DE10019163A1 - Ausströmvorrichtung zum Warmgas-Verschweißen von Kunststoffteilen und Verfahren zum Warmgas-Verschweißen von Kunststoffteilen - Google Patents
Ausströmvorrichtung zum Warmgas-Verschweißen von Kunststoffteilen und Verfahren zum Warmgas-Verschweißen von KunststoffteilenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ausströmvorrichtung zum Warmgas-Verschweißen von wenigstens zwei Kunststoffteilen, wobei mittels der Ausströmvorrichtung ein Warmgasstrahl auf eine Fügefläche der Kunststoffteile geleitet wird, ein Verfahren zum Warmgas-Verschweißen von wenigstens zwei Kunststoffteilen sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ausströmvorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens. DOLLAR A Vorrichtungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ausströmvorrichtung einen Ausströmrahmen umfasst, an dessen Ober- und Unterseite Ausströmöffnungen vorgesehen sind, die den Warmgasstrahl auf die Fügeflächen der Kunststoffteile leiten. DOLLAR A Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass DOLLAR A (a) ein Ausströmrahmen zwischen den Fügeflächen der Kunststoffteile angeordnet wird, DOLLAR A (b) über an einer Ober- und Unterseite des Ausströmrahmens vorgesehene Ausströmöffnungen ein Warmgasstrahl auf die Fügeflächen der Kunststoffteile geleitet wird, bis der Kunststoff in diesem Bereich angeschmolzen ist, DOLLAR A (c) der Ausströmrahmen aus dem Bereich der Fügeflächen geschwenkt wird und DOLLAR A (d) anschließend die Kunststoffteile an den Fügeflächen in Kontakt gebracht werden und zumindest solange in Kontakt gehalten werden, bis der Kunststoff weitestgehend wieder erstarrt ist. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung bei der Fertigung von Fahrzeugtanks aus Halbschalen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ausströmvorrichtung zum Warmgas-Verschweißen von
wenigstens zwei Kunststoffteilen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Merkmalen sowie ein Verfahren zum Warmgas-Verschweißen mit den im Oberbegriff des
Anspruchs 6 genannten Merkmalen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der
Ausströmvorrichtung und des Verfahrens nach den in den Oberbegriffen der Ansprüche 11
und 12 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, Kunststoffteile mittels einer geeigneten Ausströmvorrichtung miteinander zu
verschweißen. Über die Ausströmvorrichtung wird ein Warmgasstrahl einem Fügebereich
der Kunststoffteile zugeführt. Hierbei werden die Oberflächen auf eine Temperatur oberhalb
einer Schmelztemperatur aufgeheizt und unter Druck zusammengefügt, so dass eine
möglichst homogene Verbindung entsteht. In der Regel lassen sich nur Thermoplaste und
Thermoelaste verschweißen, da Duroplaste und vernetzte Elastomere nicht so
aufschmelzbar sind, dass sie fließfähig werden. Artfremde Kunststoffe lassen sich nur
miteinander verschweißen, wenn eine chemische Mindestkompatibilität vorliegt und die
Schmelztemperaturen nicht allzu weit auseinander liegen (Mischmaterial-Schweißen). Eine
Bewertung derartiger Schweißverbindungen muss sowohl eine Dichtheit als auch eine
Festigkeit einschließen. Die Güte einer Schweißnaht wird dabei unter anderem auch durch
die Material- und Verarbeitungsqualität (Schädigung, Kristallisation, Orientierung und so
weiter) des Grundmaterials beeinflusst.
Beim Warmgas-Schweißen werden die zu verschweißenden Flächen (Fügeflächen) und ein
Zusatzdraht mit erwärmter Luft von 80 bis 500°C aufgeschmolzen. Derartige Verfahren sind
in erster Linie manuelle Verfahren, die bei abnahmepflichtigen Bauteilen geschultes und
überprüftes Personal erfordern. Als wesentliche Methoden seien hier genannt das
Fächelschweißen, Warmgaszieh-Schweißen und das Extrusions-Schweißen. Den
genannten Methoden ist gemeinsam, dass ein Warmgasstrahl von Hand zugeführt werden
muss sowie das Volumen der Schweißnaht im Wesentlichen durch einen Zusatzdraht oder
durch eine Überlappung (Überlappschweißen) zur Verfügung gestellt wird. Eine industrielle
Anwendung des Warmgas-Schweißens erfordert jedoch eine Automatisierung der Fertigung.
Eine solche Anforderung besteht beispielsweise bei einer Fertigung eines Fahrzeugtankes
aus zwei Kunststoffhalbschalen. Im bisherigen Verfahren werden die Fügeflächen durch
direkten Kontakt mit einem Heizelement angeschmolzen und unter Druck aneinander gelegt,
bis die Kunststoffmasse wieder erstarrt ist. Nachteilig hieran ist, dass sich auf den
Kontaktflächen der Heizelemente Rückstände ansammeln, die die Güte der Schweißnaht
negativ beeinflussen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kontaktfreies Warmgas-
Schweißverfahren zur Verfügung zu stellen, das in einfacher Weise automatisierbar ist. Die
hierzu notwendige Vorrichtung soll in einem hohen Maße flexibel den jeweiligen
Notwendigkeiten angepasst werden können. Insbesondere soll durch das Verfahren und die
Vorrichtung die Fertigung von Fahrzeugtanks auf Basis von Kunststoffhalbschalen
verbessert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ausströmvorrichtung zum Warmgas-
Verschweißen von zumindest zwei Kunststoffteilen mit den im Anspruch 1 genannten
Merkmalen sowie durch das dazugehörige Verfahren nach den im Anspruch 6 genannten
Merkmalen gelöst. Nach dem Verfahren wird
- a) ein Ausströmrahmen zwischen den Fügeflächen der Kunststoffteile angeordnet;
- b) über an einer Ober- und Unterseite des Ausströmrahmens vorgesehene Ausströmöffnungen ein Warmgasstrahl auf die Fügeflächen der Kunststoffteile geleitet, bis der Kunststoff in diesem Bereich angeschmolzen ist,
- c) der Ausströmrahmen aus dem Bereich der Fügeflächen geschwenkt und
- d) anschließend die Kunststoffteile an den Fügeflächen in Kontakt gebracht und zumindest solange in Kontakt gehalten, bis der Kunststoff weitestgehend wieder erstarrt ist.
Damit ist es erstmalig möglich, das kontaktfreie Warmgas-Verschweißen von
Kunststoffteilen im industriellen Rahmen durchzuführen.
Die Ausströmvorrichtung, mittels der der Warmgasstrahl auf die Fügeflächen der
Kunststoffteile geleitet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Ausströmrahmen
umfasst, an dessen Ober- und Unterseite Ausströmöffnungen vorgesehen sind, die den
Warmgasstrahl auf die Fügeflächen der Kunststoffteile leiten. Mit an sich bekannten
Bewegungselementen lässt sich der Ausströmrahmen während des Schweißvorganges in
und aus dem Bereich der Fügeflächen der Kunststoffteile schwenken. Dieser Vorgang ist
dann mit einer Automatisierung zugänglich.
Vorzugsweise ist eine Geometrie des Ausströmrahmens derart gewählt, dass sie einer
Kontur der Fügeflächen der Kunststoffteile folgt. Auf diese Weise ist eine Einstellung
homogener Schmelzbedingungen an den Fügeflächen besonders einfach möglich. Um eine
möglichst hohe Flexibilität in der Form des Ausströmrahmens zu ermöglichen, kann dieser
vorzugsweise aus modular zusammensetzbaren Teilsegmenten bestehen. Die Teilsegmente
können dann entsprechend den Konturen der miteinander zu verschweißenden
Kunststoffteile zusammengesetzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Abstand zwischen den
Kunststoffteilen und dem Ausströmrahmen in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur der
Kunststoffe, einem Strömungsprofi des Warmgasstrahls, einer gewünschten Stärke eines
Schweißwulstes und einer Warmgastemperatur bestimmt. Der Abstand muss in jedem Fall
individuell ermittelt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Strömungsprofil so
beeinflusst, das eine Anströmfläche des Warmgasstrahls weitestgehend im Bereich der
Fügeflächen der Kunststoffteile liegt und/oder das Strömungsprofil im Bereich der
Fügeflächen weitestgehend homogen ist. Auf diese Weise wird eine lediglich punktuelle und
gleichmäßige Erwärmung in den Bereichen, die die spätere Schweißnaht bilden sollen,
erreicht. Dabei kann das Strömungsprofil des Warmgasstrahls zum einen durch eine
Änderung seines Volumenstromes beeinflusst werden. Zum anderen kann das
Strömungsprofil durch geeignete Wahl einer Geometrie der Ausströmöffnungen verändert
werden. Die Ausströmöffnungen sind dann beispielsweise derart ausgestaltet, dass in etwa
kegelförmige Warmgasstrahlen benachbarter Austrittsöffnungen zumindest unmittelbar im
Bereich der Fügeflächen überlappen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das erfindungsgemäße Verfahren und die
erfindungsgemäße Ausströmvorrichtung zur Fertigung von Fahrzeugtanks auf Basis zweier
Kunststoffhalbschalen zu verwenden. Ebenso lassen sich weitere Anbauteile an derartige
Halbschalen mit dem aufgezeigten Verfahren beziehungsweise der aufgezeigten Vorrichtung
befestigen. Weiterhin ist die Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens an
Kunststoffteilen, die aus einem Material sind, welches zum Kleben an Heizelementen
und/oder zum starken Fädenziehen neigt, prädestiniert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den
Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnung, die schematisch einen Teil einer Ausströmvorrichtung zeigt, näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Ausströmvorrichtung 10, als Teilelement einer Vorrichtung, die
zum Warmgas-Verschweißen von Kunststoffteilen dient. Im nachfolgend geschilderten
Verfahren werden zwei Kunststoffteile - nämlich die Kunststoffhalbschalen 12, 14 - dauerhaft
an ihren Fügeflächen 16, 18 miteinander verbunden. Auf die Darstellung weiterer
Komponenten der Vorrichtung, die eine Automatisierung der aufgezeigten Fügetechnik
erlauben, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Diese Komponenten
umfassen unter anderem Elemente zur Warmgaserzeugung, zum Transport und zum
Handling der Kunststoffteile. Ferner können Bewegungselemente vorgesehen sein, mit
denen einerseits die Halbschalen 12, 14 und andererseits die Ausströmvorrichtung 10 relativ
zueinander bewegt werden können. Weiterhin sind Elemente üblich, mit denen die
Halbschalen 12, 14 während des Fertigungsprozesses arretiert werden können. Beispielhaft
hierzu ist eine Teilaufnahme 20 für die Halbschale 14 angedeutet.
Die beiden Halbschalen 12, 14 bestehen aus einem thermoplastischen Kunststoff,
insbesondere auf Basis eines Polyketons. Sie müssen dabei nicht notwendigerweise aus
dem selben Material geformt sein. Zur Durchführung des Warmgas-Verschweißens müssen
zumindest die Schmelztemperaturen der beiden Komponenten bekannt sein.
Selbstverständlich darf die Temperatur nicht die für jeden Werkstoff individuell zu
beachtenden Zersetzungstemperaturen übersteigen.
Zunächst wird ein Ausströmrahmen 21 als Teil der Ausströmvorrichtung 10 zwischen den
Fügeflächen 16, 18 der Halbschalen 14, 16 angeordnet. Dabei sollte nach Möglichkeit der
Abstand einer Oberseite 22 des Ausströmrahmens 21 zur Fügefläche 16 der Halbschale 12
weitestgehend konstant sein. Das Gleiche gilt für den Abstand einer Unterseite 24 des
Ausströmrahmens 21 zur Fügefläche 18 der unteren Halbschale 14. Hierdurch soll ein
möglichst homogenes Aufschmelzen der Fügeflächen 16, 18 während des Verfahrens
ermöglicht werden. Gegebenenfalls muss daher eine Geometrie des Ausströmrahmens 21
einer Kontur der Fügeflächen 16, 18 angepasst werden.
Der Ausströmrahmen 21 besteht aus zwei Teilsegmenten 28, 30. Ein derartiger modularer
Aufbau des Ausströmrahmens 21 erlaubt es, das Verfahren flexibel an neue Geometrien der
zu fügenden Kunststoffteile anzupassen. Ein hier nicht dargestellter Warmgaserzeuger
speist über eine Zuleitung 32 Warmgas in den hohlen Ausströmrahmen 21 ein. Das
Warmgas tritt anschließend aus den an der Oberseite 22 beziehungsweise Unterseite 24
angeordneten Ausströmöffnungen 34 aus. Sobald der Kunststoff im Bereich der Fügeflächen
16, 18 angeschmolzen ist, wird die Ausströmvorrichtung 10 durch ein zugeordnetes
Bewegelement entfernt und die beiden Halbschalen 12, 14 werden durch weitere
Bewegelemente miteinander - gegebenenfalls unter Druck - in Kontakt gebracht. Der
Kontakt wird zumindest solange aufrecht erhalten, bis der Kunststoff weitestgehend wieder
erstarrt ist und damit eine dauerhafte Verbindung zwischen den Halbschalen 12, 14
hergestellt ist.
Ein Abstand zwischen dem Ausströmrahmen 21 und den Fügeflächen 16, 18 während der
Aufschmelzphase wird dabei in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur der Kunststoffe,
einer Warmgastemperatur, einer gewünschten Stärke eines Schweißwulstes und einem
Strömungsprofil des Warmgasstrahls bestimmt. Üblicherweise liegt der Abstand in einem
Bereich von einigen cm. Wenn die Halbschalen 12, 14 aus verschiedenen Kunststoffen
geformt sind, so kann der Abstand auf beiden Seiten des Ausströmrahmens 21 auch
unterschiedlich vorgegeben werden, um eine Temperatur beziehungsweise ein
Strömungsprofil im Bereich der Fügeflächen 16, 18 zu optimieren.
Die Ausströmöffnungen 34 sind derart ausgestaltet, dass der austretende Warmgasstrahl im
Bereich der Fügeflächen 16, 18 ein weitestgehend homogenes Strömungsprofil aufweist.
Zusätzlich kann auf diese Weise auch eine Anströmfläche des Warmgasstrahls
weitestgehend auf den Bereich der Fügeflächen 16, 18 beschränkt werden, so dass eine
unerwünschte Erwärmung in anderen Bereichen der Halbschalen 12, 14 vermieden wird.
Einzelne kegelförmige, aus den Ausströmöffnungen 34 austretende Warmgasstrahlen
überlappen also zumindest im Bereich der Fügeflächen 16, 18 weitestgehend.
Gegebenenfalls kann durch eine Änderung der Geometrie der Ausströmöffnungen das
Strömungsprofil des Warmgasstrahles beeinflusst werden. Alternativ oder in Kombination zu
letztgenannter Maßnahme kann das Strömungsprofil auch durch Änderung des
eingespeisten Volumenstromes des Warmgases verändert werden. Selbstverständlich
können die Geometrien der Ausströmöffnungen 34 an der Ober- beziehungsweise
Unterseite 22, 24 des Ausströmrahmens 21 unterschiedlich ausgestaltet werden, wenn sich
nur auf diese Weise der gewünschte Abstand beziehungsweise das gewünschte
Strömungsprofil einstellen lässt.
10
Ausströmvorrichtung
12
,
14
Kunststoffhalbschalen
16
,
18
Fügeflächen
20
Teilaufnahme
21
Ausströmrahmen
22
Oberseite
24
Unterseite
28
,
30
Teilsegmente
32
Zuleitung
34
Ausströmöffnungen
Claims (12)
1. Ausströmvorrichtung zum Warmgas-Verschweißen von wenigstens zwei
Kunststoffteilen, wobei mittels der Ausströmvorrichtung ein Warmgasstrahl auf eine
Fügefläche der Kunststoffteile geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ausströmvorrichtung (10) einen Ausströmrahmen (21) umfasst, an dessen Ober- und
Unterseite (22, 24) Ausströmöffnungen (34) vorgesehen sind, die den Warmgasstrahl
auf die Fügeflächen (16, 18) der Kunststoffteile leiten.
2. Ausströmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geometrie
des Ausströmrahmens (21) einer Kontur der Fügeflächen (16, 18) der Kunststoffteile
angepasst ist.
3. Ausströmvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausströmrahmen (21) aus modular zusammensetzbaren Teilsegmenten (28, 30)
besteht.
4. Ausströmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausströmöffnungen (34) derart ausgestaltet sind, dass der Warmgasstrahl im
Bereich der Fügeflächen (16, 18) ein weitestgehend homogenes Strömungsprofil
aufweist.
5. Ausströmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausströmöffnungen (34) derart ausgestaltet sind, dass eine Anströmfläche des
Warmgasstrahls weitestgehend im Bereich der Fügeflächen (16, 18) der Kunststoffteile
liegt.
6. Verfahren zum Warmgas-Verschweißen von wenigstens zwei Kunststoffteilen, dadurch
gekennzeichnet, dass
- a) ein Ausströmrahmen (21) zwischen den Fügeflächen (16, 18) der Kunststoffteile angeordnet wird,
- b) über an einer Ober- und Unterseite (22, 24) des Ausströmrahmens (21) vorgesehene Ausströmöffnungen (34) ein Warmgasstrahl auf die Fügeflächen (16, 18) der Kunststoffteile geleitet wird bis der Kunststoff in diesem Bereich angeschmolzen ist,
- c) der Ausströmrahmen (21) aus dem Bereich der Fügeflächen (16, 18) geschwenkt wird und
- d) anschließend die Kunststoffteile an den Fügeflächen (16, 18) in Kontakt gebracht werden und zumindest solange in Kontakt gehalten werden bis der Kunststoff weitestgehend wieder erstarrt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen den
Kunststoffteilen und dem Ausströmrahmen (21) in Abhängigkeit von einer
Schmelztemperatur der Kunststoffe, einem Strömungsprofils des Warmgasstrahls einer
Stärke eines gewünschten Schweißwulstes und einer Warmgastemperatur bestimmt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsprofil so beeinflusst wird, dass eine Anströmfläche des Warmgasstrahls
weitestgehend im Bereich der Fügeflächen (16, 18) der Kunststoffteile liegt und/oder
das Strömungsprofil im Bereich der Fügeflächen (16, 18) weitestgehend homogen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsprofil des
Warmgasstrahls durch Änderung einer Geometrie der Ausströmöffnungen (34)
beeinflusst wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Strömungsprofil des Warmgasstrahls durch Änderung seines Volumenstroms
beeinflusst wird.
11. Verwendung einer Ausströmvorrichtung und/oder des Verfahrens nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteile
zwei Halbschalen (12, 14) eines Fahrzeugtanks und/oder Anbauteile an derartige
Halbschalen (12, 14) sind.
12. Verwendung einer Ausströmvorrichtung und/oder des Verfahrens nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteile
aus einem Material sind, welches zum Kleben am Heizelement und/oder zum starken
Fädenziehen neigt, geformt sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: SIEBENEICH, ALEXANDER, 38448 WOLFSBURG, DE Inventor name: JAWORSKI, JENS, 38477 JEMBKE, DE Inventor name: DERZAPF, HOLGER, 38477 JEMBKE, DE Inventor name: WARNCKE, PETER, 38557 OSLOSS, DE |
|
8141 | Disposal/no request for examination |