Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff
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Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff
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 [email protected] 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 Antragstitel Stichworte Laufzeit 12 Monate Zwischenberichte Referat 21/2 123.500,00 € Fördersumme Schweißprozessentwicklung für faserverstärkte Kunststoff-Fensterprofile unter ökologischen Gesichtspunkten Schweißen, Fenster, Kunststoff, Faserverstärkung, Heizelement, Infrarot Projektbeginn 12.04.2011 21.07.2011 Projektende 11.04.2012 Projektphase(n) Bewilligungsempfänger URBAN GmbH & Co Maschinenbau KG Dornierstr. 5 87700 Memmingen Tel 08331 858 - 430 Fax - 170 Projektleitung Herr Wolfgang Tesch Bearbeiter - Kooperationspartner SKZ - KFE gGmbH Kunststoff-Forschung und -Entwicklung Friedrich-Bergius-Ring 22 97076 Würzburg Zielsetzung und Anlass des Vorhabens 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 KurzzeitZugschweißfaktoren ........................................................................................................... 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 (FSoll) und Startparameterfestigkeit beim HS von Geneo-Profilen ............................................................................................................ 16 Abbildung 13: Eckfestigkeiten der Schweißungen mit angepassten Parametern (vgl. Tabelle 4) gegenüber Mindestfestigkeit (FSoll) 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 HSSchweißung bei Startparametern und ermittelte Zugfestigkeiten von IR-Schweißungen gemäß den Parametern aus Tabelle 11 (mit Blenden) sowie entsprechende KurzzeitZugschweißfaktoren............................................................................................................ 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 EnergetoProfilen unter Einsatz von Quarzglasblenden (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8) ..... 35 Tabelle 12: Masseanteile der einzelnen Bestandteile einer entsprechend dimensionierten PTFESchweißfolie 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. Az CIE Willkürliche (unskalierte) Einheit (engl.: „arbitrary unit“) Aktenzeichen 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 pAG PBT PEEK pF Polybutylenterephthalat Polyetheretherketon Fügedruck PID PS PVC PVC-P RAL sAG Photoionisationsdetektor Strahlerleistung Polyvinylchlorid Weichgemachtes PVC (engl.: „plasticized PVC“) Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. (Früher: Reichsausschuss für Lieferbedingungen) Angleichweg sF Fügeweg sS Schweißweg (Maßzugabe) tAG Angleichzeit tAW Anwärmzeit tF Fügezeit THE tS Heizelementtemperatur Schweißzeit (Gesamtzeit) tU Umstellzeit VOC 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 PVCFensterprofile. 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-GFMaterial 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 KunststoffFensterprofile 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 Armierungssteg 1 (PBT-GF50 ) Hersteller aluplast Profilbezeichnung Energeto® 8000 Profiltyp Flügelprofil, weiß Armierung PBT-GF50 (2 Stege) 1 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 Verstärktes Kernmaterial 2 (PVC-GF12 ) Hersteller REHAU Profilbezeichnung Geneo 532036 Profiltyp Flügelprofil, weiß Armierung PVC-GF12 (Kernmaterial) 2 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] sAG Angleichweg tU Umstellzeit sF Fügeweg tF Fügezeit sS Schweißweg (Maßzugabe) tS Schweißzeit (Gesamtzeit) tAG Angleichzeit pAG Angleichdruck tAW Anwärmzeit pF 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 20 s Fügezeit 30 s Angleichweg* 1,4 mm Fügeweg* 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 KurzzeitZugschweißfaktoren 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 PBTGF 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 PBTGF 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- Heizelement- Angleich- AnwärmNr. temperatur zeit* zeit [°C] [s] [s] Fügezeit [s] Angleichweg** [mm] Fügeweg** [mm] Angleich- und Fügedruck [N/mm²] 30 1,4 1,0 0,42 30 1,4 1,0 0,42 1,0 0,42 250 30 250 30 2 270 22 15 30 1,4 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 Start 1 20 30 * 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 (FBruch) wird als Eckfestigkeit bezeichnet. Sie darf den Grenzwert einer errechneten Mindestbruchkraft (FSoll) nicht unterschreiten. FSoll errechnet sich aus der geforderten Mindestbruchspannung σ = 35 N/mm² in der Schweißnaht sowie der Profilgeometrie. Für die Berechnung von FSoll 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- Heizelement- AngleichNr. temperatur zeit* (Geneo) [°C] [s] 16 Start 250 Anwärmzeit [s] Fügezeit [s] Fügeweg** [mm] 1,0 Angleich- und Fügedruck [N/mm²] 30 Angleichweg** [mm] 1,4 20 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 0,42 250 16 30 1,4 0,6 0,42 250 16 30 1,4 0,5 0,42 250 16 30 1,4 0,3 0,42 250 15 30 1,1 0,8 0,42 G7 G8 G9 G10 20 20 20 25 * 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 (FSoll) 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- HeizelementNr. temperatur (energeto®) [°C] “Start”*** 250 Angleichzeit* [s] 13 Anwärmzeit [s] Fügezeit [s] Fügeweg** [mm] 1,0 Angleich- und Fügedruck [N/mm²] 30 Angleichweg** [mm] 1,4 20 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 0,80 * 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 (FSoll) 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 1 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, Abbildung 14: energeto®-Profil mit ob ein zusätzlicher (automatisierter) Arbeitsschritt zum zurückgefrästen PBT-GF-Stegen (1) Zurückfräsen der PBT-GF-Stege vor dem Schweißen vor dem Schweißen 19 tragbar wäre. Hierdurch ließen sich Herausforderungen im Schweißprozess selbst – insbesondre in Bezug auf den Verschleiß der Heizelementbeschichtung (vgl. Punkt 3.1.3) – vollständig vermeiden. 3.1.3 Künstliche Bewitterungstests und Farbmessungen Die Wetterechtheit und Wetterbeständigkeit von PVC-Profilen für Fenster und Türen nach RALGZ 716/1 [RAL08] wird gemäß DIN EN 513 [DIN01] durch künstliche Bewitterung bestimmt. Unter diesen Bewitterungsbedingungen können auch Schweißnähte bewittert werden, wobei dies keine verpflichtende Anforderung ist. Da der Schweißprozess sich jedoch auf die Bewitterungsbeständigkeit und die Farbechtheit der PVC-Materialien auswirken kann und zudem im Rahmen dieses Projekts Schweißparameter variiert wurden, wurde exemplarisch an Schweißproben eine künstliche Bewitterung durchgeführt und die Auswirkungen durch Farbmessungen beurteilt. Es wurden aus den beiden Fensterprofilen Geneo und energeto® Probekörper aus der Deckschicht des unverschweißten Grundmaterials bewittert sowie Schweißnähte, die bei Startbedingungen hergestellt wurden und Schweißnähte, die mit angepassten Parametern geschweißt wurden. Eine Übersicht der bewitterten Proben gibt Tabelle 5. Die Schweißwülste wurden vor der Bewitterung durch Fräsen entfernt. Bezeichnung Material Typ Schweißparameter G-G Geneo Grundmaterial - G-S Geneo Schweißnaht Start (vgl. Tabelle 3, S. 16) G-P Geneo Schweißnaht G10 (vgl. Tabelle 3, S. 16) E-G energeto® Grundmaterial - E-S energeto® Schweißnaht Start (vgl. Tabelle 4, S. 17) E-P energeto® Schweißnaht E8 (vgl. Tabelle 4, S. 17) Tabelle 5: Probekörper für künstliche Bewitterung und Farbmessung Die Farbmessungen der Grundmaterialien und der Schweißnähte wurden vor der Bewitterung und anschließend nach 286 h, 510 h, 980 h und 1.391 h Bewitterungsdauer gemäß DIN 5033 [DIN02] durchgeführt. Die wichtigste Größe ist der sich ergebende Farbabstand ∆E* im CIE1L*a*b*-Farbraum. Dieser dimensionslose Farbabstand ∆E* darf bei (ungeschweißten) PVCFensterprofilmaterialien laut RAL-Anforderung vom unbewitterten Material zur bewitterten Probe nicht größer als 3,4 sein, sodass dies hier auch als Grenzwert für die Farbänderung der Schweißnähte herangezogen wird. Bei beiden Materialien ist sowohl beim ungeschweißten Grundmaterial als auch bei den Schweißnähten eine leichte Änderung des Farbabstandes, insbesondere während den ersten 300 h, zu verzeichnen. Der Farbabstand liegt jedoch in jedem Fall noch unter dem zulässigen Grenzwert von 3,4. Bei den Schweißnähten fielen die gemessenen Farbabstände etwas höher als beim Grundmaterial aus, allerdings kann kein klarer Einfluss der geänderten Schweißparameter beobachtet werden. Es ist daher nicht davon auszugehen, dass sich der Schweißprozess bei den betrachteten faserverstärkten Fensterprofilmaterialien nachteilig auf die Wetterechtheit auswirkt. Auch der Einsatz höherer Schweißtemperaturen und Anwärmzeiten, also eine höhere Temperaturbelastung, zeigten hier keinen deutlichen Einfluss diesbezüglich. 1 Internationale Beleuchtungskommission (CIE: Commission internationale de l’éclairage) 20 3.1.4 Vergleich verschiedener Heizelementbeschichtungen Das Verhalten der betrachteten Profilmaterialien beim Heizelementstumpfschweißen hinsichtlich Haftung und Verschleiß am Heizelement sollte betrachtet werden. Standardmäßig kommen bei Fensterschweißmaschinen mit Fluorkunststoffen beschichtete Glasgewebefolien als Antihaftbeschichtung zum Einsatz. Diese werden auf die Heizelemente gespannt, um sie bei Bedarf einfach wechseln zu können. Die verwendeten Fluorkunststoffe (in der Regel Polytetrafluorethylen (PTFE)) weisen jedoch eine relativ geringe Härte und Verschleißfestigkeit auf, was vor allem beim Kontakt mit extrem harten Stoffen wie Glasfasern zum Problem werden kann. Um diese Herausforderung bewerten zu können, wurden mit den beiden betrachteten Fensterprofilmaterialien mehrere Schweißungen bei Startparametern jeweils mit einer Antihaftfolie der Fa. URBAN durchgeführt und dabei das Verschleiß- bzw. Haftverhalten beobachtet. Diese Tests wurden sowohl auf einer Diagonalschub- als auch auf einer Parallelschubschweißmaschine durchgeführt. Beim Profil Geneo zeigten sich selbst nach 75 Schweißungen (Diagonal- und Parallelschubschweißmaschine) keine Materialrückstände an den Schweißfolien sowie keine signifikanten Verschleißerscheinungen, sodass mit diesem Profil die Versuche nicht fortgesetzt wurden. Beim Profil energeto® sind bereits ab der ersten Schweißung gewisse Rückstände der glasfaserverstärkten PBT-Stege zu verzeichnen. Diese führen in den folgenden Schweißungen durch Druckbelastungen und Fließvorgänge zu einem kontinuierlichen Verschleiß, sodass die verwendete Schweißfolie bereits nach ca. 20 Schweißungen (Diagonalschubschweißmaschine) bzw. nach ca. 58 Schweißungen (Parallelschubschweißmaschine) einen visuellen Verschleiß aufweist. Da die Schweißfolien mit unverstärkten PVC-Fensterprofilen in der Regel für mehrere hundert Schweißungen eingesetzt werden können, sind oben genannte Verschleißeigenschaften als Verbesserungsbedürfnis einzustufen. Deshalb sollte die Einsetzbarkeit alternativer Heizelementbeschichtungen untersucht werden. Insgesamt wurden Tests mit mehr als 80 unterschiedlichen potenziellen Heizelementbeschichtungen durchgeführt. Hierzu konnten Erkenntnisse aus anderen Forschungsprojekten des SKZ [SKZ11, Sch12] genutzt werden, die sich ebenfalls mit der Thematik „Antihaftbeschichtungen für das Heizelementschweißen“ befassten. Der Versuchsplan konnte dort um die Materialien PVC (Fensterprofilrezeptur) und PBT-GF (aus energeto®-Profilen) erweitert werden. Die untersuchten Beschichtungen wurden hinsichtlich Oberflächenspannung, Topographie, Temperatureinsatzgrenze und Verschleiß charakterisiert und in praxisnahen Versuchen auf ihre Antihaftwirkung gegenüber bestimmten Kunststoffschmelzen untersucht. Obwohl hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Temperatureinsatzgrenze einige Beschichtungen im Testfeld für das Schweißen von faserverstärkten Fensterprofilen in Frage kämen, konnten im Bereich der Antihaftwirkung gegenüber den Materialien PVC und PBT-GF keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden. Das rückstandsfreie Lösen der aufgeschmolzenen Kunststoffe vom beschichteten Heizelement war bei keiner der Beschichtungen im Testfeld möglich, sodass eine Substitution der aktuell eingesetzten Antihaftfolien für Fensterschweißmaschinen keinen zielführenden Vorteil mit sich brächte. Da mit den alternativen Beschichtungen keine zielführenden Resultate erreicht wurden, wurde der Fokus der weiteren Untersuchungen auf das berührungslose Schweißen mittels Infrarotstrahlung als mögliches Ersatzverfahren gelegt (vgl. Punkt 3.2). 21 3.1.5 Zwischenfazit: Heizelementstumpfschweißen Durch die Ermittlung von Kurzzeit-Zugschweißfaktoren konnte eine grundsätzlich sehr gute Schweißbarkeit der Materialien PVC-GF (Geneo-Profil) und PVC (energeto®-Profil) festgestellt werden. Schweißfaktoren von 1,0 waren hier problemlos erreichbar. Das PBT-GF (energeto®-Profil) lies sich aufgrund des relativ hohen Faseranteils und wegen der hohen Grundmaterialfestigkeit zunächst „nur“ mit einem Schweißfaktor von 0,43 verbinden. Es ist aber hier zu beachten, dass mit einem solchen Faktor das Festigkeitsniveau von PVC bzw. PVC-GF erreicht wird. Durch die Anpassung der Schweißparameter auf die Materialeigenschaften des PBT-GF waren sogar Schweißfaktoren von 0,55 möglich. Mit den Geneo-Profilen können schon bei Startparametern sehr hohe Eckfestigkeiten von fast 50 % über dem Sollwert erreicht werden. Eine weitere Optimierung durch die Variation von Schweißwegen ist weder möglich noch erforderlich. Die Versuche zur Wetterbeständigkeit zeigten, dass sich der HS-Schweißprozess bei den faserverstärkten Fensterprofilen nicht negativ auf die Farbechtheit nach künstlicher Bewitterung auswirkt. Auch eine stärkere Temperaturbelastung aufgrund erhöhter Heizelementtemperaturen bzw. verlängerter Anwärmzeiten hatten hier keinen signifikanten Einfluss. Der Verschleiß der antiadhäsiven Heizelementbeschichtung (PTFE-Schweißfolie) ist beim Schweißen der Geneo-Profile nicht höher als bei unverstärkten Standard-Weißprofilen. Die PBT-GF-Stege der energeto®-Profile führen aber quasi ab der ersten Schweißung zu gewissen Rückständen auf der Schweißfolie und verschließen diese innerhalb weniger Schweißungen (ca. 20 bis 60 Schweißungen bei den durchgeführten Versuchen). Daher wurde der Einsatz alternativer Heizelementbeschichtungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit getestet. Jedoch konnte trotz eines sehr großen Testfeldes keine Beschichtung gefunden werden, die allen Anforderungen an eine Antihaftbeschichtung für das Schweißen von Fensterprofilen entspricht und somit einen Vorteil gegenüber der bestehenden Lösung (PTFE-Schweißfolien) erbringt. Daher wurde der Fokus der weiteren Untersuchungen verstärkt auf den Einsatz des IR-Schweißens als alternatives berührungsloses Fügeverfahren gelegt. Insgesamt kann das Heizelementstumpfschweißen aus technischer Sicht als gut geeignetes Schweißverfahren sowohl für das Geneo-Profil als auch für das energeto®-Profil betrachtet werden. Allerdings stellt hier das PBT-GF-Material der Verstärkungsstege eine Herausforderung bzgl. Prozessführung und Verschleiß dar. 22 3.2 Infrarotschweißen Das Infrarotschweißen ermöglicht im Gegensatz zum Heizelementstumpfschweißen das Schweißen unter hochreinen Bedingungen sowie das Schweißen von abrasiven Werkstoffen, da die zu fügenden Halbzeuge nicht mit dem Heizelement in Kontakt kommen, sondern über Strahlung erwärmt werden. Das Verfahren hat sich bereits vor allem in der Automobilindustrie und der Medizintechnik bewährt. Für das Schweißen von PVC-Fensterprofilen wurde das IRSchweißen bisher noch nicht eingesetzt. Es stellt jedoch insbesondere für das Schweißen von faserverstärkten Fensterprofilen eine interessante Alternative zum HS dar. Abbildung 15 zeigt den prinzipiellen Ablauf sowie den schematischen Druck- und Wegverlauf einer IR-Schweißung. Zu beachten ist hierbei die im Vergleich zum Heizelementstumpfschweißen fehlende Angleichphase. Abbildung 15: Schematischer Ablauf einer IR-Schweißung mit Druck- und Wegverlauf Infrarot-Strahler werden in der Regel anhand der maximal emittierten Strahlung unterteilt. Im Gegensatz zu einem Laser emittieren IR-Strahler nicht nur eine Wellenlänge, sondern vielmehr ein Spektrum, welches bei einer bestimmten strahlerspezifischen Wellenlänge sein Maximum zeigt. Es sind IR-Strahler erhältlich, welche hauptsächlich kurzwellige, mittelwellige oder langwellige Infrarotstrahlung emittieren. In Abbildung 16 sind Emissionsspektren verschiedener Infrarot-Strahler dargestellt. Der ideale Strahler für einen bestimmten Einsatzzweck muss stets im Vorfeld ausgesucht werden, da (analog zu den Emissionsspektren der Strahler) jeder Kunststoff ein spezifisches Absorptionsspektrum u. a. für IR-Strahlung besitzt. Abbildung 16: Emissionsspektren Dieses ist hauptsächlich abhängig von der verschiedener IR-Strahler [Her10] makromolekularen Zusammensetzung des Kunststoffes und den möglicherweise enthaltenen Füllstoffen. 23 Ein Absorptionsmaximum bei ca. 3 - 4 µm ist charakteristisch für Kunststoffe, da es sich hierbei um den Resonanzbereich der [CH]-Gruppe handelt. Füllstoffe erhöhen in der Regel den Absorptionsgrad eines Kunststoffes deutlich. Das bedeutet, dass die auftreffende Strahlung nicht mehr so tief in das Bauteil eindringen kann, sondern bereits an der Oberfläche in Wärme umgewandelt wird. Das Bauteil wird somit bis zur Erreichung einer ausreichenden Schmelzeschichtdicke über Wärmeleitung erwärmt. [Geh08, Rat07] Die Erwärmung eines verstärkten Kunststoffes über Oberflächenabsorption und Wärmeleitung erfordert in der Regel eine deutlich längere Anwärmzeit als bei reinen Kunststoffen. Dies wiederum kann allerdings zu einer beschleunigten thermischen Schädigung der obersten Schichten des Bauteils führen, da diese über eine längere Zeit den hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Um trotz dieser Umstände ein gutes Schweißergebnis zu erhalten, muss also die Strahlerleistung bzw. -temperatur genau auf die Materialeigenschaften eingestellt werden. [Rat07, Bon00] Neben dem Fügedruck und der Strahlertemperatur bzw. -leistung ist beim Infrarotschweißen auch die Entfernung der zu fügenden Bauteile zum Strahler in der Anwärmphase von hoher Bedeutung. Die DVS-Richtlinie 2207-6 gibt eine maximale Abweichung der Planparallelität von 0,3 mm vor [DVS03]. Ein definierter Abstand zwischen Probe und Strahler ist entscheidend, um die eingestellte hohe Temperatur sinnvoll nutzen und reproduzierbar arbeiten zu können. Typische Abstände zum Strahler liegen im Bereich von wenigen Millimeter und sind stark werkstoffabhängig. 3.2.1 Grundlegende Versuche zum Erwärm- und Aufschmelzverhalten Nach Beratungsgesprächen mit dem Infrarotstrahler-Hersteller HERAEUS Noblelight GmbH wurde ein Teststand für grundlegende Untersuchungen zum Erwärm- und Aufschmelzverhalten der betrachteten Fensterprofilmaterialien konzipiert, von URBAN umgesetzt und dem SKZ zur Verfügung gestellt (vgl. Abbildung 17). 1 2 4 3 Abbildung 17: Links: Prinzip-Zeichnung des IR-Teststands; Rechts: Labor-Aufbau mit Teststand (1), Profil-Probekörper (2), Leistungssteller (3) und Funktionsgenerator (4) Für diesen Teststand wurden drei kurzwellige Zwillingsrohr-IR-Strahler aus Quarzglas gewählt, welche im Abstand zueinander und zu den Probekörpern variiert werden können. Die Strahler weisen jeweils die in Tabelle 6 aufgelisteten Spezifikationen auf. 24 Rohrtyp 23x11 mm (Breite x Höhe) Reflektor Mit Spezialgoldreflektor (einseitig) Bauform Bauform B; beide Kanäle beheizt Anschlussart 1-seitig Max. Strahlerleistung 1.150 W Strahlerspannung 230 V Gesamtlänge 215 mm Beheizte Länge 150 mm Tabelle 6: Spezifikationen der kurzwelligen Zwillingsrohr-IR-Strahler Über einen Leistungssteller können die Strahler zwischen 0 und 100 % Leistung stufenlos angesteuert werden. Zudem ermöglicht eine externe Schnittstelle die Steuerung der Strahler mit einem Funktionsgenerator, sodass beliebige zeitabhängige Leistungsverläufe vorgegeben werden können. Die technischen Daten des Leistungsstellers sind dem Datenblatt im Anhang zu entnehmen (Punkt 8). Mit diesem entwickelten Teststand sollten mit relativ geringem konstruktiven und maschinentechnischen Aufwand erste Erkenntnisse zum Anwärmen und Aufschmelzen der Fensterprofilmaterialien generiert werden. Dazu wurden zunächst kurze Profilabschnitte (ca. 2 cm lang) unter den Infrarotstrahlern positioniert und mit unterschiedlichen Parametereinstellungen bestrahlt. Die relevanten Parameter waren hierbei: - Abstand der Strahler zur aufzuschmelzenden Profilfläche Abstand der Strahler zueinander Strahlerleistung Anwärmzeit Einerseits wurden direkt nach Ablauf der Anwärmzeit die Profilflächen mittels Thermokamera analysiert, um die Homogenität der Erwärmung zu überprüfen und beispielsweise „Hot- und Coldspots“ zu lokalisieren sowie das Strahlerfeld dementsprechend anpassen zu können. Abbildung 18 verdeutlicht dies exemplarisch. Daraus wird ersichtlich, dass sich ein größerer Abstand der Strahler sowohl untereinander als auch zum aufzuschmelzenden Profil positiv auf die Temperaturverteilung über die Profilfläche auswirken kann und folglich thermisch geschädigtes Material am Fügeteil verhindert werden kann. Dies wird jedoch eine längere Anwärmzeit zur Erzeugung der gleichen Schmelzeschichtdicke erfordern. Grundsätzlich ist daher ein möglichst enger Strahlerabstand untereinander und falls erforderlich eine höhere Strahleranzahl zu empfehlen, um ein homogenes Strahlerfeld zu schaffen und somit auch den Abstand zu den Fügeteilen sowie die Anwärmzeit gering halten zu können. 25 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) Andererseits wurden die Profilabschnitte unmittelbar nach dem Anwärmen auf einem speziellen Laboraufbau zur Bestimmung der erzeugten Schmelzeschichtdicke platziert. Dort wurde ein Prüfkeil (Keilwinkel 90°) aus PEEK (Polyetheretherketon) mit einer definierten Kraft senkrecht gegen einen ausgewählten aufgeschmolzenen Profilsteg gefahren und der dabei zurückgelegte Weg sensorisch erfasst (vgl. Abbildung 19). Somit sollte die Eindringtiefe des Keils in das plastifizierte Material quantitativ aufgezeichnet und die zuvor erzeugte Schmelzeschichtdicke in guter Näherung bestimmt werden. PEEK-Keil Abbildung 19: Anschmelzen eines Profilabschnittes durch IR-Strahler (links) und Ermittlung der Schmelzeschichtdicke an äußerer Profilwand durch Eindringen eines PEEK-Keils (rechts) Das weitergreifende Ziel dabei war es, für das jeweilige Material die Anwärmparameter bzw. Stahlerkonfiguration zu ermitteln, welche eine möglichst große Schmelzeschichtdicke erzeugen, ohne dass eine signifikante Materialdegradation an der Oberfläche stattfindet. Es stellte sich jedoch heraus, dass durch diese Methode zu hohe Werte gemessen werden, da der Keil nicht nur in die Schmelze, sondern auch in das zwar erweichte aber noch nicht vollständig aufgeschmolzene Material eindringt. Zudem werden die Messwerte durch den mit steigender Eindringtiefe größer werdenden Keilwiderstand beeinflusst. 26 Daher wurde die Methode zur Bestimmung der Schmelzeschichtdicke überarbeitet und der Teststand entsprechend angepasst. Anstelle des gesamten Profilquerschnitts sollten nun zunächst lediglich Materialproben in Form von Plättchen aus den Profilmaterialien betrachtet werden. Diese wurden wie die Probekörper für die Zugprüfung (vgl. Punkt 3.1.1, Abbildung 5) aus den Deckschichten bzw. den PBT-GF-Stegen (energeto®-Profile) entnommen und hatten Abmessungen von ca. 3x10x40 mm. Für die Erwärmung bzw. das Anschmelzen dieser Plättchen wurde lediglich ein einzelner IR-Strahler verwendet. Die Plättchen wurden nach Ablauf der Anwärmphase mit der angeschmolzenen Seite bei einem hohen Druck von 10 N/mm² gegen eine feste Metallplatte gepresst. Diese war mit einer Antihaftfolie versehen und zudem auf 95 °C temperiert, um ein sofortiges Erstarren der Schmelze zu verhindern. Durch den hohen Druck wird annähernd die gesamte zuvor erzeugte Kunststoffschmelze verdrängt, sodass der zurückgelegte Weg der erzeugten Schmelzeschichtdicke entspricht. Der Weg wurde über einen Wegaufnehmer am Teststand aufgezeichnet. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 20 zu sehen. 1 2 3 Abbildung 20: Versuchsaufbau zur Schmelzeschichtmessung. Links: IR-Strahler (1) und Probenplättchen in Erwärmposition (2). Rechts: Probenplättchen nach Schmelzeverdrängung (3) Diese Vorgehensweise erwies sich als sehr zweckmäßig zur Bestimmung des Aufschmelzverhaltens der untersuchten Materialien und lieferte sehr gut reproduzierbare Ergebnisse. Im Folgenden sind einige Ergebnisse dargestellt. In den Abbildungen 21 bis 28 sind jeweils Messwerte markiert, bei denen das Material an der Oberfläche bereits eine offensichtliche thermische Schädigung erlitten hat. „Leichte Schädigung“ bedeutet hierbei, dass z. B. bereits eine Verfärbung zu beobachten war, während „Starke Schädigung“ für eine deutlich Materialdegradation (Zersetzung) steht. Abbildung 21 und Abbildung 22 zeigen die gemessenen Schmelzeschichtdicken für das PVCGF-Material der Geneo-Profile bei 100 % Strahlerleistung, einmal in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Strahlerabständen und einmal in Abhängigkeit vom Strahlerabstand bei verschiedenen Anwärmzeiten. 27 Abbildung 21: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 100 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen Abbildung 22: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 100 % Strahlerleistung in Abhängigkeit vom Abstand bei verschiedenen Anwärmzeiten Abbildung 23 zeigt weiter die gemessenen Schmelzeschichtdicken für das PVC-GF-Material der Geneo-Profile bei 50 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Strahlerabständen. In Abbildung 24 sind für dieses Material die Schmelzeschichtdicken bei einem konstanten Abstand von 20 mm in Abhängigkeit von der Anwärmzeit für verschiedene Strahlerleistungen zu sehen. Abbildung 23: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 50 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen Abbildung 24: Schmelzeschichtdicken an PVC-GF-Material (Geneo-Profil) bei 20 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen Mit den verwendeten Strahlern und Parametern sind beim PVC-GF demnach problemlos Schmelzeschichtdicken im Bereich um 2 mm in relativ kurzer Zeit erreichbar. Bei längeren aber akzeptablen Anwärmzeiten oder höherer Materialbelastung waren in diesen Versuchen maximal etwas über 3 mm Schmelze möglich. Es ist davon auszugehen, dass durch weitere Optimierungen (z. B. andere Strahler, zeitabhängige Leistungsteuerung) noch etwas höhere Werte erreicht werden könnten, sodass ein IR-Schweißen dieses Materials gut möglich sein sollte. Hierfür wären schon Fügewege und damit Schmelzeschichtdicken von 1 bis 2 mm theoretisch ausreichend. Allerdings müssen die Zuschnittstoleranzen der Fensterprofile in der Fertigung bedacht werden, welche in gewissen Grenzen ausgeglichen werden müssen und daher je nach Übermaß etwas höhere Schmelzeschichtdicken erfordern können. 28 Abbildung 25 zeigt die gemessenen Schmelzeschichtdicken für das unverstärkte PVC-Material der energeto®-Profile mit einem konstanten Strahlerabstand von 10 mm in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Strahlerleistungen. Abbildung 26 zeigt hierfür die Ergebnisse bei einem Strahlerabstand von 20 mm. Abbildung 25: Schmelzeschichtdicken an PVC-Material (energeto®-Profil) bei 10 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen Abbildung 26: Schmelzeschichtdicken an PVC-Material (energeto®-Profil) bei 20 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen Für das Material aus den PBT-GF-Stegen der energeto®-Profile zeigt Abbildung 27 die gemessenen Schmelzeschichtdicken bei einem Strahlerabstand von 10 mm in Abhängigkeit von der Anwärmzeit für verschiedene Strahlerleistungen. In Abbildung 28 sind hingegen die Ergebnisse bei einer konstanten Strahlerleistung von 50 % in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen dargestellt. Abbildung 27: Schmelzeschichtdicken an PBT-GF-Material (energeto®-Profil) bei 10 mm Strahlerabstand in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Leistungen Abbildung 28: Schmelzeschichtdicken an PBT-GF-Material (energeto®-Profil) bei 50 % Strahlerleistung in Abhängigkeit von der Anwärmzeit bei verschiedenen Abständen Mit dem unverstärkten PVC der energeto®-Profile sind ähnliche Schmelzeschichtdicken bei vergleichbaren Bedingungen erreichbar, wie mit dem PVC-GF der Geneo-Profile. Beim PBT-GF der energeto®-Profile war es jedoch kaum möglich, Schmelzeschichtdicken von über 1 mm ohne teilweise gravierende Zersetzungserscheinungen des Materials zu erreichen. Eine Schmelzeschicht von 2 mm oder mehr konnte mit den angewandten Bedingungen in keinem Fall erreicht werden. Grund hierfür ist vermutlich zum einen die schwarze Färbung des PBT-GF und zum anderen der relativ hohe Glasfaseranteil von 50 %, was die IR-Strahlung kaum in das Material eindringen lässt und daher zu einer sehr starken Oberflächenabsorption führt. 29 Hier könnten durch den Einsatz anderer Strahler und zeitlich variabler Leistungsprofile evtl. Verbesserungen erreicht werden. Obige Kurven zeigen allgemein, dass bestimmte Schmelzeschichtdicken je nach Material durch unterschiedliche Parameterkombinationen erreicht werden können. Wenn eine erforderliche Schmelzeschichtdicke für das Schweißen der Materialien auf einer Maschine festgelegt ist, kann anhand dieser Kurven entschieden werden, welche Parametereinstellung hierfür zweckmäßig sind. Dabei kann je nach Anforderung die Priorität auf Effizienz (hohe Leistung, kurze Anwärmzeit), Platzbedarf (erforderlicher Strahlerabstand) oder Sicherheit (Material nicht beschädigt und/oder „Schmelzepuffer“) gelegt werden. Unter „Schmelzepuffer“ ist hierbei zu verstehen, dass mehr Material aufgeschmolzen wird, als eigentlich für den Schweißprozess notwendig wäre. Somit wird sicher gestellt, dass auch bei abweichenden Rahmenbedingungen genug Schmelze vorhanden ist bzw. Längentoleranzen von Profilzuschnitten ausgeglichen werden können. 3.2.2 Umrüstung einer Standard-Schweißmaschine auf IR-Technologie Aufbauend auf den Erkenntnissen der bisherigen Versuche mit der Infraroterwärmung wurde eine standardmäßige Einkopf-Heizelementstumpfschweißmaschine von URBAN für die Durchführung von IR-Schweißversuchen umgerüstet (vgl. Abbildung 29). Als Basis wurde das Modell AKS1150 herangezogen. Mit dieser Maschine können Fensterprofile im Winkel von 180° („gerade“ Stumpfschweißung) bis 30° geschweißt werden. Steuerung für IR-Strahler Spannvorrichtungen IR-Strahler-Modul Bedienelemente Leistungssteller für IR-Strahler Abbildung 29: Experimentelle Einkopf-IR-Schweißmaschine URBAN AKS1150-IR für Fensterprofile Dazu wurde das Heizelement entfernt und stattdessen ein IR-Strahlermodul hergestellt und in die Maschine integriert. Dieses fährt aus Platzgründen nicht wie üblich von unten aus dem Maschinengehäuse heraus, sondern wurde an der Rückseite auf dem Maschinentisch montiert, von wo aus es über eine Kippmechanik in die Schweißzone eingefahren werden kann. Für das Strahlermodul wurden insgesamt fünf Zwillingsrohrstrahler (vgl. Tabelle 6) ohne Goldreflektor verwendet, sodass eine beidseitige Abstrahlung erfolgen kann. Durch die beiden zusätzlichen Strahler im Vergleich zum Teststand und einen geringen Abstand zwischen den einzelnen Strahlern sollte ein möglichst homogenes Strahlerfeld geschaffen werden. Da das Strahlermodul in der Schweißposition wegen des Platzbedarfs nicht höhenverstellbar ist, kann die vertikale Lage der zu schweißenden Profile im Strahlerfeld nur über entsprechende Unterlagen variiert werden. 30 Die Maschine wurde um einen entsprechend dimensionierten Leistungssteller sowie eine spezielle Steuerung für IR-Strahler erweitert. Dabei sind drei getrennte Steuerkreise vorhanden, welche jeweils mit einem oder mehreren der fünf IR-Strahler belegt werden können, sodass das Strahlerfeld in gewissen Grenzen ortsabhängig angepasst werden kann. Zudem ist eine zeitlich veränderbare Einstellung der Strahlerleistung in den einzelnen Steuerkreisen von 0 bis 100 % über die gesamte Anwärmzeitspanne in Schritten von 0,5 s möglich. Zusätzlich wurde ein „Versuchsmodus“ implementiert, mit dem bestimmte Strahlereinstellungen getestet werden können, ohne dabei einen tatsächlichen Schweißzyklus durchlaufen zu müssen. So kann beispielsweise ausschließlich die Erwärmung der Fensterprofilmaterialien bei bestimmten Bedingungen (Parameter, Strahlermodul-Konfiguration, Blenden, etc.) erprobt werden. 3.2.3 Schweißversuche auf der experimentellen IR-Schweißmaschine Um die Parameterauswahl zur Herstellung von IR-Schweißverbindungen auf der experimentellen IR-Schweißmaschine weiter einzugrenzen, wurden Schweißungen bei unterschiedlichen Bedingungen hergestellt und direkt bewertet. Die Bewertungskriterien sowie die Art der Überprüfung dieser Kriterien sind in Tabelle 7 aufgeführt. Es wurden hierbei Profilstücke gerade (im 180°-Winkel) verschweißt. Bewertungskriterien Überprüfung Schmelzeschicht ausreichend Sensorisch: Eingestellter Fügeweg erreicht Keine zu tiefe Erweichung der Fensterprofile Optisch: „Ausbeulung“ neben der Schweißnaht Aussehen der Verbindung Optisch: Geschlossene Verbindung, Wulstausprägung Mechanisch: „Handfeste“ Verbindung Materialschädigung Optisch: Verfärbung, Zersetzung Tabelle 7: Bewertungskriterien für IR-geschweißte Fensterprofile auf der AKS1150-IR Variiert wurden die Parameter Strahlerleistung, Strahlerabstand und Anwärmzeit. Alle fünf Strahler wurden für diese Versuche jeweils auf dem gleichen Leistungsniveau betrieben, um die zusätzlichen Einflussfaktoren gering zu halten. Die in Tabelle 8 aufgeführten Parameter wurden bei diesen Versuchen konstant gehalten. Fügezeit 30 s Fügeweg (je Seite) 2 mm Fügedruck 4 bar Abstand der Wulstbegrenzungsmesser 2 mm Profilunterlage zur Zentrierung im Strahlerfeld 10 mm Spanndruck* 2 bar * Profile zusätzlich gegen Verrutschen mechanisch abgestützt Tabelle 8: Fixe Schweißmaschineneinstellungen für die Schweißversuche auf der AKS1150-IR Die Versuche zeigten, dass vor allem die Erwärmung der Profilwände durch seitliche Einstrahlung und die übermäßige Materialschädigung besonders an PVC-P-Dichtungsprofilen und den PBT-GF-Stegen problematisch sind. Die seitliche Bestrahlung der Profilwände hat zur Folge, dass auch Material erweicht, welches nicht direkt am Schweißprozess beteiligt ist, daher 31 der Fügedruck nicht mehr optimal aufgebaut werden kann und die Profilwände neben der Schweißnaht „ausbeulen“ (vgl. Abbildung 30, links). Übermäßige Materialschädigung tritt auf, weil die verschiedenen Materialanteile (PVC, PBT-GF, PVC-P-Dichtungen) unterschiedliche Strahlungsdosen zur Erwärmung benötigen. Deshalb kann es zu teilweise starker Rauchentwicklung kommen (insbesondere bei PBT-GF), was sowohl die IR-Strahler verschmutzt als auch Ablagerungen in der Schweißnaht zur Folge haben kann (vgl. Abbildung 30, rechts). Darüber hinaus ist eine Absaugvorrichtung über der Schweißmaschine erforderlich, da sonst eine bedenkliche Belastung der Raumluft erfolgen würde. 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 Mit gut bewerteten Parametern gemäß der Kriterien aus Tabelle 7 wurden dennoch Schweißungen hergestellt und Probekörper für die anschließende Bestimmung der Zugfestigkeit entnommen. Die Probekörperentnahme und Prüfung erfolgte analog zu Punkt 3.1.1. Tabelle 9 zeigt die angewandten Schweißparameter mit den energeto®-Profilen. Parameter-Nr. (energeto®) Strahlerleistung [%] Strahlerabstand* [mm] Anwärmzeit [s] IR-E1 100 24 10,0 IR-E2 70 24 10,0 IR-E3 50 24 17,5 * zu den Fügeteilen Tabelle 9: Variierte IR-Schweißparameter zur Herstellung von Zugprobekörpern aus energeto®-Profilen (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8) Bei der Entnahme der Zugprobekörper aus den so hergestellten IR-Stumpfschweißungen zeigte sich, dass zwischen den PBT-GF-Stegen der energeto®-Profile quasi keine Verbindung zustande gekommen war und diese daher unmittelbar auseinander fielen. Daher sind in Abbildung 31 lediglich die Zugfestigkeiten und Schweißfaktoren des PVC-Materials aus den energeto®-Profilen sowie die Festigkeit des Grundmaterials (GM) und einer HS-Schweißung bei Startparametern zum Vergleich dargestellt. 32 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 Das PVC-Material der energeto®-Profile lässt sich demnach sehr gut mittels IR schweißen, weshalb hiermit Schweißfaktoren bis zu 1,0 erreicht werden konnten (IR-E1 bis IR-E3). Tabelle 10 zeigt die im Rahmend dieser Versuche angewandten IR-Schweißparameter mit den Geneo-Profilen, während in Abbildung 32 die Zugfestigkeiten und resultierenden Schweißfaktoren des PVC-GF aus den Geneo-Profilen sowie die Festigkeit des Grundmaterials (GM) und einer HS-Schweißung bei Startparametern zum Vergleich dargestellt sind. Parameter-Nr. (Geneo) Strahlerleistung [%] Strahlerabstand* [mm] Anwärmzeit [s] IR-G1 70 24 10,0 IR-G2 70 10 7,5 IR-G3 50 24 17,5 * zu den Fügeteilen Tabelle 10: Variierte IR-Schweißparameter zur Herstellung von Zugprobekörpern aus Geneo-Profilen (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8) 33 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 Mit dem Material der Geneo-Profile konnten im Rahmen der durchgeführten IR-Versuche erst Schweißfaktoren von maximal 0,8 erreicht werden. Da mit dem Material durch HS Schweißfaktoren von 1,0 möglich sind, ist davon auszugehen, dass durch eine weitere Parameteroptimierung und Anpassung an das Materialverhalten auch mittels IR gleichwertige Schweißfaktoren realisiert werden können. Grundsätzlich können mittels IR-Schweißen demnach sehr gute Schweißnahtfestigkeiten erreicht werden. Allerdings ist die homogene Erwärmung des Fensterprofils und aller Profilbestandteile eine Herausforderung. Um die IR-Strahlung nur auf bestimmte Bereiche zu fokussieren bzw. je nach Material zu dosieren, könnten Blenden eingesetzt werden, die wie eine Schablone der Profilgeometrie entsprechen. Hierzu wurden erste Versuche durchgeführt. Derartige Blenden müssen sehr genau herstellbar sein und auch relativ filigrane Strukturen abbilden können. Die Herstellung von Blenden aus Metall ist problematisch, da feine Metallstege die Schweißzonen abschatten würden, um die Verblendung der inneren Profilkammern halten zu können. Daher wurden experimentelle Blenden auf Basis von Quarzglasplatten (150x150x2 mm) für die energeto®-Profile hergestellt. Quarzglas besitzt eine hohe Durchlässigkeit (> 90 %) für IRStrahlung im relevanten Wellenlängenbereich. Durch das selektive Beschichten einer Quarzglasplatte mit einer IR-undurchlässigen bzw. idealerweise IR-reflektierenden Schicht kann eine Fensterprofilgeometrie exakt abgebildet werden. Als Beschichtung kommen vor allem metallische Schichten in Frage, die stark reflektierend und temperaturbeständig sind. Ideal wäre sicher eine Goldbeschichtung, wie sie auch bei den Quarzglas-IR-Strahlern selbst als Reflektorschicht eingesetzt werden kann. Für die experimentelle Blendenherstellung im Rahmen dieses Projekts wurde jedoch ein Aluminiumspray (99,5 % Aluminium) verwendet, um den Aufwand für diese grundsätzlichen Versuche gering zu halten. Als Schablone für die partielle Beschichtung der Quarzglasplatten wurde hier ein dünner Abschnitt des energeto®Profils selbst verwendet, sodass noch keine spezifische Anpassung auf einzelne Materialbereiche erfolgte. Grundsätzlich könnten hier jedoch durch optimale Abstimmung sehr material- und profilgerechte Blenden hergestellt werden, z. B. auch durch unterschiedliche Spaltbreiten oder 34 Schichtdicken in bestimmten Bereichen. Abbildung 33 zeigt die beiden hergestellten Quarzglasblenden für das energeto®-Profil zur Montage am Strahlermodul der Schweißmaschine AKS1150-IR. In Abbildung 34 ist eine Seite des Strahlermoduls mit eingebauter Blende auf der Schweißmaschine im Einsatz zu sehen. Abbildung 33: Experimentell hergestellte Blenden (Quarzglasplatten mit partieller Aluminiumbeschichtung) für Schweißversuche mit dem energeto®-Profil auf der AKS1150-IR Abbildung 34: Eingebaute und justierte Quarzglas-Blenden für das energeto®-Profil auf der AKS1150 vor (links) und während (rechts) dem Schweißen Die Blenden wurden dabei so weit wie möglich von den IR-Strahlern entfernt positioniert (20 mm), um eine gleichmäßige Bestrahlung aller Segmente zu erzielen. Der Abstand zwischen Blende und Profilen betrug somit noch 2 mm. Mit den Schweißparametern aus Tabelle 11 wurden unter diesen Vorraussetzungen Schweißverbindungen für die anschließende Entnahme von Zugprobekörpern erstellt. Da die Blenden die eingestrahlte Intensität insgesamt reduzierten, mussten die Anwärmzeiten etwas höher gewählt werden, um ausreichend Material aufzuschmelzen. 35 Parameter-Nr. (energeto®) Strahlerleistung [%] Strahlerabstand* [mm] Blendenabstand* [mm] Anwärmzeit [s] IR-E4 100 24 2 12,5 IR-E5 100 24 2 15,0 * zu den Fügeteilen Tabelle 11: Variierte IR-Schweißparameter zur Herstellung von Zugprobekörpern aus energeto®Profilen unter Einsatz von Quarzglasblenden (sonstige Parameter gemäß Tabelle 8) Zwischen den PBT-GF-Stegen konnte auch hier keine prüfbare Verbindung hergestellt werden. Diesbezüglich sind noch weitere Feinabstimmungen erforderlich. Die ermittelten Festigkeiten und Kurzzeit-Zugschweißfaktoren für das unverstärkte PVC-Material der energeto®-Profile sind in Abbildung 35 dargestellt. Abbildung 35: Grundmaterialfestigkeit des energeto® PVC-Materials, Zugfestigkeit einer HSSchweißung bei Startparametern und ermittelte Zugfestigkeiten von IR-Schweißungen gemäß den Parametern aus Tabelle 11 (mit Blenden) sowie entsprechende Kurzzeit-Zugschweißfaktoren Mit den im Rahmen des Projekts experimentell hergestellten Blenden konnte zwar eine homogenere Erwärmung des Profilquerschnitts erreicht werden, allerdings führten die angewandten Schweißparameter beim PVC-Material der energeto®-Profile zu verringerten Schweißfaktoten von maximal 0,76. Entsprechende Blenden müssen weiter optimiert und exakter gefertigt werden, um das volle Potenzial bezüglich der mittels IR erreichbaren Schweißnahtfestigkeiten auszuschöpfen. Zudem ist eine Anpassung der IR-Parameter auf die jeweils eingesetzten Blenden erforderlich, bzw. sollte idealerweise die Parameteroptimierung bei bereits vorhanden Blenden erfolgen. 36 3.2.4 Versuchsweise Ausrüstung einer Serienschweißmaschine mit IR-Technologie Parallel zu den am SKZ durchgeführten Versuchen wurde in den Werkshallen der Fa. URBAN eine Vierkopf-Serienschweißmaschine für PVC-Fenster zu Testzwecken mit IR-Technologie ausgestattet. Ziel war es hierbei, erste Erfahrungen bezüglich des Aufwands einer potenziellen Umsetzung des IR-Verfahrens in der industriellen Kunststofffenster-Fertigung zu erlangen. Hierzu wurde eine Vierkopf-Schweißmaschine vom Typ AKS6610 mit vier Strahlermodulen, bestehend aus jeweils drei Zwillingsrohr-IR-Strahlern (vgl. Tabelle 6, ohne Goldreflektor) und einer entsprechenden Steuerung ausgestattet. In Abbildung 36 ist eine AKS6610 in Standardausführung (links) sowie die umgerüstete Version mit IR-Strahlermodulen (rechts) zu sehen. Vier Schweißköpfe (Heizelemente) Geschweißter Fensterrahmen IR-Strahlermodul Abbildung 36: Vierkopf-Schweißmaschine AKS6610 in Standardausführung (HS) mit vier Heizelementen (links) und ausgestattet mit IR-Strahlermodulen (rechts) Diverse Schweißversuche zur Herstellung von Fensterrahmen wurden auf dieser Maschine durchgeführt, ohne dabei festigkeitsbezogene Kennwerte zu ermitteln. Vielmehr wurden für die Fa. URBAN praxisnahe Erkenntnisse gesammelt, beispielsweise zu erforderlichen Dimensionierungen, steuerungstechnischen Anforderungen und sicherheitsrelevanten Aspekten. Die Notwendigkeit spezieller Blenden zur homogenen und materialgerechten Erwärmung der Fensterprofile wurde auch hier deutlich. 37 3.2.5 Zwischenfazit: Infrarotschweißen Durch die grundlegenden Versuche zum Erwärm- und Aufschmelzverhalten der Versuchmaterialien konnte gezeigt werden, dass durch IR-Strahlung materialabhängig ausreichende Schmelzeschichten für das anschließende Fügen erreicht werden können. Hohe Füllstoff- bzw. Glasfaseranteile (wie z. B. bei PBT-GF) führen zu starker Oberflächenabsorption der Strahlung und dadurch zu einer geringen Eindringtiefe, verbunden mit frühzeitiger, oberflächennaher Materialschädigung. Der Schweißvorgang sollte daher solcher Materialien angepasst werden. Die erforderlichen Schmelzeschichtdicken können je nach Material jedoch durch unterschiedliche Parameterkombinationen erreicht werden, wobei beachtet werden muss, dass im Rahmen dieses Projektes lediglich ein Strahlertyp (kurzwellig) angewandt wurde. IR-Strahler mit anderen Emissionsspektren könnten für bestimmte Materialien evtl. besser geeignet sein. Die Einflüsse der variierten Parameter bei diesen Versuchen sind klar erkennbar und decken sich mit der Theorie: Eine höhere Strahlerleistung bedeutet schnelleres Aufschmelzen, jedoch verstärkte Materialschädigung an der Oberfläche. Eine längere Anwärmzeit bedeutet höhere Schmelzeschichtdicken, wobei auch hier auf die Materialschädigung geachtet werden muss. Ein größerer Abstand der Strahler zum Fügeteil führt zu einer gleichmäßigeren Erwärmung, wobei die erzeugte Schmelzeschichtdicke mit steigendem Abstand quadratisch abnimmt. Mit der hergestellten experimentellen Einkopf-IR-Schweißmaschine konnten erste Schweißversuche durchgeführt und Erkenntnisse gesammelt werden. Es konnten mittels IRSchweißen sehr gute Schweißnahtfestigkeiten (Schweißfaktor 1,0 beim PVC der energeto®Profile) erreicht werden. Beim PVC-GF der Geneo-Profile wurden lediglich Schweißfaktoren von maximal 0,8 erreicht. Hier sollte durch eine tiefergehende Optimierung jedoch auch ein Schweißfaktor von 1,0 möglich sein. Mit den PBT-GF-Stegen (energeto®) hingegen, konnte keine prüfbare Verbindung erzeugt werden, was in erster Linie auf die geringere erzeugbare Schmelzeschichtdicke und auf die teilweise starke Materialdegradation durch die IR-Strahlung zurückzuführen ist. Dies erfordert eine angepasste Bestrahlung der unterschiedlichen Materialanteile im energeto®-Profil (PVC und PBT-GF). Die homogene Erwärmung eines Fensterprofils und aller Profilbestandteile ist demnach eine große Herausforderung. Um die IR-Strahlung nur auf bestimmte Bereiche zu fokussieren bzw. sie je nach Material zu dosieren, können Blenden eingesetzt werden. Hierzu wurden erste Versuche unternommen, die eine vielversprechende Herangehensweise zur Herstellung geeigneter profilspezifischer Blenden aufzeigen. Bei einer umfassenden Optimierung der Blenden und durch die Anpassung der Strahlerparameter können diese Blenden eine gute Lösung darstellen und das IR-Schweißverfahren für Fensterprofile grundsätzlich und insbesondere mit faserverstärkten Materialanteilen sinnvoll anwendbar machen. Durch die versuchsweise Ausrüstung einer Vierkopf-Schweißmaschine mit IR-Technologie konnten wichtige Erfahrungen zur maschinentechnischen Umsetzung des Verfahrens gesammelt werden. 38 4. Ökologische und ökonomische Bewertung der Schweißprozesse In den folgenden Betrachtungen zur ökologischen und ökonomischen Bewertung soll im Wesentlichen das Heizelementstumpfschweißen als Stand der Technik mit dem Infrarotschweißen als potenzielles Alternativ-Verfahren auf Basis der im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse und erhobenen Daten verglichen werden. Dabei müssen gewisse Annahmen getroffen werden, worauf an entsprechender Stelle verwiesen wird. Bei nicht eindeutiger Datenlage werden mehrere denkbare Szenarien verglichen. Differenziert betrachtet werden die Vergleiche der beiden Schweißverfahren zudem für drei unterschiedliche Fensterprofilmaterialien, sodass die ökologischen und ökonomischen Einflüsse materialabhängig bewertet werden können. Die betrachteten Materialien sind hierbei die beiden in diesem Projekt fokussierten faserverstärkten Fensterprofile energeto® und Geneo (vgl. Punkt 2) sowie ein kommerziell erhältliches Standard-Weißprofil aus unverstärktem PVC. Somit können insbesondere die Auswirkungen der Faserverstärkung von PVC-Fensterprofilen auf die Ökologie und Ökonomie des Schweißprozesses im Vergleich zu konventionellen Kunststofffensterprofilen deutlich gemacht werden. Einen schematischen Überblick der zu vergleichenden Prozesse gibt Abbildung 37. Heizelementstumpfschweißen (HS) Unverstärktes Fensterprofil (Weißprofil) Faserverstärktes Fensterprofil (Geneo) Faserverstärktes Fensterprofil (Energeto) Infrarotschweißen (IR) Unverstärktes Fensterprofil (Weißprofil) Faserverstärktes Fensterprofil (Geneo) Faserverstärktes Fensterprofil (Energeto) Ökologische und ökonomische Bewertung Abbildung 37: Schematische Darstellung der durch ökologische und ökonomische Bewertungen zu vergleichenden Prozesse 4.1 Datenerhebung Grundlage für die angestellten Betrachtungen sind die Kenngrößen Verschleiß, Energieverbrauch, direkte Emissionen und Kosten. Nachstehend ist erläutert, wie und unter welchen Rahmenbedingungen diese Kenngrößen für die durchgeführten Bewertungen bestimmt bzw. festgelegt wurden. 4.1.1 Verschleiß Als verschleißende Maschinenkomponenten sind beim Heizelementstumpfschweißen die PTFE-Schweißfolie und beim Infrarotschweißen die IR-Strahler anzusehen. Um den Verschleiß aus ökologischer sowie ökonomischer Sicht bewerten zu können, sind hauptsächlich die Kenntnis der einzelnen Materialbestandteile und deren Umweltwirkungen, die Anschaffungskosten (vgl. Punkt 4.1.4) und die Lebensdauer der Komponenten von Bedeutung. Die PTFE-Schweißfolien bestehen aus einem Glasfasergewebe und dem Kunststoff PTFE mit entsprechenden Additiven, wobei der Anteil Letzterer vernachlässigbar gering ist. Um den Masseanteil der beiden Komponenten Glaserfasern und PTFE zu bestimmen, wurden PyrolyseVersuche mit definiert ausgestanzten Proben aus einer Standard-Schweißfolie von URBAN durchgeführt. Dabei wurde der Kunststoff nahezu vollständig verascht, sodass über den 39 Gewichtsverlust die Materialanteile bestimmt werden konnten. Demnach bestehen diese Schweißfolien zu etwa 33,3 Gew.-% aus Glasfasern und zu 67,7 Gew.-% aus Kunststoff (PTFE und Additive). Für die Schweißfolien der beiden im Rahmen dieses Projektes eingesetzten HSSchweißmaschinen AKS1200/1 (Diagonalschub) und AKS3610/S (Parallelschub) der Fa. URBAN kann somit der absolute Anteil von Glasfasern und PTFE hochgerechnet werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 12 aufgeführt. Schweißmaschine Gesamtmasse der Folie [g] Glasfaser-Anteil [g] Kunststoff-Anteil [g] AKS1200/1 (Diagonalschub) 43,0 14,3 28,7 AKS3610/S (Parallelschub) 35,5 11,8 23,7 Tabelle 12: Masseanteile der einzelnen Bestandteile einer entsprechend dimensionierten PTFE-Schweißfolie für die beiden verwendeten HS-Schweißmaschinen der Fa. URBAN Als Lebensdauer der Schweißfolien wird in den nachfolgend angestellten Bewertungen aufbauend auf Erfahrungswerten für unverstärkte PVC-Fensterprofile sowie für die GeneoProfile ein durchschnittlicher Wert von 400 Schweißungen bis zum Austausch der Folien angenommen. Für die energeto®-Profile werden verschiedene Szenarien berechnet, da die Schweißfolien bei diesen Profilen zwar offensichtlich schneller verschleißen, allerdings keine klare Aussage getroffen werden kann, ab wann die Folien aus technischer Sicht nicht mehr einsatzfähig sind. Sicher ist die Anwendung einer verschmutzten bzw. zerstörten Schweißfolie nicht zu empfehlen, es bleibt jedoch dem Anwender überlassen, wie viele Schweißungen der energeto®-Profile er mit einer Schweißfolie durchführt und welches potenzielle Risiko von geringeren Schweißnahtfestigkeiten er dadurch in Kauf nimmt. Deshalb werden die Berechnungen zur Ökologie und Ökonomie des HS-Schweißprozesses für die energeto®Profile unter der Beispielannahme von 100 und 200 Schweißungen bis zum Folienwechsel durchgeführt. Die verwendeten IR-Strahler bestehen hauptsächlich aus dem Glasrohr (Quarzglas), der Heizwendel (Wolfram) und dem Anschlusssockel (Keramik). Bei der IR-Schweißmaschine AKS1150-IR sind fünf Strahler in einem Modul zusammengefasst, sodass sich insgesamt die in Tabelle 13 aufgeführten Massen der einzelnen Bestandteile für das gesamte Strahlermodul ergeben. Bestandteil Masse je Strahler [g] Gesamtmasse (5 Strahler) [g] Quarzglas (Glasrohr) 51,0 255,0 Wolfram (Heizwendel) 10,5 52,5 Keramik (Anschlusssockel) 7,5 37,5 Tabelle 13: Masseanteile der einzelnen Bestandteile der IR-Strahler im Strahlermodul der IR-Schweißmaschine AKS1150-IR Die Lebensdauer der IR-Strahler ist schwer voraussagbar, da sie stark von den Einsatzbedingungen abhängt. Bei sachgemäßer Handhabung erreichen die verwendeten IR-Strahler jedoch laut Herstellerangaben Betriebszeiten von 10.000 Stunden und darüber hinaus. Zur Betriebszeit zählt hierbei lediglich die Zeit, in der die Strahler tatsächlich von elektrischem Strom durchflossen werden. Die Häufigkeit der An- und Abschaltung der Strahler spielt laut Hersteller keine Rolle. Für die durchgeführten Berechnungen wurde von einer durchschnittlichen Strahlerlebensdauer von 5.000 Betriebsstunden ausgegangen. Zusätzlich können Szenarien gerechnet werden, in denen die Strahler nach kürzeren Zeitspannen, beispielsweise aufgrund 40 von mechanischer Beschädigung, ausgetauscht werden müssten. Da in den angestellten Berechnungen von IR-Schweißparametern mit 100 % Strahlerleistung und 10 s Anwärmzeit ausgegangen wurde, ergibt sich bei 5.000 Strahlerbetriebsstunden eine Lebensdauer des Strahlermoduls von 1,8 Millionen Schweißungen. 4.1.2 Energieverbrauch Zur Ermittlung des Energieverbrauchs wurde die Leistungsaufnahme der Schweißmaschinen mit einem Präzisions-Leistungsmessgerät (LMG450, Fa. ZES Zimmer Electronic Systems GmbH) während des Betriebes gemessen. Dadurch konnte der Energieverbrauch jeweils für die Durchführung einer einzelnen Schweißung bei definierten Parametern erfasst werden. Für den Energieverbrauch sind in erster Linie die Heizelementtemperatur (THE) bzw. die Strahlerleistung (PS) sowie die Dauer des Schweißvorgangs relevant. Beim HS wird dabei während des gesamten Schweißvorgangs Energie verbraucht, da das Heizelement nicht abgeschaltet werden kann. Beim IR wird lediglich während der Anwärmphase Energie durch die IR-Strahler verbraucht. Als Handlingzeit (Entnahme der Schweißverbindung und Einlegen neuer Profile) wurden für beide Schweißprozesse 60 s angenommen. In Tabelle 14 sind die für die Energiemessung gewählte Temperatur und Leistung, die jeweiligen Zeiten sowie die ermittelten Energieverbräuche pro Schweißung aufgeführt. Dabei muss nicht zwischen den verschiedenen Fensterprofilmaterialien unterschieden werden, da für alle Materialien identische Schweißbedingungen angenommen wurden und der Energieverbrauch daher annähernd (beim HS) bzw. vollständig (beim IR) unabhängig vom zu schweißenden Material ist. Schweißverfahren THE [°C] Angleich- Anwärmbzw. zeit zeit PS [%] [s] [s] Umstellzeit [s] Fügezeit [s] Handling- Gesamte Energiezeit Taktzeit verbrauch* [s] [s] [Wh] HS 250 °C 17 20 2 30 60 129 25 IR 100 % 0 10 2 30 60 102 14 * pro Schweißung, ohne Leerlaufphasen; beim HS: Mittelwert aus verschiedenen Profilmaterialien Tabelle 14: Gemessener Energieverbrauch pro Schweißvorgang für HS und IR bei bestimmten Schweißbedingungen Hierbei wurde noch nicht der Energieverbrauch in Ausfall-, Stillstand- oder Pausenzeiten berücksichtigt. Da beim HS die Heizelemente in dieser Zeit wegen des trägen Temperaturregelverhaltens nicht abgeschaltet werden können, verbrauchen sie im Leerlauf pro Stunde und Heizelement etwa 610 Wh (bei 250 °C Heizelementtemperatur). Beim IR wird in Leerlaufphasen lediglich eine sehr geringe Leistung für die Maschinensteuerung benötigt, sodass hier im Standby-Betrieb pro Stunde lediglich etwa 10 Wh Energie verbraucht werden. In diesen Phasen ist daher die Energieeffizienz des IR-Verfahrens nochmals deutlich höher als beim HS. Geht man von einer Stunde Maschinen-Leerlauf pro Arbeitstag (8,5 Stunden) aus, so werden in den übrigen 7,5 Stunden mittels HS 209 Schweißungen und mittels IR 265 Schweißungen durchgeführt. Der zusätzliche Leerlauf-Energieverbrauch kann somit auf die einzelnen Schweißvorgänge umgelegt werden, sodass sich insgesamt ein Energieverbrauch pro Schweißung von 27,9 Wh beim HS ergibt. Beim IR ist der zusätzliche LeerlaufEnergieverbrauch vernachlässigbar gering, sodass sich hier der gesamte Energieverbrauch pro Schweißung von 14,0 Wh nicht wesentlich ändert. 41 4.1.3 Emissionen Beim Schweißen von Fensterprofilen treten direkte und indirekte Schadstoff-Emissionen auf. Die indirekte Emissionsbelastung entsteht bei der Herstellung von Heizelementbeschichtung bzw. Strahler und der Produktion des erforderlichen elektrischen Stroms und kann somit anhand der ermittelten Energieverbräuche berücksichtigt werden. Die direkten Emissionen werden beim Schweißprozess selbst als gasförmige Emissionen freigesetzt und müssen daher durch entsprechende Messverfahren nachgewiesen werden, um sie im Rahmen einer ökologischen Bilanzierung berücksichtigen zu können. Ab einer bestimmten Temperatureinwirkung spaltet reines PVC Chlorwasserstoff (HCl) von der Polymerkette als Hauptabbauprodukt ab [Zit98]. Hierbei werden laut früheren Untersuchungen zudem Benzol, Toluol, Naphthalin und höher aromatische Kohlenwasserstoffe freigesetzt. Auch wurden als Abbauprodukte chlorierte aromatische Verbindungen wie Chlorbenzol und Chlornaphthalin nachgewiesen [Boc99]. Aus diesem Grund werden PVC bei der Verarbeitung unter anderem Stabilisatoren und Gleitmittel zugesetzt. Die Stabilisatoren verhindern hierbei die Abspaltung von Chlorwasserstoff und/oder binden ihn, während Gleitmittel die Scherbelastung des Materials vermindern [Men75]. Die Stabilisatoren in PVC-Fensterprofilen wurden für Heizelementtemperaturen bis ca. 260 °C ausgelegt, sodass bei diesen Temperaturen in der Regel (bei sachgerechter Wahl der sonstigen Schweißparameter) keine Zersetzung des Polymers zu erwarten ist. Da beim IR-Schweißen von PVC-Fensterprofilen kurzzeitig deutlich höhere Temperaturen im Material bzw. an der Oberfläche auftreten können, stellt sich die Frage, ob die Stabilisatoren noch zuverlässig wirken oder ob es zu einer Freisetzung von Chlorwasserstoffgas und folglich auch von weiteren Substanzen kommen kann. HCl ist hierbei als Leitindikator für den Grad der durch thermische Zersetzung emittierten Substanzen zu verstehen. Die Beantwortung dieser Frage ist wichtig, um die Arbeitsplatzsicherheit beim IR von PVC-Fensterprofilen gewährleisten zu können. Chlorwasserstoff ist ätzend und in hohen Konzentrationen giftig beim Einatmen. Gelöst in Wasser reagiert HCl zu Salzsäure, die beispielsweise zur Korrosion von Metallen führen kann. Aus früheren Projekten zum Heizelementstumpfschweißen von PVC-Fensterprofilen bei erhöhten Temperaturen ist bekannt, dass bei diesem Schweißverfahren keine HCl-Emissionen oder nur in nicht detektierbaren Mengen freigesetzt werden [SKZ09]. Daher wurden HClMessungen lediglich beim Infrarotschweißverfahren durchgeführt, da hier noch keine Erkenntnisse zu den freigesetzten Gasemissionen beim Schweißen von Kunststofffensterprofilen vorlagen. Bei der Messung von direkten Emissionen während eines Schweiß- bzw. Anwärmprozesses ist die Art der Probenahme von entscheidender Bedeutung. Es wurde aufgrund der geringen Bestrahlungszeiten eine aktive Kurzzeitmessung gewählt. HCl wurde hierbei mit Hilfe von direktanzeigenden Prüfröhrchen semiquantitativ erfasst. Diese werden von spezialisierten Firmen (z. B. DRÄGER, COMPUR, ANALYT-MTC, AUER) für unterschiedliche Konzentrationsbereiche angeboten. Die Probenahme erfolgte beim Erwärmen der betrachteten Fensterprofile mit dem Teststand (vgl. Punkt 3.2.1) direkt über dem bestrahlten Probekörper und stets an der gleichen Position (vgl. Abbildung 38). Dabei wurde ein definiertes Luftvolumen (100 ml) mit Hilfe einer Handpumpe durch das Prüfröhrchen gesaugt. 42 4 3 2 1 Abbildung 38: HCl-Emissionsmessung bei der IR-Erwärmung von Fensterprofilproben (1) mit IR-Strahlern (2) und Probenahme durch HCl-Prüfröhrchen (3) und Handpumpe (4) Im Prüfröhrchen erfolgt ein Farbumschlag, der in Abhängigkeit zu der freigesetzten HClKonzentration steht. Jedes Röhrchen ist mit einer kalibrierten Skalierung versehen, die das direkte Ablesen der HCl-Konzentration nach der Probenahme erlaubt. Die Konzentration des auftretenden Schadstoffes in der entnommenen Luftprobe wird in ppm (parts per million) angegeben. Es ist zu beachten, dass die absolute Masse der beim Schweißen freigesetzten Emissionen nicht direkt bestimmt werden kann, da durch das Ansaugen von Umgebungsluft zum einen ein Verdünnungseffekt auftritt und zum anderen aufgrund der Diffusion von Gasen nicht alle Moleküle erfasst werden können. Hinzu kommt eine gewisse Unsicherheit durch mögliche Ablesefehler der Werte auf der Skala des Prüfröhrchens sowie eine Standardabweichung der gemessenen Konzentrationen im Bereich bis zu ± 15 %. Es wurden die derzeit empfindlichsten auf dem Markt erhältlichen Prüfröhrchen (DrägerRöhrchen Salzsäure 0,2 / a) verwendet. Die Fensterprofile wurden jeweils mit und ohne Dichtungsprofile mit 100 % Strahlerleistung bei einem Abstand von 35 mm für 10 s mit drei Strahlern auf dem IR-Teststand bestrahlt. Zur Probenahme wurden jeweils zwei Hübe mit der Handpumpe ab dem Beginn der Bestrahlung getätigt. Für alle Profile (unverstärktes Standard-Weißprofil, energeto®-Profil und Geneo-Profil) konnten ohne Dichtungsprofile keine HCl-Emissionen detektiert werden, obwohl teilweise eine deutliche Gas- bzw. Rauchentwicklung zu erkennen war (besonders beim energeto®-Profil). Bei den identischen Versuchen mit Dichtungen an den Fensterprofilen wurden hingegen deutlich HCl-Konzentrationen von ca. 10 ppm beim energeto®-Profil und ca. 45 ppm beim Geneo-Profil detektiert. Es ist darauf hinzuweisen, dass durch diese Art der Emissionsmessung lediglich ein Teil der tatsächlich auftretenden Emissionen erfasst werden kann und zudem lediglich HCl detektiert wird. Dies zeigt jedoch deutlich, dass besonders dann, wenn Dichtungen beim IRSchweißen an den Fensterprofilen vorhanden sind, Chlorwasserstoffgas in nicht unerheblichen Konzentrationen freigesetzt werden kann. Da mit dieser Vorgehensweise die entstehenden Gasemissionen allerdings weder qualitativ noch quantitativ eindeutig erfasst werden konnten, wurden weitere Untersuchungen angestellt. Für eine quantitative Beurteilung der beim Schweißen auftretenden Gasemissionen wurden sowohl für das HS als auch für das IR Messungen von VOC (engl.: volatile organic compounds) mit einem entsprechenden Gerät (MiniRAE Lite, RAE Systems Inc., USA) durchgeführt. Dieses Gerät erfasst durch einen Photoionisationsdetektor (PID) flüchtige organische Verbindungen in Konzentrationen von 0 bis 5.000 ppm in Echtzeit, ohne sie jedoch einzeln identifizieren zu können. Es gibt Auskunft darüber, ob und in welchen Konzentrationen gasförmige Emissionen zu einem bestimmten Zeitpunkt an der zur Messung definierten Position in der Raumluft vorhanden sind. Das VOC-Messgerät wurde hierzu exakt 100 cm senkrecht über der Schweißzone sowohl beim HS als auch beim IR positioniert (vgl. Abbildung 39). 43 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) Anschließend wurden HS- und IR-Schweißungen (180°-Winkel) mit den betrachteten Fensterprofilen jeweils mit und ohne Dichtungsprofile durchgeführt. Die HS-Schweißungen wurden auf der Parallelschubschweißmaschine AKS3610/S bei 250 °C Heizelementtemperatur und 20 s Anwärmzeit durchgeführt. Die IR-Schweißungen wurden auf der IR-Schweißmaschine AKS1150-IR mit 100 % Strahlerleistung, 10 s Anwärmen und 24 mm Abstand (ohne Blenden) durchgeführt. Für jede Schweißung wurde die maximal gemessene Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in ppm sowie die Zeit bis zum Erreichen des Ausgangswertes von 0 ppm aufgezeichnet. Die Messwerte für die Materialien Standard-Weißprofil, Geneo-Profil und energeto®-Profil sind in den Abbildungen 40 bis 42 dargestellt. 44 Abbildung 40: Ergebnisse der VOC-Messungen beim Schweißen von Standard-Weißprofilen Abbildung 41: Ergebnisse der VOC-Messungen beim Schweißen von Geneo-Profilen Abbildung 42: Ergebnisse der VOC-Messungen beim Schweißen von energeto®-Profilen Die Messungen zeigen deutlich, dass beim HS pro Schweißung mit den angegebenen Parametern nur in vergleichsweise sehr geringen Konzentrationen (max. 0,2 ppm) organische Gasemissionen auftreten. Beim IR hingegen konnten, besonders wenn Dichtungen am Fensterprofil vorhanden sind, wesentlich höhere Konzentrationen (zwischen 18 und 46 ppm) gemessen werden. Ohne Dichtungen war zwar die maximal gemessene VOC-Konzentration ebenfalls sehr gering, jedoch dauerte es teilweise ein gewisse Zeit, bis sie wieder auf 0 ppm gesunken war. Beim energeto®-Profil war auch ohne Dichtungen eine VOC-Konzentration von 8,5 ppm messbar, was auf die thermisch belasteten PBT-GF-Stege zurückzuführen ist. Die VOC-Messungen lassen eine quantitativ vergleichende Bewertung der Emissionen beim Schweißen der Profilmaterialien mit den verschiednen Schweißverfahren zu. Um die auftretenden Emissionen auch qualitativ untersuchen und dementsprechend bewerten zu können, wurden weitere Analysen durchgeführt. Mittels eines Gaschromatographen mit Massenspektrometer-Kopplung (GC/MS) können einzelne Bestandteile eines Gasgemisches identifiziert werden. Um entsprechende Gasproben herzustellen, wurden die Dichtungsmaterialien und das PBT-GF, welche offensichtlich hauptsächlich für beim Schweißen entstehende Gasemissionen verantwortlich sind, jeweils einzeln in definierter Menge (800 mg) in ein 45 Probenglas gegeben, dieses luftdicht verschlossen und anschließend für eine definierte Zeit (120 s) auf eine relativ hohe Temperatur (320 °C) erhitzt. Dabei wurden die Materialien deutlich über ihren Zersetzungspunkt belastet, sodass im resultierenden Gasgemisch höchstwahrscheinlich alle Substanzen, welche theoretisch auch beim Schweißen auftreten könnten, enthalten waren. Die Abbildungen 43 bis 45 zeigen die aufgenommenen Chromatogramme der einzelnen Dichtungs-Materialproben. Dichtung KBE konditioniert A. U. [%] Scan EI+ TIC 1.40e8 11.87 100 % 6.62 7.18 7.91 8.36 8.58 8.91 9.43 10.13 10.54 10.90 12.31 12.96 13.39 13.68 14.51 14.96 15.50 15.96 16.95 17.50 17.75 0 7.25 8.25 9.25 10.25 11.25 12.25 13.25 14.25 15.25 16.25 17.25 Zeit Time [min] Abbildung 43: Gas-Chromatogramm der Dichtungs-Materialprobe aus dem Standard-Weißprofil A. U. [%] TIC 1.40e8 11.24 100 % 11.89 6.93 7.13 9.70 8.36 8.62 8.89 7.78 9.40 10.50 12.43 13.34 13.98 14.41 15.36 16.25 17.27 17.54 0 7.25 8.25 9.25 10.25 11.25 12.25 13.25 14.25 15.25 16.25 17.25 17.80 Zeit Time [min] Abbildung 44: Gas-Chromatogramm der Dichtungs-Materialprobe aus dem Geneo-Profil A. U. [%] 100 % TIC 1.40e8 11.83 6.90 7.31 7.95 8.14 8.60 9.00 9.65 10.05 10.27 11.15 12.26 12.50 13.52 13.83 14.80 15.45 16.01 16.76 17.56 17.83 0 7.25 8.25 9.25 10.25 11.25 12.25 13.25 14.25 15.25 16.25 17.25 ZeitTime [min] Abbildung 45: Gas-Chromatogramm der Dichtungs-Materialprobe aus dem energeto®-Profil Die detektierten Substanzen, welche unter Temperaturbelastung aus den Dichtungsmaterialien emittiert werden können, sind demnach in erster Linie Benzol (bei allen Materialien) und Butylchlorid (beim Dichtungsmaterial des Geneo-Profils). Eine toxikologische Bewertung dieser Substanzen wird unter Punkt 4.2.2 durchgeführt. Beim PBT-GF konnten mittels GC/MS keine emittierten Substanzen ermittelt werden, was vermutlich auf die Rauch- bzw. Partikelbildung bei der Zersetzung zurückzuführen ist. Diese führt dazu, dass sich gasförmige Substanzen an den Partikeln absetzen und deshalb nicht von der GC/MS erfasst werden können. 46 4.1.4 Kosten Zur ökonomischen Bewertung der Schweißprozesse sind verschiedene Kosten zu berücksichtigen. Um eine absolute Aussage treffen zu können, ist die Betrachtung jener Kosten ausreichend, in denen sich die beiden Schweißverfahren unterscheiden. Konkret betrifft dies (einmalige) Anschaffungskosten der Heiz- bzw. Strahlerelemente, Energiekosten, Wiederbeschaffungskosten für verschleißende Materialien sowie Lohnkosten, welche direkt aus der Taktzeit beim Schweißen resultieren. Die Anschaffungskosten einer Schweißmaschine bzw. eines Schweißkopfes (bei Serienmaschinen) wurden für beide Schweißverfahren als identisch bezüglich des grundlegenden Maschinenaufbaus und der Steuerungs- bzw. Regelungskomponenten für das jeweilige Heizsystem betrachtet. Unterschieden wurden daher lediglich die Kosten für die Anschaffung eines Heizelementes inklusive der ersten Schweißfolie (HS) bzw. eines IR-Strahlermoduls mit fünf Zwillingsrohr-Strahlern gemäß der Beschreibung unter Punkt 3.2.2 (IR). Zur Ermittlung der Kosten wurden die aktuell gültigen Netto-Marktpreise der einzelnen Produkte herangezogen. Die berücksichtigten Anschaffungskosten betragen pro Schweißkopf beim HS 610,00 EUR gegenüber 2.700,00 EUR beim IR. Da sich die Berechnungen unter Punkt 4.3 auf hergestellte Fenster (bestehend aus Rahmen und Flügel mit je vier Schweißstellen) beziehen, muss für beide Schweißverfahren von Schweißmaschinen mit je vier Schweißköpfen ausgegangen werden. Die unterschiedlichen Anschaffungskosten pro Maschine betragen beim HS daher 2.440,00 EUR und beim IR 10.800,00 EUR. Die Energiekosten errechnen sich direkt aus den ermittelten Energieverbräuchen pro Schweißvorgang (vgl. Punkt 4.1.2). Bei einem aktuellen gewerblichen Durchschnittspreis (netto) für elektrische Energie von 0,117 EUR/kWh ergeben sich beim HS 0,0033 EUR und beim IR 0,0016 EUR Energiekosten pro Schweißung. Die berücksichtigten Verschleißerscheinungen wurden unter Punkt 4.1.1 bereits näher erläutert. Die daraus resultierenden Kosten errechnen sich beim HS aus den Kosten für den Austausch der Schweißfolien. Für eine übliche PTFE-Schweißfolie wurde ein Netto-Preis von 10,00 EUR angesetzt, sodass sich für Standard-PVC-Fensterprofile und das Geneo-Profil (angenommene Folien-Lebensdauer = 400 Schweißungen) Verschleißkosten in Höhe von 0,025 EUR pro Schweißung ergeben. Beim energeto®-Profil muss zwischen den zwei gewählten Szenarien unterschieden werden (Folien-Lebensdauer = 100 oder 200 Schweißungen im Fall eines häufigeren Tausches der Folie (freie Entscheidung des Maschinenbedieners)), sodass sich bei diesem Material Verschleißkosten von 0,10 EUR oder 0,05 EUR pro Schweißung ergeben. Die Verschleißkosten beim IR resultieren aus der Wiederbeschaffung der IR-Strahler nach deren angenommenen Lebensende von 1,8 Mio. Schweißungen. Unter der Voraussetzung, dass alle fünf Strahler eines Strahlermoduls zur selben Zeit ausgetauscht werden müssen, errechnen sich Verschleißkosten in Höhe von 0,0015 EUR pro Schweißung. Werden die IR-Strahler durch unsachgemäße Handhabung beispielsweise bereits nach 180.000 Schweißungen zerstört (siehe IR-Szenario in Punkt 4.3), erhöhen sich die Verschleißkosten entsprechend auf 0,015 EUR pro Schweißung. Die Dauer eines Schweißvorgangs hat direkte Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Um dies zu bewerten, werden die Lohnkosten des Schweißmaschinenbedieners auf einen Schweißvorgang an einer Maschine mit vier Schweißköpfen bezogen. Wie unter Punkt 4.1.2, Tabelle 14, aufgeführt, dauert ein kompletter Schweißtakt inklusive 60 s Handlingzeit mit den angenommenen Schweißparametern beim HS 129 s und beim IR 102 s. Bei einem Netto-Stundenlohn des Maschinenbedieners von 12,00 EUR ergeben sich Lohnkosten von 0,108 EUR pro Schweißung (und Schweißkopf) beim HS und 0,085 EUR pro Schweißung (und Schweißkopf) beim IR. Hierbei sind Ausfall-, Wartungs- (z. B. für den Schweißfolienwechsel) und Pausenzeiten nicht berücksichtigt. 47 4.2 Ökologische Bewertung Die Betrachtung der ökologischen Nachhaltigkeit beider Schweißverfahren wird mittels der in ISO 14040/44 [DIN03] genormten Methode der Ökobilanz durchgeführt. Da es sich um einen Vergleich zweier Systeme handelt, werden – wie auch bei der ökonomischen Bewertung (vgl. Punkt 4.3) – jene Prozesse ignoriert, welche in beiden Systemen identisch sind. Hiermit ergeben sich letztlich korrekte Absolutabweichungen, die jedoch nicht in Relation gesetzt werden können. Die bilanzierten Stoff- und Energieflüsse werden hierfür in der Ökobilanz-Software „SimaPro“ modelliert und mit Ökobilanz-Hintergrunddaten aus der Datenbank „ecoinvent v.2“ kombiniert. Die Auswertung erfolgt mittels der etablierten Methode CML 2001 [Gui02], welche Ergebnisse für die in Tabelle 15 aufgeführten Wirkungskategorien bzw. Sachbilanzindikatoren erlaubt. Wirkungskategorie Abkürzung Einheit Versauerungspotenzial AP kg SO2e Eutrophierungspotenzial EP kg PO4e Treibhauspotenzial GWP kg CO2e Ozonabbaupotenzial ODP kg R11e Bodennahes Ozonbildungspotenzial POCP kg C2H4e Sachbilanzindikator Abkürzung Einheit Kumulierter Energieaufwand KEA ges kWh oder MJ Kumulierter regenerativer Energieaufwand KEA reg kWh oder MJ Kumulierter fossiler Energieaufwand KEA fos kWh oder MJ Tabelle 15: Wirkungskategorien bzw. Sachbilanzindikatoren nach der Methode CML 2001 Die wesentlichen Eingangsparameter für die ökologische Betrachtung sind die Materialzusammensetzungen des IR-Strahlermoduls und der Heizelementbeschichtung (vgl. Punkt 4.1.1), deren Lebensdauern (vgl. Punkt 4.1.1) sowie der Energieverbrauch bei deutschem Strommix (vgl. Punkt 4.1.2). Die funktionelle Einheit ist definiert als eine durchgeführte Schweißung, d. h. dass alle Umweltwirkungen auf eine Schweißung umgerechnet werden. 4.2.1 Ökologische Bilanzierung auf Basis von Verschleiß und Energieverbrauch Im Folgenden sollen zuerst die jeweiligen Beiträge der bilanzierten Teilsysteme am Gesamtergebnis verglichen werden. Wie aus Abbildung 46 hervorgeht, trägt die Heizelementbeschichtung bei angenommenem Folienwechsel nach 400 durchgeführten Schweißungen nur geringen Anteil an den Umweltwirkungen. Der größte Beitrag ergibt sich mit etwas über 20 % am bodennahen Ozonbildungspotenzial (POCP), gefolgt vom Versauerungspotenzial (AP) mit etwa 13 %. Die Umweltbelastungen entstammen aber im Wesentlichen dem Energieverbrauch beim HS-Schweißen. Erhöht sich dagegen aber die Frequenz, mit der die Beschichtungsfolien ausgetauscht werden, ändert sich dieses Verhältnis. Abbildung 47 zeigt, welche Auswirkungen ein Folienwechsel nach bereits 100 Schweißungen hat: Abgesehen vom Eutrophierungspotenzial entstammt dann in allen Wirkungskategorien (außer Energieverbräuchen) ein relevanter Anteil der Umwelteinwirkung den Heizelementbeschichtungen. 48 Abbildung 46: Beiträge der bilanzierten Teilsysteme (Energieverbrauch und Heizelementbeschichtung) zu den Umweltwirkungen beim HS; Schweißfolienwechsel nach 400 Schweißungen Abbildung 47: Beiträge der bilanzierten Teilsysteme (Energieverbrauch und Heizelementbeschichtung) zu den Umweltwirkungen beim HS; Schweißfolienwechsel nach 100 Schweißungen Abbildung 48 und Abbildung 49 ziehen diesen Vergleich für das IR-Schweißen. Der Beitrag des Strahlerelements je Schweißung ist im Basisfall überaus gering, da dank der hohen Lebensdauer seine absoluten Umweltauswirkungen mit 1,8 Mio. Schweißungen dividiert werden können. Für die im Szenario angenommenen 180.000 Schweißungen (90 % geringere Lebensdauer) verändert sich das Verhältnis leicht und der Beitrag der Strahler erhöht sich auf ca. 7 % für AP und POCP. Abbildung 48: Beiträge der bilanzierten Teilsysteme (Energieverbrauch und IR-Strahler) zu den Umweltwirkungen beim IR; Strahleraustausch nach 1,8 Mio. Schweißungen Abbildung 49: Beiträge der bilanzierten Teilsysteme (Energieverbrauch und IR-Strahler) zu den Umweltwirkungen beim IR; Strahleraustausch nach 180.000 Schweißungen Die Auswertung der ökologischen Nachhaltigkeit beim Vergleich der beiden betrachteten Schweißverfahren ist in Abbildung 50 dargestellt. Es zeigen sich über alle Wirkungskategorien hinweg eindeutige Vorteile des IR-Schweißens, selbst im Szenario mit 180.000 Schweißungen je Strahlerelement, was lediglich 10 % der bei sachgerechtem Einsatz zu erwartenden Lebensdauer entspricht. 49 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) Es bleibt zu beachten, dass in diesem Vergleich nur jene Prozesse bilanziert wurden, in denen sich beide Verfahren unterscheiden, sozusagen die variablen ökologischen Auswirkungen. Die fixen ökologischen Auswirkungen sind exkludiert. Abbildung 50 lässt daher nur die Aussage zu, dass unter den getroffenen Annahmen (vgl. Punkt 4.2) und mit den empirisch ermittelten Daten für Verschleiß (vgl. Punkt 4.1.1) und Energieverbrauch (vgl. Punkt 4.1.2) das IR-Schweißen aus ökologischer Sicht zu bevorzugen ist. 4.2.2 Toxikologische Bewertung Neben den in 4.1.3 erhobenen direkten Emissionen, welche beim Schweißen anfallen und deshalb in erster Linie für den Bediener der Schweißmaschine relevant sind, resultieren aus beiden Schweißverfahren auch indirekte Emissionen (beispielsweise bei der Erzeugung der erforderlichen elektrischen Energie), die toxikologisch bewertet werden können. Indirekte Emissionen Die mit den beiden Schweißverfahren verbundenen indirekten Emissionen wurden analog der in Punkt 4.2.1 durchgeführten ökobilanziellen Betrachtung berücksichtigt. Ein Unterschied besteht in der Auswertung. Während dort das Charakterisierungsmodell CML 2001 zu den in Ökobilanzen gängigen Wirkungsindikatoren führte, wird hier mittels im Folgenden aufgeführter Charakterisierungsmodelle ein toxikologischer Vergleich der indirekten Emissionen durchgeführt. Da toxikologische Auswertungen jedoch großen Unsicherheiten unterliegen, soll hier nicht eine absolute Aussage zu gesundheitlichen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt getätigt werden, sondern überprüft werden, ob ein Ergebnisvergleich unterschiedlich gewichtender Charakterisierungsmodelle (vgl. Tabelle 16) einen Trend ableiten lässt. 50 Charakterisierungsmodell Bewertungsgrundlage ReCiPe Midpoint (E) V1.06 Europe “Egalitarian“ Weiter Zeithorizont, basiert auf der Idee der Notwendigkeit eines vorbeugenden Handelns ReCiPe Midpoint (H) V1.06 Europe “Hierarchist“ Konsens-Modell, das häufig als Standard-Modell Verwendung findet ReCiPe Midpoint (I) V1.06 World “Individualist” Kurzer Zeithorizont, basiert auf der Idee, dass zukünftige Technologien viele Probleme lösen werden Tabelle 16: Verwendete Charakterisierungsmodelle zur toxikologischen Untersuchung indirekter Emissionen [Goe09] Neben der Betrachtung von „Midpoints“ existiert für alle drei Modelle auch je eine Variante zur Untersuchung der „Endpoints“. Während Midpoints die Umrechnung aller indirekten Emissionen auf die Äquivalenzeinheit 1,4-Dichlorbenzol (1,4 DBe) sowie eine Zuordnung dieser Äquivalente in unten stehende Wirkungskategorien darstellen, bauen Endpoints darauf auf und stellen in einem weiteren Modell den Bezug von 1,4 DBe zu tatsächlich eintretenden Auswirkungen in der Umwelt her, beispielsweise in der Einheit DALY (disability-adjusted life years) für die Wirkungskategorie Humantoxizität. Midpoints sind also kleinere Modelle und unterliegen daher geringeren Modell-Unsicherheiten. Für das vorliegende Projekt ist die Ableitung eines Trends und die minimale Modell-Unsicherheit wichtiger als absolute Aussagen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen, weshalb die Midpoint-Modelle vorzuziehen sind. Die hierbei verwendeten Wirkungskategorien sind in Tabelle 17 aufgeführt. Wirkungskategorie Einheit Bodenökotoxizität kg 1,4-DBe Süßwasserökotoxizität kg 1,4-DBe Meeresökotoxizität kg 1,4-DBe Humantoxizität kg 1,4-DBe Tabelle 17: Wirkungskategorien zur Bewertung der Toxikologie Abbildung 51: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Humantoxizität Abbildung 52: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Bodenökotoxizität 51 Abbildung 53: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Süßwasserökotoxizität Abbildung 54: Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle in der Wirkungskategorie Meeresökotoxizität Die Auswertung aller drei Charakterisierungsmodelle lieferte in der Modell-Version ReCiPe Midpoint (E) V1.06 (Europe „Egalitarian“) teilweise deutlich abweichende Absolutwerte, wie in den Abbildungen 51 bis 54 zu sehen ist. Aus Abbildung 55 aber wird ersichtlich, dass die relativen Verhältnisse der untersuchten Systeme innerhalb jeder einzelnen Wirkungskategorie in allen drei Modellen nahezu konstant sind. Letztlich lässt sich also ein Trend bestätigen, der bezüglich toxikologischer Auswirkungen aus indirekten Emissionen das IR-Schweißen als eindeutig vorteilhaft gegenüber dem HS-Schweißen identifiziert. Abbildung 55: Übersicht relativer Ergebnisse der verwendeten Charakterisierungsmodelle zur Ableitung eines Trends 52 Direkte Emissionen Wie in Punkt 4.1.3 beschrieben, konnten keine aus den Profilen austretenden HCl-Emissionen beim IR-Schweißen detektiert werden. Lediglich aus den Dichtungen trat HCl aus, allerdings lässt das Messverfahren keine quantitativen Aussagen zu. Hier sollte in weiteren Versuchen überprüft werden, ob die Dichtungen durch Blenden vor der partiellen Zersetzung geschützt werden können. Auch der erfolgreiche Nachweis von VOC beim IR-Schweißen erlaubt keine quantitative Bestimmung einzelner Emittenten, da es sich um einen Summenparameter handelt. Der Versuch, die wesentlichen Bestandteile der VOC-Messungen per GC/MS zu bestimmen, funktionierte nicht auf genormtem Wege. Dies liegt im Wesentlichen an der Diskontinuität des Schweißprozesses. Erst mit einem ungenormten Verfahren, bei dem die zu untersuchenden Materialien einer starken Temperaturbelastung ausgesetzt wurden, gelang die Identifizierung der organischen Verbindungen Benzol (Dichtung für beide Profile) und Butylchlorid (Dichtung Geneo Profil). Benzol ist beim Einatmen als gesundheitsschädigend einzustufen. Laut EUArbeitsplatzgrenzwert darf der Mittelwert bei einer achtstündigen Dauerbelastung nicht über 1 ppm (3,25 mg/m³) liegen [IFA12]. Da nicht eindeutig geklärt werden konnte, in welcher Konzentration die einzelnen Substanzen beim Schweißen auftreten, sind keine klaren Rückschlüsse auf die gesundheitliche Belastung eines Schweißmaschinenbedieners möglich. Deshalb sind auch hier weitere quantifizierende Versuche erforderlich. Zusammenfassend kann die qualitative Aussage getroffen werden, dass beim IR potenziell deutlich höhere direkte Emissionen anfallen können als beim HS. Diese Frage muss in weiteren Versuchen beantwortet werden. Zudem sollte diesem Umstand durch weitere Versuche Rechnung getragen werden. Mögliche Ansatzpunkte sind die Vermeidung (z. B. durch Blenden) oder die Behandlung (z. B. durch Betrachtungen zur Effektivität von Absauganlagen) von Emissionen. 4.3 Ökonomische Bewertung Aus den in Punkt 4.1.4 ermittelten Teilkosten ergeben sich für das HS-Verfahren mit Folienwechseln nach 400 Schweißungen variable Kosten von 0,14 EUR je Schweißung. Bei häufiger gewechselten Heizelementbeschichtungen erhöhen sich die Kosten: z.B. 0,16 EUR je Schweißung bei 200 Schweißungen mit einer Folie und 0,21 EUR je Schweißung bei 100 Schweißungen mit einer Folie. Die variablen Kosten einer Schweißung im IR-Verfahren betragen 0,088 EUR. Durch diese geringeren Kosten je Schweißung werden die höheren Fixkosten für die Anschaffung der IR-Strahlermodule nach ca. 22.000 hergestellten Fenstern (bestehend aus Rahmen und Flügel mit je vier Schweißstellen) ausgeglichen. Damit ist das IRVerfahren ökonomisch deutlich vorteilhaft. Bei unsachgemäßem Gebrauch kann sich die Lebensdauer der kostenintensiven Strahlermodule allerdings erheblich senken (ursprünglich angenommen sind 1,8 Mio. Schweißungen, entsprechend 225.000 Fenster). Die folgenden Ergebnisse beinhalten deshalb ein Szenario, dem die Annahme zugrunde liegt, dass die Strahler stets nach nur 22.500 Fenstern (180.000 Schweißungen) ausgetauscht werden müssten, was einer fiktiven Reduzierung der Lebensdauer auf 10 % entspricht. Selbst in diesem Fall ist der Einsatz des IR-Verfahrens noch ökonomisch vorteilhaft, die gesamten variablen Kosten je Schweißung betragen dann 0,102 EUR und liegen damit immer noch 27 % unter jenen des HS bei günstigsten Bedingungen (400 Schweißungen je Folie). Eine Übersicht über die ökonomischen Auswirkungen der Schweißverfahren in verschiedenen Szenarien bei der Produktion von bis zu 50.000 Fenstern (bei 8 Schweißungen je Fenster entspricht dies 400.000 Schweißungen) liefert Abbildung 56. In Abbildung 57 sind die selben Ergebnisse mit einer anderen Skalierung der Kosten-Achse dargestellt, um eine bessere Unterscheidung der Kurven im Bereich bis 100.000 EUR zu ermöglichen. 53 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 Abbildung 57: Ergebnisse aus Abbildung 56 mit geänderten Achsenskalierungen zur verbesserten Detail-Ansicht Mittels IR können nach diesen beispielhaften Berechnungen bei der Produktion von 50.000 Fenstereinheiten gegenüber dem HS mindestens 10.000 EUR (bei Folienwechsel nach 400 Schweißungen) und bis zu 40.000 EUR (bei Folienwechsel nach 100 Schweißungen) eingespart werden. Die höheren Investitionskosten beim IR-Verfahren im Vergleich zum HS (Folienwechsel nach 400 Schweißungen) werden bereits nach ca. 22.000 hergestellten 54 Fenstern eingespart, wenn die volle Strahlerlebensdauer erreicht wird und nach ca. 30.000 Fenstern, wenn nur 10 % der Strahlerlebensdauer erreicht werden. Gegenüber dem HSSzenario mit Folienwechsel nach 100 Schweißungen werden die höheren Investitionskosten durch das IR-Schweißen nach ca. 9.000 Fenstern eingespart, beim frühzeitigen Strahlerwechsel bedarf es 12.000 geschweißte Fenster. In Abbildung 58 ist die Zusammensetzung der variablen Prozesskosten aus Lohn, Verschleiß und Energiekosten dargestellt. Daraus wird ersichtlich, dass die Energiekosten nur einen sehr geringen Anteil an den Prozesskosten ausmachen. Die Wirtschaftlichkeit des Schweißprozesses ist in den meisten Fällen überwiegend von den Lohnkosten und dadurch direkt von der Dauer eines Schweißtaktes abhängig. Wenn häufige Folienwechsel beim HS erforderlich sind, verschiebt sich die Verteilung deutlich, sodass die Kosten für den Verschleiß sogar fast mit den Lohnkosten gleichziehen (Folienwechsel nach 100 Schweißungen). Dabei wurden Wartungszeiten zum Wechseln der Folien noch nicht berücksichtigt, was den Verschleißkosten eine noch etwas höhere Gewichtung zukommen lassen würde. Beim IR-Schweißen mit 1,8 Mio. Schweißungen bis zum Strahleraustausch werden die Prozesskosten nahezu ausschließlich von den Lohnkosten bestimmt. Gerade vor dem Hintergrund der sehr geringen Schweißzeiten bei diesem Prozess verdeutlicht dies die hohe Wirtschaftlichkeit. Abbildung 58: Zusammensetzung der variablen Prozesskosten bei den verschiedenen betrachteten Schweißverfahren und Verschleiß-Szenarien 55 5. Fazit der Untersuchungen In diesem Vorhaben wurde die Schweißbarkeit von glasfaserverstärkten Kunststofffensterprofilen mittels Heizelementstumpfschweißen (HS) und Infrarotschweißen (IR) untersucht und diese Verfahren unter ökologischen und ökonomischen Kriterien bewertet. Beim HS konnte eine grundsätzlich sehr gute Schweißbarkeit des glasfaserverstärkten PVC (GVC-GF) der Geneo-Profile und des unverstärkten PVC-Anteils der energeto®-Profile festgestellt werden. Das PBT-GF der Verstärkungsstege der energeto®-Profile lies sich maximal mit Schweißfaktoren von 0,55 verbinden, was allerdings ungefähr die typische Festigkeit von geschweißten PVC-Fensterprofilen entspricht. Beim energeto®-Profil ist es jedoch aufgrund des höheren Flächenanteils wichtiger, die Schweißparameter optimal auf das unverstärkte PVC einzustellen. Gleichzeitig müssen die Schweißparameter so gewählt sein, dass der Schweißprozess nicht durch das PBT-GF behindert wird. Bei der passenden Schweißparameterwahl war beim energeto®-Profil eine Festigkeitssteigerung der Eckverbindungen von ca. 30 % gegenüber den angenommen Startbedingungen und auf ca. 20 % über den Sollwert möglich. Mit den Geneo-Profilen konnten bereits bei Startparametern eine Eckfestigkeiten von fast 50 % über dem Sollwert erreicht werden. Eine weitere Optimierung durch die Variation von Schweißwegen war weder möglich noch erforderlich. Der HS-Schweißprozess wirkt sich bei beiden faserverstärkten Fensterprofilen nicht negativ auf die Farbechtheit nach künstlicher Bewitterung aus. Auch eine stärkere Temperaturbelastung aufgrund erhöhter Heizelementtemperaturen bzw. verlängerter Anwärmzeiten hatte hier keinen signifikanten Einfluss. Der Verschleiß der antiadhäsiven Heizelementbeschichtung (PTFESchweißfolie) ist beim Schweißen der Geneo-Profile nicht höher als bei unverstärkten Standard-Weißprofilen. Die PBT-GF-Stege der energeto®-Profile führen zu gewissen Rückständen auf der Schweißfolie und verschliefen diese. Der Einsatz alternativer Heizelementbeschichtungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit führte trotz eines großen Testfeldes nicht zum Erfolg. Keine Beschichtung entsprach allen Anforderungen an eine Antihaftbeschichtung für das Schweißen von (faserverstärkten) Fensterprofilen. Daher wurde der Fokus der weiteren Untersuchungen verstärkt auf den Einsatz des IR-Schweißens als alternatives berührungsloses Fügeverfahren gelegt. Das Heizelementstumpfschweißen ist somit 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. Beim IR konnte durch die grundlegenden Versuche zum Erwärm- und Aufschmelzverhalten der Versuchmaterialien gezeigt werden, dass durch IR-Strahlung materialabhängig ausreichende Schmelzeschichtdicken für das anschließende Fügen erreicht werden können. Materialien mit hohen Füllstoff- bzw. Glasfaseranteilen sind hierbei hinderlich und daher voraussichtlich nur bedingt mittels IR schweißbar. Die erforderlichen Schmelzeschichtdicken können je nach Material durch unterschiedliche Parameterkombinationen erreicht werden. Mit der hergestellten experimentellen Einkopf-IR-Schweißmaschine konnten erste Schweißversuche durchgeführt und Erkenntnisse gesammelt werden. Es konnten mittels IR Schweißfaktoren von 1,0 beim PVC der energeto®-Profile und 0,8 beim PVC-GF der Geneo-Profile erreicht werden. Hierzu sollte durch eine tiefergehende Optimierung jedoch auch ein Schweißfaktor von 1,0 möglich sein. Die PBT-GF-Stege (energeto®-Profile) konnten aufgrund der geringeren erzeugbaren Schmelzeschichtdicke und der teilweise Materialdegradation durch die IR-Strahlung nicht prüfbar verbunden werden. Dies erfordert eine angepasste Bestrahlung der unterschiedlichen Materialanteile im energeto®-Profil (PVC und PBT-GF). Die homogene Erwärmung eines Fensterprofils und aller Profilbestandteile (besonders der Dichtung) ist dabei eine große Herausforderung. Um die IR-Strahlung nur auf bestimmte Bereiche zu fokussieren bzw. sie je nach Material zu dosieren, können Blenden eingesetzt werden. Hierzu wurden erste Versuche unternommen, die eine vielversprechende Herangehensweise zur Herstellung geeigneter 56 profilspezifischer Blenden aufzeigen. Bei einer umfassenden Optimierung und durch die Anpassung der Strahlerparameter können diese Blenden eine gute Lösung darstellen und das IR-Schweißverfahren für Fensterprofile grundsätzlich und insbesondere mit faserverstärkten Materialanteilen sinnvoll anwendbar machen. Zum IR von Fensterprofilen sind daher tiefergehende Untersuchungen erforderlich, bei denen weitere verschiedene IR-Strahlertypen mit einbezogen werden sollten. Zudem sollte ein verstärkter Fokus auf die Gestaltung und Anwendung von Blenden gelegt werden. 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. Diese erlaubt einen direkten Verfahrensvergleich unter den genannten Gesichtspunkten. Während beim IR der Faktor Verschleiß aufgrund der hohen Strahlerlebensdauer als äußerst gering einzustufen ist, wurden beim HS verschiedene Szenarien je nach möglicher Häufigkeit des Schweißfolienwechsels berechnet. Der Energieverbrauch pro Schweißvorgang liegt bei den betrachteten Parametereinstellungen und Bedingungen beim IR mit 50 % deutlich unter dem des HS. Dementsprechend sind auch die indirekten Emissionen beim IR geringer als beim HS. Direkte Emissionen beim Schweißen konnten lediglich beim IR in relevanten Konzentrationen erfasst werden, wobei hierfür in erster Linie die Dichtungsmaterialien an den Fensterprofilen verantwortlich waren, auf die der Schweißprozess noch nicht angepasst war. 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. Die variablen Prozesskosten werden dabei überwiegend durch die Lohnkosten beeinflusst und sind daher direkt von der Schweißdauer abhängig. Beim HS tragen zudem die Verschleißkosten (Austausch der Schweißfolie) einen deutlichen Anteil zu den Prozesskosten bei. Müssen die Schweißfolien aufgrund des Verschleiß beispielsweise alle 100 Schweißungen gewechselt werden, so machen die Verschleißkosten beinahe 50 % der variablen Prozesskosten aus. Das IR-Verfahren ist insgesamt dank des geringen Verschleißes, des niedrigen Energieverbrauchs und der kurzen Schweißzeit als deutlich wirtschaftlicher anzusehen, selbst wenn die IR-Strahler nicht ihre volle Lebensdauer erreichen. Die potenzielle Kostenersparnis pro Schweißung liegt bei ca. 37 % im Vergleich zum HS mit Folienwechsel nach 400 Schweißungen und bei ca. 58 % im Vergleich zum HS mit Folienwechsel nach 100 Schweißungen. Das Infrarotschweißverfahren bietet demnach ein erhebliches Potenzial zur wirtschaftlichen und ökologischen Verbesserung des Fensterfertigungsprozesses 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. Aus diesem Grund wurde bereits gegen Ende dieses Projekts ein weiterführendes Forschungsvorhaben am SKZ in die Wege geleitet, welches sich seit dem 01.03.2012 intensiv mit der Thematik „Infrarotschweißen von PVC-Fensterprofilen“ befasst. Dieses öffentliche Forschungsprojekt der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr. 17414N) wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert und von einem Ausschuss mit über 20 Industrievertretern (darunter URBAN, aluplast und Rehau) aus der Kunststofffenster-Branche begleitet. 57 6. Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse Die Ergebnisse des Vorhabens werden nach Absprache zwischen SKZ, URBAN, aluplast und REHAU interessierten Unternehmen zur Verfügung gestellt. Weiterhin bietet das SKZ als eine der größten Aus- und 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, wie z. B. „Kunststoffe“ und „Joining Plastics“, vorgesehen. Tabelle 18 zeigt einen Überblick der geplanten Transfermaßnahmen. Maßnahme Ziel Datum / Zeitraum Aus- und Weiterbildung am SKZ Praxisseminar „Schweißen von Fensterprofilen“ Information der Verarbeiter Oktober 2012 (jährlicher Turnus) Fachmesse “Fensterbau / Frontale“ Information der Kunststofffensterbranche März 2014 Fachtagung „Branchenforum Kunststofffenster“ Information der Kunststofffensterbranche September 2012 (jährlicher Turnus) Fachtagung „Würzburger Schweißertage“ Information der Schweißbranche Frühjahr 2013 (jährlicher Turnus) Übernahme der Ergebnisse in die akademische Lehre Lehrveranstaltungen an der Universität Würzburg und FH Würzburg-Schweinfurt Ab Oktober 2012 Vorlesung „Technologie der Polymermodifizierung“ der Universität Würzburg: Studiengang „Technologie der Funktionswerkstoffe“ Information der Studenten 20 Vorlesungen: Einmal pro Jahr Praktikum „Technologie der Polymermodifizierung“ der Universität Würzburg: Studiengang „Technologie der Funktionswerkstoffe“ Information der Studenten 20 Praktika: Einmal pro Jahr Beratung von Unternehmen Direkte Umsetzung und Nutzung der Forschungsergebnisse in den Unternehmen Ab Sommer 2012 Veröffentlichung der Ergebnisse in der Fachpresse Information der gesamten Kunststoffindustrie Ab Sommer 2012 Tabelle 18: Geplante Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse 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 (darunter URBAN, aluplast und REHAU) 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. 58 7. Literatur [Boc99] H. Bockhorn, A. Hornung, U. Hornung, „Mechanisms and kinetics of thermal decomposition of plastics from isothermal and dynamic measurements”, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 50, 1999 [Bon00] C. Bonten, C. Tüchert, „Welding of Plastics: Introduction into Heating by Radiation“, ANTEC Proceedings, Society of Plastics Engineers, 2000 [DIN01] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 513: Bestimmung der Wetterechtheit und Wetterbeständigkeit durch künstliche Bewitterung“, Beuth Verlag, Berlin, 1999 [DIN02] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN 5033: Farbmessung (Teil 1 bis 9)“, Beuth Verlag, Berlin, 1979 - 2009 [DIN03] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN ISO 14040: Umweltmanagement – Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen“, Beuth Verlag, Berlin ,2009 [DVS03] Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V., „DVS Richtlinie 2207 Teil 6: Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen; Berührungsloses Heizelementstumpfschweißen von Rohren, Rohrleitungsteilen und Tafeln; Verfahren - Maschinen - Parameter“, Beuth Verlag, Berlin, 2003 [DVS89] Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V., „DVS Richtlinie 2207 Teil 25: Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen – Heizelementstumpfschweißen – Schweißen von Fensterprofilen aus PVC-U“, DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1989 [Geh08] M. Gehde, S. Friedrich, S. Motshev, „Strahlungserwärmung beim Kunststoffschweißen mit Infrarotstrahlung“, Joining Plastics, 1/2008, DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 2008 [Goe09] Goedkoop, M. et al., „ReCiPe 2008 - A life cycle impact assessment method which comprises harmonised category indicators at the midpoint and the endpoint level“ Den Haag, Niederlande, 2009 [Gui02] Guinée, J. B. et al. (Hrsg.), “Handbook on Life Cycle Assessment – Operational Guide to the ISO Standards”, Kluwer Academic Publishers, Bosten, 2002 [Her10] Heraeus Noblelight GmbH, „Infrarot-Wärme für die Kunststoffverarbeitung“, Broschüre, Kleinostheim, 2010 [IFA12] Internetquelle: http://gestis.itrust.de, Eintrag zu Benzol in der GESTISStoffdatenbank des Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA), abgerufen am 05.06.2012 [Men75] G. Menzel, A. Polte, „Probleme der dynamisch-thermischen Stabilität von PVC hart. 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