CH686385A5 - Thermoelektrische schweissverbindbare Zone in thermoplastischen Materialien. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft thermoelektrisch schweiss-verbindbare Zonen mit Fügeflächen an Gegenständen aus thermoplastischem Kunststoff.

Die Funktionstauglichkeit von bspw. elek-troschweissbaren Rohrleitungsteilen bzw. Elek-troschweissfitings, also Elektroschweissmuffen oder Elektroschweissringen, wie sie zum Bau von Rohrleitungen aus thermoplastischen Kunststoffen zur Anwendung kommen, hängt im wesentlichen von der Lage des Heizleiters in bezug für die Rohrverbindung massgebenden Innenfläche des Muffenkörpers und der Aussenfläche des Rohrkörpers ab. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist, dass der Heizleiter im Fittingkörper so eingebettet ist, dass die gesamte Heizdrahtoberfläche zur unmittelbaren Wärmeübertragung an den in der Fügezone für die Verschweissung von Rohr und Rohrleitungsteil in Form von thermoplastischer Schmelze benötigten Materialanteil beteiligt ist. Zudem muss der Heizleiter im Fittingmaterial so stabil verankert sein, dass die Wärmedehnung des Heizdrahtmaterials während der Energieeingabe im mehr und mehr sich aufweichenden bzw. aufschmelzenden Umgebungsmaterial nicht zu unkontrollierten Drahtbewegungen, hauptsächlich quer gerichtet zum Drahtverlauf führt. Letzteres kann eine örtliche Überhitzung durch Kurzschlussberührung einzelner Drahtvindungen zur Folge haben. Zusammengefasst ergeben sich für einen gut funktionierenden elektroschweissbaren Fitting an die Mechanismen der Energie-Einbringung folgende Anforderungen:

- Der Heizleiter soll mit masslich festgelegtem, möglichst geringem Abstand zur Fügefläche im Fittingkörper liegen.

- Der Heizleiler soll, ohne nennenswerte Lufteinschlüsse, vom Fittingmaterial vollständig umhüllt sein. Isolierende Luft in Totvolumina führt zu Zonen überhitzter Drahtoberflächen.

- Die Fügefläche soll nach dem Einbringen des Heizleiters eine möglichst glatte, gleichmässige Oberfläche aufweisen. Rillen und wulstförmige Kämme, die durch zusätzliche isolierende Luftschichten zwischen den zu verschweissenden Oberflächen den Aufschmelzvorgang stören, stellen überdies ein erhebliches Risiko von Lufteinschlüssen (Lunker) beim Schweissvorgang dar und sind deshalb nicht erwünscht.

Mit dieser Forderung werden auch elektrisch ver-schweisste Zonen auf beliebig geformten Oberflächen, also Sattelflächen, Ebenen usw. befriedigende Resultate ergeben. Diese Forderungen können als generell für die Verschweissung von Thermoplasten mittels eingebetteten Heizdrähten betrachtet werden. Da Kunststoff nur unter Druck verschweisst, muss ausserdem die Erzeugung eines ausreichenden Schmelzdruckes bzw. Fügedruckes gesichert sein, was ebenfalls ein wichtiges Kriterium (Temperatur, Zeit, Fügedruck) für die Schweissqualität ist.

So beschreibt bspw. die Schweizer Patentschrift CH 515 449 zur Herstellung von Elektroschweissmuffen verschiedene konstruktive Ansätze mit der

Hauptzielsetzung, den Heizleiterdraht gegen Berührung zu schützen. Bei dieser relativ frühen Technologie werden bei keiner der in Fig. 1 bis Fig. 7 gezeigten Varianten alle Kriterien der oben angegebenen Anforderungen erfüllt, vielmehr bleibt ein grosser Abstand des Heizleiters von der Fügefläche und/oder eine mangelhafte Verankerung des Heizleiters im Muffenkörper mit unakzeptablen Hohlräumen und Lufteinschlüssen bestehen.

Weitere beispielsweise Verbesserungsvorschläge von Verfahren mit zugehörigen Vorrichtungen werden in den Europäischen Patenten EP 0 058 175 und EP 0 086 359 beschrieben. Der Heizleiter wird in einem Arbeitsgang in einen hülsenförmi-gen Muffenkörper aus thermoplastischem Kunststoff eingelegt. Bei beiden Methoden wird mit einem, betreffend der Schneidengeometrie nicht näher präzisierten Schneidewerkzeug, die Innenfläche der Bohrung des Muffenkörpers zu einer spiralförmigen Nut aufgeschnitten und gleichzeitig durch eine, dem Heizleiterdraht angepasste Führung durch das Schneidewerkzeug hindurch, der Heizleiter in die vorgenannte Spiralnute eingelegt und das aufgeworfene Material so gut wie möglich über den eingelegten Draht gedrückt. Beide Druckschriften beschreiben dabei sehr ähnliche Verfahren, wobei das Endresultat sich wenig von der in dem oben erwähnten Patent CH 515 449, gemäss Fig. 4 beschriebenen Variante unterscheidet. Es wird sogar der bekannte Nachteil in Kauf genommen, dass ein wesentlicher Anteil der blanken Heizleiteroberfläche mindestens in der Anfangsphase des Schweissvorgangs offen an der Umgebungsluft liegt, womit diese Partie der Wärmeaustauschfläche nur mittelbar, nach der Auffüllung der Freiräume zwischen Muffenkörper und den zu verschweissenden Rohrenden aktiv an der Bildung von Schmelze beteiligt ist. Weiter wirkt sich negativ aus, dass bis zum Zeitpunkt der vollständigen Schmelze-Einbettung des Heizleiters, dessen luftisolierter Oberflächenanteil unkontrolliert hohe Temperaturen erreichen kann. Zudem besteht in diesem Zeitraum ein erhebliches Risiko der Blasenbildung durch von Schmelzeanteilen eingekapselter Luft, die aus Totvolumina längs der Spiralbahn des Heizleiters nicht kontinuierlich und gleichmässig nach aussen verdrängt wurde.

Die auf den ersten Blick vorteilhaft erscheinende Methode des Einpflügens des Heizleiters durch Einschneiden der Oberfläche, Einlegen und infolge der Rückstellkräfte durch Einklemmen desselben, hat den grundsätzlich gravierenden Nachteil, dass mit dem eingelegten Heizleiter der entsprechende Volumenanteil des thermoplastischen Materials nicht entfernt, sondern nur bedingt kontrollierbar verdrängt bzw. verlagert wird und dann in Form von Rillen- und Wulstanteilen auf der Fügefläche störend zurückbleibt. Die dadurch bewirkten Nachteile bei der Verschweissung zweier Flächen sind oben schon erwähnt worden.

Zumindest während der Einlegeoperation wird der Draht im wesentlichen durch mechanische Reibung zwischen dem Muffenmaterial und dem Heizleitermaterial im Muffenkörper festgehalten, was wegen der generell kleinen Reibungszahl zwischen

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Thermoplast und Metalldraht nur mit grossen Klemmkräften einigermassen sicher funktioniert. Diese Rahmenbedingung wiederum kann zu hoher Zugbelastung im Heizleiterdraht führen. Dadurch kann z.B. ein dünner und weicher Kupferdraht bleibend verstreckt werden, was zwangsläufig den Ohmschen Widerstand der Heizwicklung unkontrollierbar erhöht und bei der Vorgabe von funktionsgerechten, engen Fertigungstoleranzen ebenfalls kostspieligen Ausschuss ergibt.

Eine generelle Problematik besteht beim Einlegen des Heizleiterdrahtes bei simultaner Ausführung mit dem Nutenschneiden darin, dass je nach konstruktiver Gestaltung der Drahtdurchführung durch das Schneidewerkzeug ein erhebliches Störungsrisiko wegen Werkzeugbruch und/oder Verklemmen des Heizleiterdrahtes besteht. Entweder nimmt man bei genügender Wandstärke des Schneidwerkzeuges um die Drahtdurchführung eine zu grosse Aufweitung der Einlegenut in Kauf, oder man vermeidet dies durch möglichst dünne Wandstärken und riskiert einen Werkzeugbruch. Hier kann man nur einen Kompromiss schliessen, statt mit optimaler Verarbeitungsgeschwindigkeit die Einbettung vorzubereiten, um dann unter optimalen Umständen und mit einem für den Einbettungsvorgang optimierten Werkzeug den Heizdraht einzubetten, wodurch weniger Reibung und weniger Umgebungsschäden entstehen, ist man gezwungen, buchstäblich «zwischendurch zu fahren». So wird bspw. auch die Maschinengeschwindigkeit, um Produktionsstörungen zu minimieren, entsprechend langsam gewählt, was die bei diesen Verfahren bisher angenommene Wirtschaftlichkeit einer Zusammenlegung der beiden Verfahrensschritte «Spiralnute schneiden» und «Heizleiterdraht einlegen» im Gegensatz zum Durchführen dieser Verfahrensschritte in Einzeloperationen in Frage stellt.

Erwünscht wäre ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch schweissbaren Zonen, welche die eingangs genannten Bedingungen erfüllen. Das Verfahren soll deswegen aber nicht zu einer Verteuerung des Produktes führen.

Mit der in den Patentansprüchen definierten Erfindung können elektrisch schweissbare Oberflächen für Fittings wie Elektro-Schweissmuffen, Elektro Schweissringe und dergleichen Produkte hergestellt werden, was natürlich auch ebene Flächen beinhaltet.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren wird ein Beispiel des erfindungsgemässen Vorgehens zum Einbringen des Heizleiterdrahtes in einen aus thermoplastischem Material bestehenden Körper, bspw. eine Elektroschweissmuffe, durch das erfindungsgemässe Verfahren erstellt werden, im Detail diskutiert. Das Einlegen in andere, beliebig geformte Flächen erfolgt in analoger Weise.

Fig. 1a zeigt im Schnitt einen Teil einer bekannten Spiralnutenform mit angedeutetem Heizleiter beim Einlegevorgang; der Einfluss der geometrischen Form der Spiralnute auf die Kräfteverteilung ist durch Pfeile dargestellt.

Fig. 1b zeigt eine andere bekannte Spiralnutenform mit angedeutetem Heizleiter beim Einlegevorgang; der Einfluss der geometrischen Form der Spiralnute auf die Kräfteverteilung ist durch Pfeile dargestellt.

Fig. 1c zeigt eine bekannte Spiralnutenform mit angedeutetem eingelegtem Heizleiter und offenen aufgestauchten Materialwulsten.

Fig. 1d zeigt die Spiralnutenform aus Fig. 1c, jedoch mit zugedrückten plastisch verformten Materialwulsten.

Fig. 2a zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, im Teilschnitt einer Fügefläche bspw. eines Muffenkörpers bei dem eine geschnittene Einführspalte für den Zugang des nachfolgenden spanenden Werkzeugteils geöffnet ist.

Fig. 2b zeigt einen Folgezustand bei dem eine Drahtnische für einen einzulegenden Heizleiter vom Grund der geschnittenen Einführspalte spanend entnommen wurde.

Fig. 2c zeigt den eingelegten Heizleiter, wobei die Materialwulste plastisch verformt möglichst satt an den Heizleiter angelegt sind.

Fig. 2d zeigt ein Schema der Kräfteverteilung auf den eingelegten Heizleiter beim Verfahrensschritt von Fig. 2c.

Fig. 2e zeigt den fertig eingebetteten Heizleiter. Durch Anlegen einer nicht gezeichneten Kühlfläche an die Fügefläche und mittels kurzzeitigem Stromdurchgang durch den Heizleiter im Bereich der Schmelzzone 9, wurde die Einlegeöffnung versiegelt, d.h. der Heizleiter befindet sich an der massgenau vorbestimmten Lage (Mass F) vollständig im Kunststoffmaterial eingebettet; die zur Verschweissung bereite Fügefläche präsentiert sich glatt, ohne wesentliche Rillen oder Kämme.

Fig. 3a bis Fig. 3e zeigen eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform im Teilschnitt einer Fügefläche bspw. eines Muffenkörpers bei dem eine geschnittene Einführspalte für den Zugang des nachfolgenden spanenden Werkzeugteils geöffnet ist. Die Verfahrensschritte sind analog wie in den Fig. 2a bis Fig. 2e mit der Ausnahme, dass die Drahtnische für den einzulegenden Heizleiter nicht vom Boden, sondern seitlich des geschnittenen Einführspalts spanend entnommen wurde.

Fig. 4a bis Fig. 4e zeigen eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform, bei der die geschnittene Einführspalte T-förmig ausgeführt ist und die Drahtnische für den einzulegenden Heizdraht seitlich aus der Einführspalte spanend entnommen ist. Die Verfahrensschritte sind analog wie in den Fig. 3a bis Fig. 3e mit der Ausnahme, dass die geschnittene T-förmige Einführspalte einen ebenen Boden aufweist.

Fig. 5a bis Fig. 5e zeigen eine vierte erfindungsgemässe Ausführungsform, die speziell für dünne Heizleiter geeignet ist.

Fig. 5a zeigt diese vierte Ausführungsform im Teilschnitt einer Fügefläche bspw. eines Muffenkörpers, bei dem eine spanend geschnittene Einführspalte für den Zugang des nachfolgenden verdrängenden Werkzeugteils geöffnet ist.

Fig. 5b zeigt eine durch Materialverdrängung auf dem Grunde der vorbereiteten Einführspalte entstandene Drahtnische.

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Fig. 5c zeigt den eingelegten Heizleiter in der Drahtnische, die Materialwulst ist plastisch gegen den Draht verformt.

Fig. 5d und 5e zeigen analoge Eigenschaften, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 2d und Fig. 2e gezeigt wurde.

Die Fig. 1a bis Fig. 1c zeigen bekannte Ausführungsbeispiele von Spiralnutenformen mit angedeutetem Heizleiter während des Einlegevorgangs. Der Einfluss der geometrischen Form der Spiralnute auf die Kräfteverteilung ist in den Fig. 1a und Fig. 1b durch Pfeile dargestellt. Fig. 1d zeigt deutlich, wie das dem Volumenanteil des eingelegten Heizleiters entsprechende Material auf der Fügefläche FF als unerwünschte Kämme und Rillen erscheint. Diese Figuren sollen einführungsmässig den Problemkreis aufzeigen, der durch die hier vorgestellte Erfindung erfolgreich umgangen wird.

Die in Fig. 1a im Längsschnitt durch den Muffenkörper dargestellte Spiralnute stellt ein klassisches Beispiel einer Nutgeometrie dar, die durch spanabhebende Bearbeitung auf einer Fügefläche FF erzeugt wurde. Der Heizleiterdraht wird unter massiger Zugspannung mit Hilfe einer nicht dargestellten rollenden oder gleitenden Drahtführungs- und Einlegevorrichtung in eine untermassig geschnittene Spiralnute kontinuierlich eingepresst. Die seitlich auf den Heizleiter wirkenden Klemmkräfte K1 und K2 bewirken die Reibkräfte R1 und R2, welche der radialen Kraftkomponente Z, hervorgerufen durch die Zugspannung des Drahtes, entgegenwirken. Sind die Klemmkräfte entlang des eingelegten Heizleiterdrahtes genügend gross und die Auslenkkraft am Draht während des Einlegevorgangs verhältnismässig klein, so sind die Bedingungen für eine sichere Positionierung der Drahtwicklung im Muffenkörper gegeben. Das massgebende Kriterium ist die Zuordnung von Drahtdurchmesser D und Nutweite N mit Berücksichtigung der fabrikationstechnischen Masstoleranzen.

Wird die Nute nicht spanabhebend eingearbeitet, sondern nur aufgeweitet, so kann die Nutbreite N grösser als der Drahtdurchmesser D bleiben, was durch einen gestrichelten Kreis dargestellt ist. Es ist dann schwierig, den Heizdraht so tief in den Spalt einzubringen, dass er dort eingeklemmt und gehalten wird. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Einlegeverfahren findet ein Lufteinschluss in einem Totvolumen T statt.

Ein weiteres bekanntes Vorgehen zur Herstellung von Spiralnuten ist das partielle Zerspanen und Zerpflügen einer Fügefläche FF im gleichen Arbeitsgang; eine so entstandene Rillenform ist in Fig. 1b dargestellt. Durch die Verdrängungswirkung des entsprechend geformten Schneidwerkzeuges entsteht beidseitig der offenen Rille eine aufgeworfene Materialwulst. Auch in diesem Verfahren wird der Heizleiterdraht unter Zugspannung mit Hilfe einer nicht dargestellten rollenden oder gleitenden Draht-führungs- und Einlegevorrichtung in die untermässig geschnittene Spiralnute kontinuierlich eingepresst. Die seitlich auf den Heizleiter wirkenden Klemmkräfte K1 und K2 bewirken die Reibkräfte R1 und R2, welche der radialen Kraftkomponente Z, hervorgerufen durch die Zugspannung des Drahtes, entgegenwirken.

Die Nutbreite N kann grösser als der Drahtdurchmesser D bleiben, was durch einen gestrichelten Kreis dargestellt ist. Es ist dann schwierig, den Heizdraht so tief in den Spalt einzubringen, dass er dort eingeklemmt und gehalten wird. Auch in dem in Fig. 1b gezeigten Einlegeverfahren findet ein Lufteinschluss in einem Totvolumen T statt.

Die Fig. 1c und Fig. 1d zeigen, wie mit einem speziell ausgebildeten Drahtführungs- und Glättewerkzeug beim Einlegen des Heizleiterdrahtes die beim Zerspanen und Zerpflügen der Fügefläche FF gebildeten wulstartigen Materialpartien so gegen den Draht gedrückt werden, dass der Heizdraht mindestens teilweise überdeckt wird. Bei dieser heute üblichen Fertigungstechnik erfolgt neben den Klemmkräften K1 und K2 zusätzlich eine mechanisch erzeugte Verengung der Rillenöffnung, wodurch ein Herausschlüpfen des Heizleiterdrahtes erschwert wird. Man sieht aber gleich, dass einerseits durch den blanken Heizleiter der Berührungsschutz ungenügend ist und andererseits beim Zusammendrücken der Wülste und auch evtl. nachträglichen Verschmelzen wulstartige Erhöhungen in der Fügefläche zurückbleiben, die einer perfekten Schweis-sung entgegenstehen.

Die vorliegende Erfindung hat, wie schon gesagt, zum Ziel, diese aufgezählten Nachteile der bekannten Fabrikationsmethoden zu eliminieren und sämtliche Kriterien der eingangs aufgezählten Anforderungen für eine sichere elektroschweissbare Verbindung zu erfüllen.

Eine einwandfreie, massgenaue Verankerung des Heizleiters, sowie eine weitgehend glatte, von Wülsten und Rillen freie Fügefläche sowie das Vermeiden von Totvolumina, lässt sich dann realisieren, wenn der Heizleiter nicht verdrängend in eine vorgeschnittene Furche eingedrückt wird, sondern wenn der Volumenanteil des Heizleiters vorgängig des Einlegevorgangs spanend aus dem thermoplastischen Material, bspw. dem Muffenkörper, herausgearbeitet wird. Dies jedoch in einer Weise, welche die Nachteile, wie sie bspw. im Zusammenhang mit Fig. 1a festgestellt wurden, nicht aufweist.

Die allgemeine Lösungsidee besteht in der Schaffung einer Einführspalte für die Anlage eines offenen Drahtbettes, welches geometrisch so zu gestalten und einzuarbeiten ist, dass der eingelegte Heizleiterdraht beim Einlegevorgang in masslich vorbestimmter Lage, mit geringem aber definiertem Abstand zur vorbestimmten Fügefläche, durch eingearbeitete Drahtbettnischen schon beim Einlegen fast vollumfänglich vom Material des Muffenkörpers umschlossen und so positiv gehalten ist, wobei durch Anpressen des Deckmaterials die Drahtbettnischen sich zum Drahtbett schliessen. Dies wird durch einen Schneid-/Zerspanvorgang durchgeführt, mittels welchem eine tiefendefinierte Abdeckzone und eine auf den verwendeten Drahtdurchmesser abgestimmte Einbettzone mit geöffneten Drahtnischen, welche geschlossen das Drahtbett ergeben, geschaffen werden. In die Einbettzone wird der Heizleiterdraht formpassend eingelegt, die Abdeckzone erlaubt ein luftfreies Verschliessen mit einer

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Abdeckung von definierter Dicke. Dadurch kann ein Heizleiterdraht luftfrei in gleichbleibender Einbettungstiefe verlegt werden. Durch den Einsatz eines frei programmierbaren, rechnergestützten Bearbeitungszentrums können die einzelnen Operationsschritte zugunsten optimaler Maschinengeschwindigkeiten und optimaler Werkzeugausgestaltungen teilweise oder ganz separiert, aneinandergereiht ausgeführt werden.

Am Beispiel einer Schweissmuffe mit Spiralanordnung des Heizleiters empfiehlt es sich, die vorgängigen Bearbeitungsoperationen, das Drahteinlegen, das Zurückbiegen und Andrücken der Draht-Abdeckung auf einer handelsüblichen CNC-Dreh-maschine mit Werkzeugwechsel-Automatik und teilweise erweiterten Software-Funktionen in einer Werkstückaufspannung durchzuführen.

Die Operationsschritte gemäss den Fig. Xa und Fig. Xb (X = 2, 3, 4, 5) können einzeln hintereinander mit entsprechenden getrennten Werkzeugen oder simultan mit einem kombinierten Spezialwerk-zeug ausgeführt werden. Das Drahteinlegen, Zurückbiegen und Andrücken der Draht-Abdeckung gemäss den Fig. Xc und Xd (X = 2, 3, 4, 5) kommt mit Hilfe eines anderen kombinierten Spezialwerk-zeuges zur Ausführung. Die sichere Positionierung des Heizleiters nach der Versiegelung gemäss Fig. Xe (X = 2, 3, 4, 5) ist damit gewährleistet. Für den Siegel- und Glättevorgang der Fügefläche wird, als Teil der Konfektionierungsstrasse, eine weitere SpezialVorrichtung eingesetzt.

Im folgenden werden die gemeinsamen Schritte I bis V des Verfahrens am Beispiel einer Schweissmuffe beschrieben:

I: Vorbereitung der Fügefläche.

Der im Spritzgiessverfahren oder als extrudiertes Rohrstück hergestellte Rohling aus Kunststoff, hier ein Muffenrohling, wird nach Ablauf einer materialspezifischen Nachschwindungszeit einem Zwischenlager entnommen. Alle Bearbeitungsoperationen erfolgen auf einer CNC-Drehmaschine. Die Innenpartie des Rohlings wird spanabhebend bearbeitet.

II: Einarbeiten des Drahtbettes.

In eine rundlaufende und massgenaue Bohrung des Muffenrohlings wird mit Hilfe einer Schneide eine in Fig. Xa (X = 2, 3, 4, 5) dargestellte Einführspalte vorbereitet. Entsprechend einer gewünschten Schichtdicke wird eine Schneidtiefe in die Fügefläche so gewählt, dass ein Abstand zwischen den geöffneten Abdeckungspartien dieser Einführspalte eingehalten werden kann. Der Muffenrohling weist in den Fig. Xa (X = 2, 3, 4) eine Materialwulst oder Draht-Abdeckung auf. Entsprechend dem Drahtdurchmesser und der gewünschten Schichtdicke wird der jeweils günstigste Seitenwinkel der Einführspalte programmiert. In den Fig. Xb (X = 2, 3, 4, 5) ist zu sehen, wie simultan mittels eines kombinierten Spezialwerkzeuges, oder in einem zusätzlichen Schritt mit identischem Seitenwinkelprogramm, die Drahtnische für das Drahtbett für den einzulegenden Heizdraht spanend aus dem Einführspalt entnommen wird, ohne dabei die den Einführspalt umgebende Materialwulst zu verletzen. Damit ist die Muffe zum Einlegen des Heizleiters vorbereitet.

III: Einlegen des Heizleiters.

Mit Hilfe eines profilierten Drahtführungs- und Einlegefingers, kombiniert mit einem Anpress-Schuh mit Führungs- und Biegepartien für das Rückstellen und Positionieren der Draht-Abdeckung, siehe auch das Deutsche Patent DE-4 241 561.6, wird der Heizleiter in die vorbereitete, spiralförmig auf der Innenwand des Muffenrohlings verlaufende, ausge-spante Drahtnische eingebracht. Dazu verwendet man die gleichen Seitenwinkelparameter wie für die Bildung der Nische. In der Regel findet lediglich ein Werkzeugwechsel und eine vorprogrammierte Parameteranpassung statt. Wie gesagt, läuft dieser Vorgang getrennt vom Bilden des Einführspalts und der Drahtnische ab. Man hat hier die Möglichkeit, die Geschwindigkeit für das Einlegen exakt den Eigenschaften des einzulegenden Heizleiters bezüglich Drahtbelastung anzupassen. Beim Einlegen des Heizdrahts wird kein Totvolumen oder Lufteinschluss gebildet und die Draht-Abdeckung wird nicht verletzt oder verändert.

IV: Anbringen der Anschlusskontakte.

Das Glätten der Fügefläche kann durch Aufheizen des eingelegten Heizleiters geschehen. Bevor jedoch die Draht-Abdeckung zusammengeschmolzen werden kann, müssen die freien Enden des Heizleiter-Wendels mit Kontaktelementen versehen werden.

V: Schliessen und Glätten der Fügefläche.

Die so vorbereitete Schweissmuffe wird in eine Presse eingelegt und zugleich über die Kontaktelemente an eine geeignete Stromquelle angeschlossen. Ein bspw. kühlbarer Passdorn wird in die mit dem Heizwendel versehene Muffenbohrung eingeschoben, wobei die spiralförmig auf dem Rand des Einführspalts verlaufende Materialwulst vom Passdorn gegen den eingelegten Heizleiter gedrückt wird. Dies ist in den Fig. Xc (X = 2, 3, 4, 5) zu se-hent Durch das Zusammenpressen der Materialwulst wird die Öffnung des Einführspalts verengt, in der Regel aber nicht vollständig verschlossen. In diesem Zustand wird nun kurzzeitig soviel elektrische Energie durch den Heizleiter geschickt, dass die Öffnung des Einführspalts vollständig verschmolzen wird. In den Fig. Xe (X = 2, 3, 4, 5) ist zu sehen, wie der Heizleiter daraufhin vom thermoplastischen Muffenkörpermaterial ohne Lufteinschluss und Totvolumen umschlossen wird. Auf dem nun mit Kühlmedium durchflossenen Passdorn verfestigt sich die geglättete Fügefläche zur massgenauen Bohrung der fertigen Schweissmuffe. Das Verfahren ist in analoger Weise auch für Schweissringe mit Aussenwicklung anwendbar, oder aber für andere beliebige Flächen, insbesondere Ebenen, bei denen eine mit Kühlmedium durchflossene Pressplatte verwendet wird. Als weitere, unabhängige Konfektionie-

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rungsoperationen werden der Schweissindikator und allenfalls der zentrale Rohranschlagring montiert.

Im folgenden werden die einzelnen Ausführungsformen bezüglich ihrer Formgebung beschrieben:

Die Fig. 2a bis Fig. 2e zeigen im Teilschnitt eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Muffenkörpers mit geschnittenem Einführungsspalt zur Anlage der Drahtbettnische in definiertem Abstand von der Fügefläche. Gemäss Fig. 2a wird in den vorbereiteten, glatt bearbeiteten Thermoplastkörper 1 mit einem nicht dargestellten und nicht näher präzisierten Werkzeug auf dessen Oberfläche FF ein Einführspalt 2 symmetrisch eingeschnitten. Dieser Einführspalt 2 weist eine Schneidtiefe E, einen Öffnungsdurchmesser C und ein Seitenwinkel S auf. Bei diesem Schneidevorgang bildet sich auf der Fügefläche FF, seitlich um die Öffnung des Einführspalts 2 die Anlage für die Draht-Abdeckung 3 der Dicke A. Alle diese Parameter Schneidtiefe E, Öffnungsdurchmesser C, Seitenwinkel S und Höhe und Breite der Materialwulst 3 sind bei diesem Verfahren frei einstellbar. Der Einführspalt 2 verläuft vorteilhafterweise spiralförmig auf der Innenseite des Muffenrohlings 1. Es hat sich gezeigt, dass beim Einschneiden und Öffnen eine leichte Reckung der Anlage für die Draht-Abdeckung 3 stattfindet, derart, dass sie im dargestellten Teilschnitt über die Fügefläche FF eine leicht keulenförmige Ausweitung aufweist, einerseits das zu bildende Drahtbett 4 beim Drahteinlegen leichter zugänglich ist und andererseits die Verschlusszone 6 begünstigt wird (siehe in der Beschreibung zu Fig. 2c).

Fig. 2b zeigt, wie nun in diesen Einführspalt 2 eine Drahtnische 4 für das Drahtbett mit einem Formstahl spanend eingearbeitet wird. Hier besteht nun die Möglichkeit, das Drahtbett genau dem Heizleiter 5 anzupassen und mit dem Werkzeug ein Drahtbett mit dem Durchmesser R des Heizleiters 5 zu schaffen. Erfindungsgemäss wird das Drahtbett in dieser Ausführungsform am Boden des Einführspalts 2 gebildet. Der Durchmesser R des Drahtbettes bzw. der Radius der Drahtnische 4 ist hierbei so gross wie die Schneidtiefe E und die gewünschte Schichtdicke F, sodass der Heizleiter 5 in einem späteren Schritt vollständig in den Thermoplastkörper 1 eingesetzt werden kann und nicht über die Fügefläche FF übersteht. Der Vorgang des Ein-schneidens und Öffnens des Einführspalts 2 und der Bildung der Drahtnische 4 kann je nach Wahl des verwendeten Werkzeugs, simultan in einem oder in zwei getrennten Arbeitsschritten erfolgen.

Im nächsten Schritt, wie ihn Fig. 2c zeigt, ist der Heizleiter 5 durch den mit dem Abstand C offenstehenden Einführspalt 2 in das Drahtbett eingelegt und wird von den Drahtnischen 4 umschlossen. Die Abdeckung 3 ist, vorzugsweise beim Einlegepro-zess, gegen den Heizleiter 5 zurückgebogen und angedrückt worden. Wie dann die noch zu ver-schliessende Öffnung 6 der (stumpf) aufeinander stossenden Abdeckung aussieht, kann mit der Ausgestaltung des Werkzeugs weitgehend gesteuert werden. Die leichte Reckung der Draht-Abdeckung 3 derart, dass sie im dargestellten Teilschnitt über die Fügefläche FF eine leicht keulenförmige Ausweitung aufweist, erleichtert einerseits das Einlegen des Heizdrahts 5 in die Drahtnischen 4 und begünstigt andererseits die Bildung der Verschlusszone 6. Der Vorgang des Drahteinlegens und des Anpressens der Materialwulst 3 in die Öffnung des Einführspalts 2 kann je nach Wahl des verwendeten Werkzeugs, simultan in einem oder in zwei getrennten Arbeitsschritten erfolgen. Vorzugsweise wird in einem ersten Arbeitsgang mit optimalem Werkzeug das Drahtbett gefertigt und in einem zweiten Arbeitsgang mit ebenfalls optimalem Werkzeug der Draht eingelegt und zugedeckt.

Schliesslich ist in Fig. 2d das Schema der ungefähren Kräfteverteilung auf den eingelegten Heizleiter 5 dargestellt, wie dies in den Fig. 1a und 1b zum Stand der Technik ebenfalls gezeigt wurde. Man sieht hier den wesentlich wirksameren Ansatz der Klemmkräfte K1/K2 im Drahtbett und den fast idealen Kraftverlauf der Haltekräfte K3/K4 durch die Draht-Abdeckung 3, deren Kraftkomponente gegen die Z-Richtung sehr gross ist. Schon hier ist ein erster fabrikationstechnischer Vorteil feststellbar; der Heizdraht 5 kann während des Einlegens praktisch nicht mehr aus seiner gegebenen Lage herausschlüpfen. Der mit dem Heizleiter 5 bestückte Muffenrohling 1 kann nun ohne Ausschuss dem nächsten Verarbeitungsschritt zugeführt werden.

Fig. 2e zeigt den Zustand der erfindungsgemäs-sen Schweissmuffe nach dem Schmelz-Verankern oder Versiegeln des Heizleiters 5 im Muffenkörper 1. Der Bereich 9 um die Drahtnischen 4 mit dem eingelegten Draht 5 und die Öffnung 6 wurden mittels eines hier nicht dargestellten Passdorns und kurzzeitigem Stromdurchgang durch den Heizleiter 5 versiegelt. Der Bereich 9 stellt die sogenannte Schmelzzone dar. Der Heizleiter 5 befindet sich an der massgenau vorbestimmten Lage (Mass F) vollständig im Muffenkörper 1 eingebettet; der Bereich 8 der Fügefläche FF, wo der Einführspalt 2 gebildet wurde, präsentiert sich glatt, ohne wesentliche Rillen oder Kämme. Das Vorhandensein einer Schliess- bzw. Schmelznarbe (G) beeinträchtigt die Funktion des nun fertigen Muffenkörpers 1 nicht.

Damit sind die eingangs aufgeführten Forderungen erfüllt: Der Heizleiter 5 liegt mit masslich festgelegtem, möglichst geringem Abstand F zur Fügefläche FF in der Schweissmuffe, er ist ohne störende Lufteinschlüsse vom Kunststoffmaterial vollständig umhüllt, die Fügefläche FF weist nach dem Einbringen des Heizleiters 5 eine glatte, gleichmässige Oberfläche FF auf. Rillen und wulstförmige Kämme die durch zusätzliche isolierende Luftschichten zwischen den zu verschweissenden Oberflächen den Aufschmelzvorgang stören und überdies ein erhebliches Risiko von Lufteinschlüssen (Lunker) beim Schweissvorgang bilden, sind nicht vorhanden.

Die Fig. 3a bis Fig. 3e zeigen eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform, welche von der ersten Ausführungsform abgeleitet ist, mit dem Unterschied, dass die Drahtnischen 4 nicht am Boden des Einführspalts 2, sondern seitlich im Einführspalt 2 angebracht worden sind. Hierdurch kann die Tiefe des Drahtbetts E' definiert eingestellt werden. Es gilt, dass der Durchmesser R der Drahtnische 4 genauso gross ist wie die Drahtbettiefe E' und die ge5

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wünschte Schichtdicke F, da der Heizleiter 5 sonst nicht vollständig in den Thermoplastkörper 1 passt und über die Fügefläche FF übersteht. Mit dieser Massnahme lässt sich einerseits die Klemmwirkung beim Einlegen des Heizleiters 5 variieren und andererseits Form und Detailfunktion der Materialwulst oder Draht-Abdeckung 3 verändern. Man sieht hier, was für Möglichkeiten der Variation die hier diskutierte Erfindung bietet.

Die Fig. 4a bis 4e zeigen eine dritte erfindungsge-mässe Ausführungsform, welche die zweite Ausführungsform stark modifiziert, dass die Drahtnischen 4 seitlich mit einer Drahtbettiefe E' im Einführspalt 2 angebracht sind, im relativ wesentlichen Unterschied zur zweiten Ausführungsform ist der Boden 7 des Einführspalts 2 diesmal eben gearbeitet.

Fig. 4a weist somit einen Unterniveau-Drahtbett-boden 7 von definierter Breite B in definierter Tiefe E auf. Dieser wird beispielsweise mit einer symmetrisch trennenden und profilierten Stechbeitelklinge als Werkzeug vorgeschnitten und, derart einen Einführspalt 2 mit Seitenwinkel S bildend, mittig getrennt und radial aufgebogen. Auf diese Weise entstehen eine Schneidtiefe E und eine Draht-Abdek-kung 3 der Höhe A. Die Abdeckung 3 kann durch Formgebung des benutzten Werkzeugs gereckt, gestaucht, plastisch verformt und für die nachfolgende Drahteinlegung offengestellt werden, wie das bspw. mit einem Öffnungsabstand C dargestellt ist, was jeweils der Art und Weise der nachträglichen Weiterverarbeitung dienlich ist. Alle diese Parameter Schneidtiefe E, Breite B des Unterniveau-Drahtbettbodens 7, Öffnungsdurchmesser C, Seitenwinkel S des Einführspalts 2, sowie Höhe A und Breite der Materialwulst 3 sind bei diesem Verfahren frei einstellbar.

Fig. 4b zeigt, wie nun seitlich in den Einführspalt 2 das Drahtbett beispielsweise mit einem Halbrund-Formstahl als Werkzeug spanend in der Tiefe E' eingearbeitet wird. Hier besteht nun die Möglichkeit, die Drahtbettnischen 4 genau dem Heizleiter 5 anzupassen und mit dem verwendeten Werkzeug ein Drahtbett mit dem Durchmesser R des Heizleiters 5 zu schaffen. Die Drahtbettiefe E' bestimmt die für das Einlegen des Drahtes nötige Klemmwirkung, die durch die spanende Bearbeitung sehr genau einstellbar ist. Hier gilt, dass der Durchmesser R der Drahtnische 4 so gross ist wie die Schneidtiefe E und die gewünschte Schichtdicke F, da der Heizleiter 5 sonst nicht vollständig in den Termoplastkörper 1 passt und über die Fügefläche FF übersteht.

Im nächsten Schritt, wie ihn Fig. 4c zeigt, ist der Heizleiter 5 durch die Öffnung C in das Drahtbett eingelegt worden und die Draht-Abdeckung 3 anschliessend gegen den Heizleiter 5 angedrückt worden. Wie dann die noch zu verschliessende Öffnung 6 der (stumpf) aufeinander stossenden Abdeckung aussieht, kann mit der Ausgestaltung des verwendeten Werkzeugs weitgehend gesteuert werden. Bemerkenswert ist in dieser dritten erfindungs-gemässen Ausführungsform, dass der Heizdraht 5 bei diesem Andrücken um die Entfernung des Drahtbetts 4 vom Unterniveau-Drahtbettboden 7 oder um die Distanz E - E' - R/4 in den Muffenkörper 1 bewegt wird.

Die weiteren Verfahrensschritte nach den Fig. 4d und Fig. 4e sind analoge Operationsschritte, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 3d und Fig. 3e im Detail diskutiert wurde.

Die Fig. 5a zeigt einen Teilschnitt durch eine vierte erfindungsgemässe Ausführungsform, speziell für dünne Heizleiter 5, wobei auf einer glatten Fügefläche FF eines Muffenkörpers 1 eine spanend geschnittene Einführspalte 2 für den Zugang eines nachfolgenden verdrängenden Werkzeugteils geöffnet ist. Diese Einführspalte 2 weist in einer Schneidtiefe E einen abgerundeten Boden 7' auf, die Wände der Einführspalte 2 sind gerade, somit ist der Seitenwinkel S der Einführspalte 2 gleich Null. Beim Schneiden der Einführspalte 2 wird ein der Drahtlänge und Drahtdurchmesser entsprechendes Materialvolumen entnommen, wodurch seitlich um die Öffnung der Einführspalte 2 kein Materialwust 3 wie in den Fig. 2a bis Fig. 4a entsteht. Der Vorteil dieses erfindungsgemässen Einführspalts 2 beruht in seiner raschen Herstellung mit einem einfachen Werkzeug.

In Fig. 5b wurde durch Materialverdrängung auf dem Grunde 7' der vorbereiteten Einführspalte 2 mit einem Formstahl die Drahtbettnischen 4 geschaffen, deren Radius bzw. gemeinsamen Durchmesser R vorteilhafterweise dem des später einzulegenden Heizdrahtes 5 entspricht. Bei diesem Arbeitsgang wird nun eine Materialwust oder Draht-Abdeckung 3 geschaffen und auch der Seitenwinkel S' ist von Null verschieden. Die Beweggründe für diese Ausführung sind schon vorher erwähnt worden, die schräge Seitenwinkel S' begünstigt das Einfügen des Heizdrahtes 5, die Draht-Abdeckung 3 mit vorteilweiser leicht keulenförmiger Ausweitung von der Höhe A über die Fügefläche FF hinaus ist für die spätere Abdeckung des eingelegten Heizdrahtes 5 erfindungsgemäss notwendig.

Die Fig. 5c und 5e zeigen analoge Eigenschaften, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. Xc und Xe (X = 2, 3, 4) gezeigt wurde.

Wie am Beginn der Figurenlegende schon erwähnt worden ist, kann diese Methode der Bildung eines in definierter Distanz zur Fügefläche gehaltenen Drahtbetts mit Material zum Abdecken eines eingelegten Heizdrahts auch für andere thermoelek-trisch schweissbare Oberflächen angewendet werden. Auch dort, wo nur partielle Schweisszonen vorgesehen sind.

Das Verfahren zur Herstellung einer thermoelek-trisch schweissverbindbaren Zone in thermoplastischen Materialien ist wesentlich verbessert worden durch die formtreue und luftfreie Einbettung des Heizleiters in einer definierten Tiefe unter der Fügefläche. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Einfügespalt von definierter Tiefe in das Kunststoffmaterial eingeschnitten. Vorzugsweise wird im gleichen Arbeitsgang in einer gewünschten Tiefe ein Drahtbett für einen Heizleiters spanend formtreu mitgeschnitten. In einem späteren Verfahrensschritt wird der Heizleiter durch die Öffnung des Einfügespalts eingelegt, wobei die Materialwust durch dasselbe Werkzeug auf den Heizdraht ange-presst und schliesslich verschmolzen wird. Zurück bleibt eine rillenfreie, glatte Fügefläche, über die

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sich eine feine, kaum mehr erhöhte Schmelznarbe hinzieht.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer thermoelek-trisch schweissverbindbaren Zone in thermoplastischen Materialien (1) mit einer Fügefläche (FF), dadurch gekennzeichnet, dass ein Einführspalt (2) zur Anlage von Drahtnischen (4) in einer der Drahtbettanlage entsprechden Schneidtiefe (E) von der Fügefläche (FF) aus gemessen in das Material (11) eingeschnitten wird, dass in einer gewünschten Drahtbettiefe (E') von der Fügefläche (FF) aus gemessen durch Einarbeiten von Drahtnischen (4) ein offenes, aber verschliessbares Drahtbett für einen Heizleiter (5) spanend formtreu geschnitten wird und dass die auf der Fügefläche (FF) gebildete Drahtabdeckung

(3) einer Höhe (A) um eine Öffnung (C) des Einführspalts (2) so ausgebildet wird, dass das offene Drahtbett durch Zudrücken schliessbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtnischen (4) in die Seitenwände des Einführspaltes (2) mit dem Steigungswinkel (S) entsprechend einem Teil des Drahtquerschnittes (R2Pi) eingearbeitet werden, dies hälftig oder nichthälftig.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt der Heizleiter (5) in die Drahtbettnischen (4) eingelegt und durch Zusammenpressen des Deckmaterials (3) gegen den Heizleiter (5) die Drahtnischen

(4) zu einem geschlossenen Drahtbett zusammengeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt durch Heizen des Heizleiters (5) eine Schmelzzone (9) um den Heizleiter (5) gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtnische (4) in spanabhebender Verarbeitung unter Bildung eines Spanes ausgehoben wird, wodurch Material, das vom Heizleiter (5) verdrängt würde, vor dem Einlegen desselben weggenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschnitt von der Fügefläche (FF) zur Bildung des Einführspalts

(5) und der Drahtnische (4) symmetrisch oder asy-metrisch geführt wird, wodurch eine gleich- oder verschiedengeformte Materialwulst (3) für das Deckmaterial entsteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einführspalt (2) einen Teil des Profils des später einzulegenden Heizleiters (5) aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabdeckung (3) durch eine Kühlfläche auf den Heizleiter (5) ge-presst wird und dass unter Heizen des Heizleiters (5) eine Schmelzzone (9) gebildet wird, wodurch eine glatte und rillenfreie Fügefläche (FF) entsteht.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drahtbettiefe (E') unter der Fügefläche (FF) ein ebener Drahtbettboden (7) eingeschnitten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drahtbettiefe (E') unter der Fügefläche (FF) ein gekrümmter Drahtbettboden (7') eingeschnitten wird.

11. Elektroschweissmuffe mit einer thermoelek-trisch schweissverbindbaren Zone in thermoplastischen Materialien (1) mit einer Fügefläche (FF), hergestellt nach Verfahrensschritten gemäss einen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (5) im Drahtbett (4) in der Entfernung (F) unterhalb der Fügefläche (FF) zu liegen kommt, dass der Heizleiter (5) nach dem Heizen des Heizleiters (5) in der gebildeten Schmelzzone (9) vollständig vom thermoplastischen Materialien (1) umgeben ist und dass die Fügefläche (FF) eine glatte wulst- und rillenfreie Oberfläche aufweist.

12. Elektroschweissmuffe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche (FF) glatt und rillenfrei ist und eine sich nicht oder nur unwesentlich über die Fügefläche (FF) erhebende, entlang der Einlegelinie des Heizleiters (5) verlaufende Schmelznarbe (G) aufweist.

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