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Computational analysis of submerged ultrasonic welding of carbon-fibre reinforced polyamide using multi-shape energy directors

  • 04.11.2025
  • ORIGINAL ARTICLE

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Abstract

This study investigates submerged ultrasonic welding (S-USW) of carbon-fiber-reinforced polyamide (CFRP) using rectangular, triangular, and semi-circular energy directors (EDs). A 3D finite element model in COMSOL Multiphysics simulated heat generation, stress, and displacement, validated through lap shear strength (LSS) tests. Rectangular EDs generated weld-zone temperatures up to 278 °C in air and 227 °C in water, with maximum LSS of 11.6 MPa. Triangular EDs reached lower peak temperatures (167 °C in S-USW) and weld strengths below 12 MPa despite faster melting. Semi-circular EDs achieved the most favorable outcomes, producing a uniform weld-zone temperature of ~227 °C and maximum LSS of 16.42 MPa under submerged conditions. Stress analysis confirmed reduced concentration compared to other geometries. These results demonstrate that semi-circular EDs enhance heat distribution, bond strength, and joint reliability in CFRP composites. The combined computational–experimental approach offers quantitative guidance for optimizing ultrasonic welding design and parameters.

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Titel
Computational analysis of submerged ultrasonic welding of carbon-fibre reinforced polyamide using multi-shape energy directors
Verfasst von
Sandeep Bose
Arun Uniyal
Sandip Kumar Mishra
Lalit Ranakoti
Ashwani Kumar
Yogesh Kumar Singla
Publikationsdatum
04.11.2025
Verlag
Springer London
Erschienen in
The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
Print ISSN: 0268-3768
Elektronische ISSN: 1433-3015
DOI
https://doi.org/10.1007/s00170-025-16783-2
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    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen. 

    Bildnachweise
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