr als 20 Jahren für damalige Profile und Schweißmaschinen entwickelt wurden. Die PVC-Rezepturen und Verarbeitungsmaschinen haben seitdem zahlreiche Optimierungsphasen durchlaufen, sodass die Anpassung des Schweißprozesses an diese Verhältnisse ein naheliegendes Ziel darstellt. Im Rahmen einer öffentlich geförderten Forschungsarbeit, gefördert               durch  das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, am SKZ wurde dieses Ziel mit Hinblick auf eine Reduzierung der Schweißzeit und eine damit verbundene Erhöhung der Wirtschaftlichkeit in Angriff genommen. [inspic=416,right,,0]Die Prozessbedingungen sollten so angepasst werden, dass weder die Nahtqualität (Festigkeit, Thermostabilität, Optik und Witterungsbeständigkeit) noch die Nachhaltigkeit und die Anwendbarkeit des Prozesses negativ beeinflusset werden. Der Schweißprozess bei PVC-Fensterprofilen setzt sich wie jeder andere Heizelementstumpfschweißprozess aus den vier Phasen Angleichen, Anwärmen, Umst  ellen und Fügen zusammen. Vor allem in der Angleich- und Anwärmphase wurde eine potenziell mögliche Zeitersparnis vermutet. Dieses Potenzial sollte mittels umfangreicher Parameterstudien an zahlreichen kommerziell eingesetzten PVC-Fensterprofilen quantifiziert und nutzbar gemacht werden. Dabei lag die Hauptsystematik in einer Erhöhung der Heizelementtemperatur von den aktuell üblichen 250 °C auf bis zu 300 °C und einer entsprechenden Reduzierung der Anwärmzeit von aktuell mindestens 20 s auf bis zu 0 s. Die Angleichzeit ist aufgrund der wegabhängigen Steuerung von der Schmelzeviskosität abhängig und wird infolge dessen beim Schweißen mit erhöhten Heizelementtemperaturen ebenfalls verkürzt. Um das richtige Verhältnis aus Temperatur und Temperatureinwirkzeit (= Angleichphase + Anwärmphase) aus Sicht der resultierenden mechanischen Eigenschaften zu erarbeiten, wurden hauptsächlich an Weißprofilen Schweißversuche unter Variation der Parameter Temperatur, Zeit und Druck durchgeführt. Die Ermittlung der Eckfestigkeit (= maximale Bruchkraft im Druckversuch) ist sowohl in der RAL-Gütesicherungsrichtlinie RAL-GZ 716/1 als auch in der DVS-Richtlinie 2207-25 als das anzuwendende mechanische Prüfverfahren für geschweißte Eckverbindungen an PVC-Fensterprofilen festgelegt. Zunächst wurde der für die resultierende Eckfestigkeit ideale Angleich- und Fügedruck für unterschiedliche Heizelement-Temperaturen und PVC-Rezepturen ermittelt. Der gewählte Angleich- und Fügedruck nimmt großen Einfluss auf die erreichbaren Bruchkräfte in der Eckfestigkeitsprüfung. Die Unterschiede in den rheologischen Eigenschaften, welche sich durch Temperatur und PVC-Rezeptur ergeben, fallen demnach in den hier betrachteten Dimensionen zu gering aus, um für die mechanische Nahtfestigkeit relevant zu sein. Daher wurde in den weiteren Untersuchungen stets mit diesen ermittelten Druckverhältnissen geschweißt. Es konnte trotz der relativ großen Rezepturabhängigkeit der Schweißeignung eine Kombination aus HE-Temperatur und Anwärmzeit ermittelt werden (280 °C / 10 s), die für alle untersuchten Weißprofile zu einem ca. 24 % (≈ 17 s) kürzeren Schweißzyklus bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Eckfestigkeit um durchschnittlich ca. 17 % führte. ++++ Während bei einer Temperatur von 280 °C alle untersuchten Profile mit verbesserten resultierenden Nahtfestigkeiten geschweißt werden können, ist eine Schweißung bei 290 °C oder 300 °C nicht mehr für jede Profilrezeptur mit ausreichender Festigkeit möglich. Profile mit sehr guter Schweißeignung ließen jedoch bei 300 °C im Idealfall selbst einen vollständigen Verzicht auf die Anwärmzeit zu (Wärmeeintrag erfolgt ausschließlich in der Angleichphase), was bezogen auf den Gesamtzyklus einem zeitlichen Vorteil von ca. 40 % entspricht. Hierbei lag die Eckfestigkeit zwar nicht mehr auf dem Niveau der Standardschweißbedingungen, jedoch immer noch rund 25 % über den Mindestanforderungen. Die ideale Kombination aus Temperatur und Anwärmzeit kann aufgrund der teilweise stark unterschiedlichen Profileigenschaften   nicht pauschalisiert angegeben werden, sondern muss für das zu fügende Profil jeweils individuell ermittelt werden. ++++ Da nicht nur die mechanischen Nahteigenschaften ausschlaggebend für die Qualität der Schweißverbindung sind, musste die Eignung der ermittelten Parameterkombinationen durch weitere Untersuchungen verifiziert werden. Die Bestimmung der Thermostabilität wurde im so genannten Dehydrochlorierungsverfahren gemäß DIN 53381 – Teil 1 an mit unterschiedlichen Temperatur-Zeit-Kombinationen geschweißten Probekörpern durchgeführt. Dazu wurde jeweils Material direkt aus dem Nahtbereich, der Schweißwulst sowie aus einem am Schweißvorgang unbeteiligten Profilbereich entnommen und analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl bei den Standardschweißparametern als auch bei den Hochtemperaturparametern kein geschädigtes Material im Nahtbereich vorhanden ist. Das Material im Schweißwulst erfährt hingegen eine erhöhte Temperaturbelastung, was sich in einem leichten Rückgang der Thermostabilitätszeiten gegenüber dem Grundmaterial und einer gelblichen Verfärbung bemerkbar macht. Dieses Wulst-Material wird allerdings in einem Nachbearbeitungsschritt standardmäßig spanend aus dem Sichtbereich entfernt, sodass diesbezüglich keine Beeinträchtigung der Produktqualität des entstehenden Fensterrahmens zu erwarten ist. Fazit: Um den wirtschaftlichen Nutzen der erzielten Ergebnisse bewerten zu können, wurde der Schweißprozess bei unterschiedlichen Parametern hinsichtlich Zykluszeit, Energiebedarf, Umweltauswirkungen und Lohnkosten charakterisiert. Verglichen wurden auch hier die aktuell üblichen Standardparameter („250 °C / 20 s“) mit den bezüglich Qualität optimierten Parametern („280 °C / 10 s“) sowie mit möglichst zeitsparenden Einstellungen („290 °C / 2 s“). Es konnte gezeigt werden, dass das Schweißen von PVC-Fensterprofilen bei höheren Temperaturen (als aktuell üblich) eine Senkung der Zykluszeit, eine Erhöhung der Nahtqualität und eine Verbesserung der Ökonomie des Prozesses ermöglicht. Es ist daher eine Anpassung des Verfahrens in Anlehnung an die ermittelten optimierten Parameter zu empfehlen. Eine exakte Überprüfung der Anwendbarkeit modifizierter Parameter auf bestimmte PVC-Profile ist allerdings unumgänglich. Nur so kann die Sicherheit des Schweißprozesses und der Qualität der Verbindung gewährleistet und der resultierende wirtschaftliche Nutzen sinnvoll umgesetzt werden.

Kontakt: b.baudrit@skz.de, s.kleinschnitz@skz.de.