DE10019300A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen oder Verformen von Kunsttoffteilen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Schweißen oder Verformen von Kunststoffteilen, insbesondere zum Stauchen von Kunststoff-Nietköpfen, wird durch einen Schweißkopf 32, 48, der in die Nähe eines zu verschweißenden oder verformenden Werkstückbereichs gebracht wird, Strahlungswärme auf diesen Bereich übertragen. Zusätzlich wird während der Übertragung von Strahlungswärme ein Heißluftstrom auf den bearbeiteten Werkstückbereich gerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Verformen von Kunst­ stoffteilen, insbesondere zum Stauchen von Kunststoff-Nietköpfen, bei dem ein erhitzter Schweißkopf an den zu schweißenden oder zu verformenden Werk­ stückbereich zur Übertragung von Strahlungswärme herangeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren

Thermoplastische Kunststoffe gelangen durch Erwärmung in einen teigigen Zu­ stand, in dem Werkstückteile durch Zusammendrücken verschweißt oder auch verformt werden können. Die bis heute entwickelten Verfahren zur Übertragung der notwendigen Wärme auf die Kunststoffteile haben nach wie vor einige Nach­ teile, die sich insbesondere bei komplizierten und feingliedrigen Kunststoffteilen oder auch bei Kunststoffen bemerkbar machen, die nur in einem engen Tempe­ raturbereich mit guten Ergebnissen verarbeitet werden können.

Bei einem weit verbreiteten Verfahren, bei dem Heißluft mit Hilfe von Röhrchen auf den Schweißbereich gelenkt wird, läßt sich die Temperatur nur schlecht re­ geln. Es bereitet daher Schwierigkeiten, den bei vielen Kunststoffen für die Ver­ arbeitung einzuhaltenden engen Temperaturbereich zu treffen. Bei einer Über­ hitzung kann es zum thermischen Abbau des Kunststoffs kommen. Auch die örtliche Begrenzung der Wärmeübertragung ist schwierig, so daß mit einer Ver­ formung oder sogar Zerstörung der Umgebung der eigentlichen Schweißposition gerechnet werden muß. Eine zu geringe Erwärmung führt naturgemäß zu einer unzureichenden Verschweißung der Teile und zu unangemessen langen Zyklus­ zeiten.

Bei einem anderen Verfahren wird ein Schweißstempel zur Übertragung von Kontaktwärme an das Werkstück angelegt. Da der Schweißstempel zur Vermei­ dung einer Überhitzung im wesentlichen nur auf die Schweißtemperatur er­ wärmt werden kann, arbeitet auch diese Verfahren relativ langsam. Es besteht auch die Gefahr, daß der Kunststoff an dem Schweißstempel anhaftet und beim Abziehen des Stempels Fäden gezogen werden. Um dies zu vermeiden, kann man eine Antihaftbeschichtung auf dem Schweißstempel anbringen. Dies erfor­ dert zusätzlichen Aufwand, der in der Regel wirtschaftlich nicht vertretbar ist. Eine Antihaftbeschichtung dieser Art, etwa in der Form eines Überzugs aus "Te­ flon" (Polytetraflourethylen) auf dem Schweißstempel, verschleißt verhältnismäßig rasch. Bereits verhältnismäßig geringe Beschädigungen der Beschichtung, die sich frühzeitig einstellen können, führen zur Produktion von Ausschuß.

Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem Kontaktwärme mit einem Schweiß­ stempel übertragen wird, der sich auf einer wesentlich höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Kunststoffs befindet. Hier tritt die Erwärmung rela­ tiv rasch ein und es besteht nicht die Gefahr des Fadenziehens. Es kommt je­ doch zu Materialverlusten am Kunststoffteil durch Verdampfen. Dadurch entste­ hen Gase, die unter Umständen toxisch sein können und daher aus Gründen des Arbeits- und Umweltschutzes nicht akzeptiert werden können. Zugleich können Oxidationsverfärbungen durch thermischen Abbau des Kunststoffs ent­ stehen. Auch dieses Verfahren ist daher nur in Ausnahmefällen anwendbar.

Schließlich ist es auch bekannt, die Erwärmung durch Übertragung von Wärme­ strahlung von einem erhitzten, jedoch nicht mit dem Werkstück in Berührung tretenden Schweißstempel vorzunehmen. Das Schweißwerkzeug muß dabei auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt werden. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es lange Zykluszeiten erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die eine materialschonende, rasche und zuverlässige Verschweißung oder Ver­ formung von Kunststoffteilen gestatten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der obigen Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß während der Übertragung von Strahlungs­ wärme ein Heißluftstrom auf den bearbeiteten Werkstückbereich geleitet wird.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine relativ geringe Heißluftmen­ ge, die wesentlich geringer als die beim Heißluft-Schweißen aufgebrachte Luft­ menge ist, in Kombination mit der Übertragung von Strahlungswärme zu einer Beschleunigung der Erwärmung führt, die offenbar über den zu erwartenden Ef­ fekt der Addition der beiden Wärmequellen hinausgeht. Der nur relativ geringe Luftstrom läßt sich relativ gut auf die eigentliche Schweißposition begrenzen, so daß Beschädigungen der Peripherie der Schweißstelle vermieden werden. Die Wärmeübertragung ist gut regelbar. Der Heißluftstrom bewirkt, soweit erkenn­ bar, eine besonders gute Wärmeverteilung der vor allem durch Wärmestrahlung übertragenen Wärmemenge. Im übrigen trägt der Luftstrom offenbar auch we­ sentlich dazu bei, daß die von dem Schweißstempel abgegebene Strahlungswär­ me nicht zu wesentlichen Teilen aufgrund der Wärmekonvektion aufsteigt, son­ dern auf die Schweißposition gelenkt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise ein Schweißwerkzeug auf, das direkt von dem Heißluftstrom durchströmt wird. Der Heißluftstrom kann jedoch auch gesondert zugeführt werden.

Anstelle von Luft kann auch ein anderes Gas verwendet werden, das beispiels­ weise die zusätzliche Funktion eines Schutzgases hat, wie etwa Stickstoff.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch eine erfindungsge­ mäße Vorrichtung zum Anstauchen von Kunststoffnieten;

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung zum Verschweißen von zylindrischen Kunststoffteilen in einer ringförmigen Schweißnaht.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Stauchen von Kunststoff-Nietköpfen. Als Beispiel ist in Fig. 1 eine dünne Platte 10 gezeigt, auf der Decklage 12 befestigt werden soll. Einzelne Niete 14, 16 er­ strecken sich von der dünnen Platte 10 aus durch nicht bezeichnete Bohrungen in der Decklage 12 hindurch. Sie sollen oberhalb der Decklage zur festen Ver­ bindung der beiden Schichten gestaucht werden.

Zu diesem Zweck ist ein Werkzeug 18 vorgesehen, das innerhalb eines Gehäuses 20 eine Heizplatte 22 aufweist, in der sich eine Reihe von Heizpatronen 24 in­ nerhalb von nicht gesondert bezeichneten Bohrungen befindet. Die Heizplatte 22 besteht aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere einem Metall. Das Gehäuse 20 ist nach unten in Fig. 1 durch eine Platte 26 verschlossen, die ebenfalls aus Metall besteht und flächig gegen die Heizplatte 22 anliegt, also durch die Heizplatte entsprechend aufgeheizt wird. In der Platte 26 befinden sich Ge­ windebohrungen 28, in die Gewindezapfen 30 eingeschraubt sind, die sich am oberen Ende von Schweißstempeln 32 befinden. Diese Schweißstempel 32 ha­ ben im wesentlichen die Form eines zylindrischen Schafts mit einer Ausneh­ mung 34 im Zentrum der unteren Stirnfläche. Diese Ausnehmung 34 ist so be­ messen, daß sie den unverformten Niet 14 in seinem über die obere Decklage 12 hinausragenden Abschnitt vollständig aufnehmen kann.

Die Wärme der Heizplatte 22 führt zu einer im wesentlichen gleichen Erwär­ mung der unteren Platte 26 des Gehäuses und des Schweißstempels 32. Von diesem Schweißstempel 32 wird die Wärme durch Wärmestrahlung auf den Niet 14 übertragen.

Zusätzlich ist erfindungsgemäß ein Luftzufuhrsystem für Heißluft vorgesehen, dessen nicht dargestellte Zufuhrleitung mit einem Anschluß 36 verbunden ist, der sich innerhalb einer Ausnehmung 38 der oberen Wand des Gehäuses 20 be­ findet und einen Gewindezapfen 40 aufweist, der in den oberen Endbereich ei­ ner Bohrung 42 eingeschraubt ist, die die gesamte Heizplatte 22 in senkrechter Richtung, bezogen auf Fig. 1, durchdringt.

An der Unterseite der Heizplatte befindet sich auf der oberen Oberfläche der un­ teren Platte 26 ein enger und insbesondere flacher Kanal 44, der auch laby­ rinth- oder mäanderförmig verlaufen kann und in jedem Falle eine Erwärmung der über den Anschluß 36 eintretenden Luft an der Heizplatte 22 ermöglicht. Von dem Kanal 44 aus strömt die Luft durch eine zentrale Bohrung 46 in den Schweißstempel 32, die den gesamten Schweißstempel 32 durchdringt und in der unteren Ausnehmung 34 mündet. Fig. 1 erkennen läßt, erstreckt sich die Gewindebohrung 28 vollständig durch die untere Platte 26, so daß sie an der Oberseite dieser Platte 26 den Kanal 44 erreicht.

Die Luft, die in den Anschluß 36 eingeleitet wird, kann vorerwärmt sein, kann jedoch so entlang der Heizplatte 22 geführt sein, daß eine Vorerwärmung nicht notwendig ist. Die Luft tritt durch die Bohrung 46 in die Ausnehmung 34 ein und gelangt hier auf den Niet 14. Wie oben bereits erwähnt wurde, wird die Er­ wärmung und gleichmäßige Durchwärmung dieses Niets 14 durch die zugeführ­ te Heißluft gegenüber der alleinigen Übertragung von Strahlungswärme erheb­ lich beschleunigt.

Nach der gründlichen Erwärmung des Niets wird das dargestellte Werkzeug ent­ fernt, und mit Hilfe eines nicht gezeigten Formstempels wird ein Nietkopf gebil­ det und zugleich das Kunststoffmaterial abgekühlt.

Fig. 1 zeigt einen weiteren, längeren Schweißstempel 48, der jedoch nur in einer Ansicht gezeigt ist. Diese Darstellung soll veranschaulichen, daß ein Werkzeug eine ganze Reihe von Schweißstempeln unterschiedlicher Länge zur Erwärmung von mehreren Nietköpfen aufweisen kann.

Die Heizplatte 22 und die untere Platte 26 des Gehäuses werden durch Schrau­ ben 50 zusammengehalten, die von der Heizplatte 22 aus in die untere Platte 26 geschraubt sind. Die Zeichnung zeigt nur eine dieser Schrauben als Beispiel.

Fig. 2 zeigt ein Schweißwerkzeug zur Herstellung einer Schweißverbindung zwi­ schen zwei zylindrischen Teilen 52, 54 mit Hilfe einer ringförmigen Naht. Das in Fig. 2 dargestellte Werkzeug 56 wird nach der Erwärmung der Teile 52, 54 zwi­ schen diesen herausgenommen, und die beiden Teile werden anschließend zu­ sammengedrückt. Dabei treffen eine ringförmige Rippe 58 am Teil 54 und eine Nut 60 mit einer Rippe 62 am Nutboden am Teil 52 zusammen.

Das Werkzeug 56 weist im waagerechten Mittelbereich wiederum eine Heizplatte 64 auf, in die Heizpatronen 66 eingebettet sind. Auf der oberen und unteren Sei­ te der Heizplatte 64 sind Schweißblöcke 68, 80 befestigt, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 82 an die Heizplatte angeschraubt. Die beiden Schweißblöcke 68, 80 weisen in ihrem Mittelbereich gegenüber den zu schweißenden Teilen 52, 54 in Fig. 2 eine pultförmige Erhöhung 84, 86 auf. Innerhalb dieser Erhöhun­ gen 84 und 86 befindet sich jeweils ein Hohlraum 88, 90. In diesen Hohlräumen 88, 90 befinden sich Einsätze 92, 94, die auf ihrem Umfang zusammen mit den seitlichen Innenwänden der Hohlräume 88, 90 labyrinthartige Durchlässe bilden, auf die später näher eingegangen werden wird. Der Einsatz 92 auf der oberen Seite der Heizplatte 64 ist mit Hilfe von Schrauben an der oberen Wand der Er­ höhung 84 des oberen Schweißblocks 68 befestigt. Der untere Einsatz 94 ist mit wenigstens einer Schraube 98 mit dem nicht bezeichneten Boden des Hohl­ raums 90 verbunden.

In die beiden Schweißblöcke 68, 80 treten von rechts in Fig. 2 Einlaßbohrungen 100, 102 ein, in die beispielsweise ein geeigneter Luftanschluß eingeschraubt werden kann. Diese Einlaßbohrungen 100, 102 weisen an ihren inneren Enden eine zur Heizplatte 64 hin gerichtete Stichbohrung 104, 106 auf. Diese Stichboh­ rungen 104, 106 münden in flache Lufttaschen 108, 110, die auf den der Heiz­ platte 64 zugewandten Flächen der Schweißblöcke 68, 80 ausgebildet sind und sich wenigstens von den Stichbohrungen 104, 106 bis zu den labyrinthförmigen Luftdurchlässen 112, 114 zwischen den Einsätzen 92, 94 und den Innenflächen der Hohlräume 88, 90 erstrecken. Bei dem dargestellten Beispiel umgibt die obe­ re Lufttasche 108 den Hohlraum 88 ringförmig. Auch die untere Lufttasche 110 erstreckt sich entlang dem gesamten Umfang der Ausnehmung 90.

Der untere Schweißblock 68 weist auf seiner oberen Seite einen erhabenen Ring 116 auf, in dem von der Oberseite her eine ringförmige Rinne 118 gebildet ist. Diese Rinne 118 dient zur Aufnahme der Rippe 62 innerhalb der Nut 60 des oberen Teils 52. Der erhabene Ring 116 ist so bemessen, daß er insgesamt in die Nut 60 an der unteren Rinne des oberen Teils 52 eintreten kann. Zwischen dem Hohlraum 88 und der Rinne 118 auf der oberen Seite des Ringes 116 befindet sich eine Anzahl von Verbindungsbohrungen 120.

Die Luft, die in die Einlaßbohrung 100 des oberen Schweißblocks 78 eingeleitet wird, strömt über die Stichbohrung 104, die Tasche 108, den labyrinthförmigen Durchlaß 112 und die Verbindungsbohrung 120 in die Rinne 118. Sie wird also auf die zu erwärmende Rippe 62 gerichtet. Im übrigen besteht der obere Schweißblock 68 mit seinem Einsatz 92 insgesamt aus Metall, so daß der Schweißblock die Wärme der Heizplatte 64 aufnimmt und die Rippe 62 durch Strahlungswärme erwärmt und erweicht. Auch hier kommt es wieder zu einem Zusammenwirken der Strahlungswärme und eines maßvollen Heißluftstroms.

Die zugeführte Heißluft sammelt sich dabei wenigstens zum Teil in einer Kam­ mer, die innerhalb des Ringes 116 gebildet wird und mit 122 bezeichnet ist. Die­ se Kammer wird über einen Kanal 124 entlüftet.

Auf der unteren Seite befinden sich zwischen der Tasche 110 und dem Hohl­ raum 90 einige Verbindungsbohrungen 126, die den Luftstrom, der über die Einlaßbohrung 102, die Stichbohrung 106 und die Tasche 110 zugeführt wird, in das Innere des Hohlraums 90 und damit den labyrinthartigen Durchlaß 114 einleiten. Dieser labyrinthartige Durchlaß 114 ist an der unteren Seite des Schweißblockes 80 zu einer ringförmigen Rinne 128 erweitert, die geeignet ist, die aufragende Rippe 58 des unteren Teils 54 von oben zu übergreifen. Auf diese Weise wird zum einen Strahlungswärme von der Heizplatte 64 über den unte­ ren, aus Metall bestehenden Schweißblock 80 und den ebenfalls metallischen Einsatz 94 auf die Rippe 58 übertragen. Im übrigen gelangt über das beschrie­ bene Kanalsystem und die Rinne 128 Heißluft auf die Rippe 58. Auch hier tritt der bereits beschriebene vorteilhafte Effekt ein.

Eine im Inneren der Rippe 58 des unteren Teils 54 gebildete Kammer 130 ist unmittelbare mit einer entsprechenden Kammer im Inneren des Einsatzes 94 verbunden, die über einen Kanal 134 zur Außenseite des Schweißblocks 80 ent­ lüftet wird.

Nach der Erwärmung der beiden Rippen 58 und 62 werden die Teile 52 und 54 zusammengedrückt. Dadurch wird eine ringförmige Naht aus den Rippen 58, 62 gebildet, die die beiden Teile 52, 54 verbindet.

Claims (5)

1. Verfahren zum Schweißen oder Verformen von Kunststoffteilen, insbesondere zum Stauchen von Kunststoff-Nietköpfen, bei dem ein erhitzter Schweißkopf (32, 48, 68, 80) an den zu schweißenden oder zu verformenden Werkstückbereich zur Übertragung von Strahlungswärme herangeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Übertragung von Strahlungswärme ein Heißluft­ strom auf den bearbeiteten Werkstückbereich geleitet wird.

2. Verfahren zum Schweißen oder Verformen von Kunststoffteilen nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißluftstrom durch einen Kanal (64, 114, 120) im Schweißkopf selbst geführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem aufheizbaren Schweißkopf zur Übertragung von Strahlungs­ wärme auf ein zu schweißendes oder zu verformendes Werkstück, gekennzeich­ net durch ein dem Schweißkopf (32, 48, 68, 80) zugeordnetes Zufuhrsystem 42, 44, 46; 100, 108, 112, 120) zum Zuführen von Heißluft zu dem Werkstück.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zufuhrsy­ stem einen den Schweißkopf selbst durchlaufenden Kanal (46, 120) einschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zu­ fuhrsystem entlang einer Heizplatte (22, 64) verläuft, die zur Erwärmung des Schweißkopfes durch Wärmeleitung vorgesehen ist.