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Verfahren zur Herstellung ein-oder mehrfarbiger Schweissnähte
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung ein-oder mehrfarbiger Schweissnähte beim Verbinden zweier, davon zumindest einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Schichten mittels Wärmeimpuls-, Hochfrequenz-oder Ultraschallschweisseinrichtungen.
Das Verschweissen von thermoplastischen Kunststoffen in Form von beschichteten Bahnen, Folien, Folienverbundmaterialien, Profilen u. dgl. miteinander oder mit schweissfähigen Unterlagen ist schon seit langem bekannt. Man bedient sich dazu einer Reihe von Verfahren, bei denen durch Energiezufuhr in der Regel beide zu verschweissenden Teilstücke erwärmt und dadurch plastisch und verschmelzbar gemacht werden. Die Art der Energiezuführung auf das thermoplastische Material kann dabei verschieden sein : Sie kann durch einfache Strahlungsübertragung von Heizelementen oder auch durch Kontaktberührung mit Heizkeilen, Heizschwertern oder Heizspiegeln erfolgen. Man kennt weiterhin eine Heissgasschweissung und auch solche Verfahren, bei denen durch Reibung das thermoplastische Material erwärmt wird.
Besondere Bedeutung, vor allem für kontinuierlich oder taktmässig automatisch arbeitende Einrichtungen hat bei Kunststoffen mit geringem dielektrischem Verlustfaktor das Wärmeimpulsver-
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Schweisselektroden erzeugte Wärme auf den Kunststoff übertragen, während beim HochfrequenzSchweissverfahren die Wärme durch den dielektrischen Verlust beim Anlegen einer hochfrequenten Spannung im Kunststoff selbst entsteht. Bekannt ist auch das Verschweissen von Kunststoffen mit Ultraschall. Dabei wird in ähnlicher Weise wie beim Hochfrequenzverfahren die Energie von Schweissköpfen direkt auf das Material übertragen. Diese Schweissmethoden werden im Rahmen der Erfindung angewendet. Hiebei können als Folge der Art, Gestalt und Oberflächenprofilierung der Elektroden bzw. der Schweissköpfe Schmuckeffekte oder Ziernähte, z.
B. in Stepp-oder Flechtform, od. dgl. erzeugt werden. Eine farbliche Ausgestaltung solcher Schweissnähte ist jedoch bis heute in der Praxis noch nicht bekanntgeworden.
Bekannt ist zwar beim Blindprägen von Folien, gegebenenfalls mit Beilagen von Farbfolien oder Metallfolien zu arbeiten, um Zier-und Farbeffekte zu erreichen, und es wird in solchen Fällen empfohlen, die Prägestempel anzuwärmen. Diese Technik ist aber recht umständlich und für eine Serienproduktion grossen Umfangs nicht geeignet. Ein Verschweissungsvorgang ist mit der Blindprägung
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Es wurde nun ein Verfahren gefunden, nach welchem in überraschend einfacher und betriebssicherer Weise ein-oder mehrfarbige Schweissnähte beim Verbinden zweier, davon zumindest einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Schichten mittels Wärmeimpuls-, Hochfrequenzoder Ultraschallschweissvorrichtungen erzeugt werden können. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass auf die gegebenenfalls mit Prägemustern versehenen Schweisselektroden bzw.
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Schweissköpfe vor dem Schweissvorgang ein Farbstoff oder ein Farbstoff mit Farbträger, vorzugsweise in Form einer Farbpaste, welche gegenüber dem zu verschweissenden Material einen Farbunterschied aufweist, aufgetragen wird und dieser Farbstoff bzw.
Farbstoff mit Farbträger beim Schweissvorgang im Bereich der Schweissnaht auf das zu verschweissende Material übertragen wird.
Durch die Form der Elektroden bzw. Schweissköpfe wird die Form der Schweissnaht festgelegt.
Die Oberfläche der Elektroden bzw. Schweissköpfe kann ferner mit Musterungen versehen sein, so dass beim Schweissen auch die Oberfläche der Schweissnaht mit diesen Musterungen versehen werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann bei allen nach den vorgenannten Verfahren verschweissbaren Thermoplasten, wie z. B. Polyäthylen, weichmacherhaltigen und weichmacherfreien Vinylchlorid-und Vinylidenchlorid-Polymerisaten, Polyestern, Polyamiden, auch bekannten thermoplastischen Mischpolymerisaten, wie solchen aus Vinylchlorid und Vinylacetat u. dgl. angewendet werden, u. zw. unter Berücksichtigung der Verträglichkeit mit den verwendeten Farben. Bevorzugt wird es beim Verbinden von Platten, Folien, Kunstleder, beschichteten Materialien, Schichtkörpern usw. verwendet. Auch z. B. mit Schaumstoffen kaschierte thermoplastische Folien, wie sie in der Polsterindustrie vielfach Anwendung finden, sind auf diese Weise vorteilhaft und mit besonders wirkungsvollen Effekten verschweissbar.
Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens, dass es nunmehr möglich ist, das Verbinden der Materialien und gleichzeitig eine optisch ansprechende Zierwirkung durch farbliche Gestaltung der Schweissnähte in einem Arbeitsgang zu erzielen. Die Elektroden bzw. Schweissköpfe können in bekannter Weise noch weitere Musterungen, wie Steppnaht-Imitationen, Rautenmuster, Nahtmuster od. dgl. Oberflächengestaltungen aufweisen, so dass ausser der Farbgebung noch eine weitere Variationsmöglichkeit durch ein Prägemuster gegeben ist.
Zur Farbgebung werden solche Farbstoffe verwendet, die bei den Temperaturen, wie sie beim Verschweissungsvorgang auftreten, d. h. bis etwa 200 C, stabil sind, d. h. sich unter den Verarbeitungsbedingungen nicht zersetzen. Vorzugsweise werden als Farbstoffe anorganische Pigmente und Farbstoffe, wie Oxydfarben, metallische Pigmente wie z. B. Aluminiumpulver, Aluminiumbronze u. dgl., ferner Russe oder auch überzogene Pigmente (sogenannte coating) eingesetzt. Es sind aber auch organische Farbstoffe verwendbar, welche diese Bedingungen erfüllen ; dazu gehören z. B.
Chromophthalfarben, Perylenpigmente oder auch gewisse Azofarbstoffe.
Die Farbstoffe können als Farbpulver oder als Farbpuder zur Anwendung kommen. Sie werden in dieser Form durch Wischer, Stempelkissen od. dgl. auf die Elektroden übertragen, dann beim Schweissvorgang auf das erweichte thermoplastische Material aufgebracht und dort fest verankert bzw. eingeschmolzen.
Vorteilhafter ist in vielen Fällen die Anwendung von Farbpasten, d. h. von Farbanreibungen in Lösungsmitteln, Ölen, Weichmachern usw. Bei der Auswahl des Anreibungs-bzw. Bindemittels muss dabei auf das zu verschweissende Grundmaterial Rücksicht genommen werden, um optimale Haftungen zu erreichen. Man verwendet daher mit Vorteil in diesen Farbanreibungen als Bindemittel thermoplastische Kunststoffe, also Polymerisate und/oder Mischpolymerisate, die mit dem Grundmaterial verträglich oder diesem ähnlich oder gleich sind und daher eine besonders gute Haftwirkung vermitteln, gegebenenfalls unter Zusatz üblicher weiterer Hilfsstoffe, wie Weichmacher, Lösungsmittel, Extender u. dgl. So können z.
B. für Polyvinylchlorid als Grundmaterial Polyvinylchloride, Vinylchlorid-Vinylacetat-Mischpolymerisate, Polymethylmethacrylat usw. als Bindemittel für die Farbstoffe bzw. Farbstoffanreibungen verwendet werden. Besonders einfach und sicher ist im Falle des Polyvinylchlorids die Verwendung von an sich aus der Streichtechnik bekannten, entsprechend eingefärbten Polyvinylchloridpasten bzw.-anteigungen oder-lösungen. Das Auftragen solcher Pasten erfolgt ebenfalls durch Wischer, Farbrollen, Stempelkissen, Stempelplatten od. dgl.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Farbe der Schweissnaht so auf das Grundmaterial abzustimmen, dass kein Farbkontrast entsteht, sondern Farbgleichheit oder Ähnlichkeit der Farben herrscht.
Die Farbstoffe als Anreibungen mit einem Kunststoffanteil können unter Normalbedingungen im festen Zustand vorliegen. In diesem Fall kann die Farbstoffübernahne und-abgabe durch die Elektroden bzw. Schweissköpfe aus der Schmelze erfolgen. Vorteile hat diese Ausbildung des Verfahrens
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Die Elektroden bzw. Schweissköpfe können bereits während des Auftragens der Farben oder Farbpasten vorgeheizt werden, um die Farbpasten, die gegebenenfalls auch Lösungsmittel enthalten, vorzutrocknen, wodurch bei stark lösungsmittelhaltigen Pasten eine Aufweichung der Schweissnaht bzw.
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eine Blasenbildung in der Schweissnaht verhindert und der feste Verbund der Farbstoffe gesichert werden kann. Günstig ist das Vorheizen der Elektroden bei Verwendung von Polyvinylchloridpasten, weil damit ein An- und Vorgelieren der Pasten ermöglicht wird und unter Umständen die Schweisszeiten bzw. Taktzeiten in der Produktion verkürzt werden können. Die jeweils günstigsten Temperaturen für die Vorheizung sind durch einfache Vorversuche leicht zu ermitteln.
Sie sind abhängig von der Zusammensetzung der verwendeten Farbpasten und vom Arbeitstakt und können bis zu etwa 150 C betragen.
Selbstverständlich können zur weiteren Ausbildung des Effektes auf eine Elektrode bzw. einen Schweisskopf auch gleichzeitig an einzelnen Stellen oder Bereichen verschiedene Farben oder Farbpasten aufgetragen werden, oder aber diese Vorrichtungen können innerhalb eines mehrteiligen Schweissaggregats mit unterschiedlichen Farbstoffen versorgt werden. Es ist dies nur eine Frage der Ausbildung der Farbübertragungseinrichtung. Als beispielhafte Erläuterung kann eine Heizschiene mit rotem, eine andere Schiene des gleichen Gerätes mit schwarzem Farbstoff und vielleicht eine dritte mit Aluminiumpulver versehen werden.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren in automatische oder halbautomatische Schweissstrassen einbauen, weil es in Anlehnung an an sich bekannte Druckverfahren auch für absatzweise bzw. im Takt ausgeführte Arbeit ausgebildet werden kann, was z. B. in der Autoindustrie von besonderer Bedeutung ist. Neu und überraschend und von vornherein nicht zu erwarten war insbesondere, dass eine derartige Drucktechnik auch beim Verschweissen von Kunststoffen angewendet werden kann und dass bei Anwendung von Wärmeimpuls-, Hochfrequenz-oder Ultraschallschweissverfahren eine einwandfreie Farbstoffübertragung auf die Schweissnähte erfolgt, ohne dass das Kleben von Farbstoff bzw.
Farbpaste an den Elektroden und eine nachteilige Veränderung der Schweissnaht bzw. des zu verschweissenden Materials zu befürchten ist. Das Verfahren stellt deshalb einen wesentlichen Fortschritt für die Verarbeitung von Kunststoffen dar.
Wie weiterhin gefunden wurde, kann man die Farbstoffe vorteilhaft auf elektrostatischem Wege auf die Schweisselektrode bzw. Schweissköpfe haftend aufbringen und die Verschweissung, gegebenenfalls nach Abstreifung überschüssiger Farbstoffmengen, vornehmen.
Bei der Ausführung geschieht die Farbstoffübernahme nach dem Anlegen einer Gleichstromspannung etwa in Höhe von 1 bis 5000 V an die Elektrode bzw. den Schweisskopf, z. B. durch Eintauchen derselben in das Farbstoffpulver. Auch nach dem Abschalten des Stromes bleibt Farbstoff in für die Übertragung auf die Schweissnähte ausreichender Menge an der Elektrode haften.
Nicht alle Farbstoffe eignen sich zur Ausführung des Verfahrens in gleicher Weise. Die verwendeten Farbstoffe müssen jedenfalls die Ausbildung eines Potentialfeldes an der Elektrode gestatten. Demnach müssen die Farbstoffe an sich in genügendem Masse nichtleitend sein bzw. durch besondere Massnahmen nichtleitend gemacht sein. Farbstoffe, die z. B. Russ, insbesondere leitende Russsorten, enthalten, sind nicht geeignet. Unter Farbstoffen werden im Rahmen der Erfindung nicht nur die Teilchen der Farbkörper an sich verstanden, sondern auch Farbstoffpräparationen, also z. B. mit Bindemitteln, insbesondere thermoplastischen, überzogene bzw. bedeckte Farbstoffe, darunter vorzugsweise Pigmente (sogenannte coated pigments), Mischungen aus diesen Bindemitteln und Farbkörpern sowie feinpulverige, feste Lösungen von Farbkörpern.
Zu diesen Farbstoffpräparationen zählen z. B. die unter dem Handelsnamen"Euvinyle (R)"und"Mikrolith"bekannten Produkte. Es versteht sich von selbst, dass die Farbstoffe den beim Schweissvorgang auftretenden Temperaturen widerstehen müssen.
Zur Ausführung dieser Variante des erfindungsgemässen Verfahrens wird z. B. eine der üblichen Schweisselektroden für Hochfrequenzschweissungen verwendet und diese durch eine Gleichstromspannung von etwa 1000 V aufgeladen. Dann wird die Elektrode in das Farbstoffpulver, z. B. Mikrolith rot BRK (Chromophthalrot mit einem Vinylharzlack bedeckt) getaucht. Nach dem Herausfahren der Elektrode aus der Farbstoffpräparation wird der Gleichstrom abgeschaltet und der überschüssige Farbstoff mechanisch abgestreift. Hiezu eignen sich Abstreifer aus Gummi, Wischer oder Pinsel. Die geschilderten Vorgänge können mit Vorteil mechanisiert werden.
Die anschliessend vorgenommene Verschweissung geschieht auf gleiche Art wie dies weiter oben beschrieben ist. Die Zeit und der Druck bei der Verschweissung werden vorteilhaft so gewählt, dass der Farbstoff von dem thermoplastischen Kunststoff in der Schweissnaht aufgenommen wird. Er ist somit sehr fest und beständig gebunden. Gegebenenfalls kann aber auch die nur oberflächliche Haftung des Farbträgers auf der Schweissnaht vorgezogen werden, damit ein leichter Effekt, ähnlich wie beim sogenannten Flockdruck, erzielt wird.
Bei einer andern beispielsweise Ausführungsform des erfmdungsgemässen Verfahrens wird die
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Farbstoffpräparation Euvinyl-Paliogenmarron G (Perylen-Derivat in lösungsmittellöslichem thermoplastischem Bindemittel) verwendet und eine Elektrode in Form einer zunächst kalten, mit etwa 800 V Spannung einer Gleichstromquelle aufgeladenen, Heizleiste benutzt. Die Oberfläche der Elektrode ist mit einem Rautenmuster versehen, so dass nach Aufnahme des Farbstoffes, Abschalten der Hochspannung, Abstreifen des überschüssigen Farbstoffes von der Elektrode und Aufheizen derselben das Prägen des Musters erfolgt. Man erhält somit ein braunes Prägemuster in thermoplastischem Kunststoff.
Der Prägevorgang kann auch mit einem Verschweissungsvorgang verbunden werden. So wird z. B. gleichzeitig mit der Prägung eine graue, lederfarbige Folie aus weichmacherhaltigem Polyvinylchlorid mit einer Schicht Schaumstoff verbunden.
Bei Anwendung der Hochfrequenzverschweissung wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Elektrode erfindungsgemäss mit einem dunkelbraunen Farbstoff belegt. Bei Ausführung der Hochfrequenzverschweissung wird eine hellbraune, bereits in Strichform feingemusterte (geprägte) weichmacherhaltige Folie aus Polyvinylchlorid durch eine dünne Schicht aus Polyurethan-Schaumstoff hindurch mit einer pappeartigen Unterlage strichförmig in dunkelbrauner Einfärbung verbunden. Dieser mehrschichtige Verbundkörper dient z. B. als Türseitenverkleidung im Innern von Personenkraftwagen.
Mit den empfohlenen Farbstoffen werden nach dem erfindungsgemässen Verfahren ansprechende und saubere Schweissnähte mit daran fest verankerten Farbstoffen erhalten. Das erfindungsgemässe Verfahren wird an Hand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Schweisselektrode und die Fig. 2a bis 2d die ganze Schweissvorrichtung in vier Stellungen des Arbeitsvorganges.
Die Elektrode--l--kann in einer speziellen und vorteilhaften Ausführungsform in Richtung auf ihre Stirnfläche ausladend gestaltet sein, z. B. in der gemäss Fig. 1 dargestellten Weise. Mit einer solchen Elektrode werden schärfer abgegrenzte Farbprägungen und farbige Schweissnähte erzeugt.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird, wie die Fig. 2a bis 2d zeigen, beispielsweise mit einer Vorrichtung ausgeführt, die im wesentlichen aus einer verkürzt dargestellten Elektrode einem Farbstoffbehälter--2--mit Farbstoff--3--besteht. Die Elektrode--l--wird vorzugsweise durch mechanische Mittel herabgesenkt (Fig. 2b), bis sie in den Farbstoff --3-- oder eine entsprechende Farbstoffpräparation eintaucht. Bei dem Herabsenken bewirkt die Elektrode das Anlegen
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--1-- und Farbstoffbehälter --2--,- wird sodann wieder aus dem Farbstoff herausgehoben (Fig. 2c). Sie öffnet dabei den Gleichstromkreis und eine, gegebenenfalls inzwischen herangeführte Abstreifvorrichtung-7-und entfernt den an den Seiten überstehenden, überschüssigen Farbstoff (Fig. 2d).
Die Abstreifvorrichtung hat die Form eines flachen Streifens aus isolierenden Stoffen (Kautschuk, Kunststoff od. dgl.).
Anschliessend wird die mit haftendem Farbstoff versehene Elektrode zum eigentlichen Schweissvorgang abgeschwenkt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung ein-oder mehrfarbiger Schweissnähte beim Verbinden zweier,
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Schweissvorgang ein Farbstoff oder ein Farbstoff mit Farbträger, vorzugsweise in Form einer Farbpaste, welche gegenüber dem zu verschweissenden Material einen Farbunterschied aufweist, aufgetragen wird und dieser Farbstoff bzw. Farbstoff mit Farbträger beim Schweissvorgang im Bereich der Schweissnaht auf das zu verschweissende Material übertragen wird.
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