DE10019300B4 - Verfahren zum Schweißen von Kunsttoffteilen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Schweißen von komplizierten und feingliedrigen Kunststoffteilen (52, 54) mit einem Werkzeug (56), bestehend aus einer Heizplatte (64) mit auf der Ober- und Unterseite befestigten Schweißblöcken (68, 80), wobei
– das Werkzeug (56) zwischen die zu verbindenden Kunststoffteile (52, 54) eingeführt wird,
– die Kunststoffteile mit Hilfe des Werkzeugs (56) berührungsfrei durch Strahlungswärme erwärmt werden, während zugleich ein heißer Inertgasstrom auf den zu schweißenden Werkstückbereich geleitet wird,
– das Werkzeug (56) nach Erwärmung der Kunststoffteile (52, 54) herausgenommen wird
– und anschließend die Kunststoffteile (52, 54) zusammengedrückt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von komplizierten und feingliedrigen Kunststoffteilen.
  • Thermoplastische Kunststoffe gelangen durch Erwärmung in einen teigigen Zustand, 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 Nachteile, die sich insbesondere bei komplizierten und feingliedrigen Kunststoffteilen oder auch bei Kunststoffen bemerkbar machen, die nur in einem engen Temperaturbereich mit guten Ergebnissen verarbeitet werden können.
  • Bei einem weit verbreiteten Verfahren, bei. dem Heißluft mit Hilfe von Röhrchen auf den Schweißbereich gelenkt wird (z.B. DE 692 13 849 T2 ), läßt sich die Temperatur nur schlecht regeln. Es bereitet daher Schwierigkeiten, den bei vielen Kunststoffen für die Verarbeitung einzuhaltenden engen Temperaturbereich zu treffen. Bei einer Überhitzung kann es zum thermischen Abbau des Kunststoffs kommen. Auch die örtliche Begrenzung der Wärmeübertragung ist schwierig, so daß mit einer Verformung 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 Zykluszeiten.
  • Bei einem anderen Verfahren wird ein Schweißstempel zur Übertragung von Kontaktwärme an das Werkstück angelegt. Da der Schweißstempel zur Vermeidung einer Überhitzung im wesentlichen nur auf die Schweißtemperatur erwärmt werden kann, arbeitet auch dieses 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 erfordert zusätzlichen Aufwand, der in der Regel wirtschaftlich nicht vertretbar ist. Eine Antihaftbeschichtung dieser Art, etwa in der Form eines Überzugs aus "Teflon" (Polytetraflourethylen) auf dem Schweißstempel, verschleißt verhältnis mäßig 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 Schweißstempel übertragen wird, der sich auf einer wesentlich höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Kunststoffs befindet. Hier tritt die Erwärmung relativ rasch ein und es besteht nicht die Gefahr des Fadenziehens. Es kommt jedoch zu Materialverlusten am Kunststoffteil durch Verdampfen. Dadurch entstehen 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 entstehen. Auch dieses Verfahren ist daher nur in Ausnahmefällen anwendbar.
  • Die DE 1 604 460 A zeigt und beschreibt ein Verfahren und ein Gerät zum Heißsiegeln von Folien. Das Gerät weist zwei Schweißbacken auf, die die Folien von beiden Seiten her erfassen und zusammendrücken. Durch die Schweißbakken hindurch wird ein erwärmter Luftstrom auf die Folien gelenkt, der das Anhaften der Folien an den Schweißbacken verhindern bzw. die Folien von den Siegelbacken lösen soll.
  • Die DE 36 06 204 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum fortlaufenden Verschweißen von mehrlagigen Folienbahnen. Bei diesem Verfahren, das sich offensichtlich nur für Folien eignet, werden Folien zwischen zwei einander gegenüberliegenden Heizkörpern hindurchgeführt, die jeweils einen in einem Gehäuse liegenden Wärmestrahler umfassen. Das Gehäuse weist auf der den Folien zugewandten Seite einen Schlitz auf. Der Schlitz gestattet die Zufuhr von Heißluft. Eine Anwendung auf das Verschweißen von räumlichen, komplizierten und feingliedrigen Kunststoffteilen ist mit der dargestellten Vorrichtung nicht möglich.
  • Schließlich ist es auch bekannt, die Erwärmung durch Übertragung von Wärmestrahlung 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 genannten Art zu schaffen, das eine materialschonende, rasche und zuverlässige Verschweißung oder Verformung von Kunststoffteilen gestattet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der obigen Art gelöst, bei dem ein Werkzeug, bestehend aus einer Heizplatte mit auf der Ober- und Unterseite befestigten Schweißblöcken, verwendet wird, wobei das Werkzeug zwischen die zu verbindenden Kunststoffteile eingeführt wird, die Kunststoffteile mit Hilfe des Werkzeugs berührungsfrei durch Strahlungswärme erwärmt werden, während zugleich ein heißer Inertgasstrom auf den zu schweißenden Werkstückbereich geleitet wird, das Werkzeug nach Erwärmung der Kunststoffteile herausgenommen wird und anschließend die Kunststoffteile zusammengedrückt werden.
  • Das Inertgas wird vorzugsweise durch Stickstoff gebildet.
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine relativ geringe Heißgasmenge, die wesentlich geringer als die beim Heißluft-Schweißen aufgebrachte Luftmenge ist, in Kombination mit der Übertragung von Strahlungswärme zu einer Beschleunigung der Erwärmung führt, die offenbar über den zu erwartenden Effekt der Addition der beiden Wärmequellen hinausgeht. Der nur relativ geringe Gasstrom läßt sich relativ gut auf die eigentliche Schweißposition begrenzen, so daß Beschädigungen der Peripherie der Schweißstelle vermieden werden. Die Wärmeübertragung ist gut regelbar. Der Heißgasstrom bewirkt, soweit erkennbar, eine besonders gute Wärmeverteilung der vor allem durch Wärmestrahlung übertragenen Wärmemenge. Eine Oxidation des Kunststoffs wird zugleich verhindert.
  • Im übrigen trägt der Gasstrom offenbar auch wesentlich dazu bei, daß die von dem Schweißstempel abgegebene Strahlungswärme nicht zu wesentlichen Teilen aufgrund der Wärmekonvektion aufsteigt, sondern auf die Schweißposition gelenkt wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise ein Schweißwerkzeug auf, das direkt von dem Heißgasstrom durchströmt wird. Der Heißgasstrom kann jedoch auch gesondert zugeführt werden.
    •
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Unteranspruch.
  • Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung zum Verschweißen von zylindrischen Kunststoffteilen in einer ringförmigen Schweißnaht.
  • 1 zeigt ein Schweißwerkzeug zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei zylindrischen Teilen 52, 54 mit Hilfe einer ringförmigen Naht. Das in 1 dargestellte Werkzeug 56 wird nach der Erwärmung der Teile 52, 54 zwischen diesen herausgenommen, und die beiden Teile werden anschließend zusammengedrückt. 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 eine Heizplatte 64 auf, in die Heizpatronen 66 eingebettet sind. Auf der oberen und unteren Seite 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 1 eine pultförmige Erhöhung 84, 86 auf. Innerhalb dieser Erhöhungen 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 Erhöhung 84 des oberen Schweißblocks 68 befestigt. Der untere Einsatz 94 ist mit wenigstens einer Schraube 98 mit dem nicht bezeichneten Boden des Hohlraums 90 verbunden.
  • In die beiden Schweißblöcke 68, 80 treten von rechts in 1 Einlaßbohrungen 100, 102 ein, in die beispielsweise ein geeigneter Gasanschluß eingeschraubt werden kann. Diese Einlaßbohrungen 100, 102 weisen an ihren inneren Enden eine zur Heizplatte 64 hin gerichtete Stichbohrung 104, 106 auf. Diese Stichbohrungen 104, 106 münden in flache Gastaschen 108, 110, die auf den der Heizplatte 64 zugewandten Flächen der Schweißblöcke 68, 80 ausgebildet sind und sich wenigstens von den Stichbohrungen 104, 106 bis zu den labyrinthförmigen Gasdurchlässen 112, 114 zwischen den Einsätzen 92, 94 und den Innenflächen der Hohlräume 88, 90 erstrecken. Bei dem dargestellten Beispiel umgibt die obere Gastasche 108 den Hohlraum 88 ringförmig. Auch die untere Gastasche 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.
  • Das Gas, das 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. Es 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. ES kommt zu einem Zusammenwirken der Strahlungswärme und eines maßvollen Heißgasstroms.
  • Das zugeführte Heißgas sammelt sich dabei wenigstens zum Teil in einer Kammer, die innerhalb des Ringes 116 gebildet wird und mit 122 bezeichnet ist. Diese Kammer wird über einen Kanal 124 entlüftet.
  • Auf der unteren Seite befinden sich zwischen der Tasche 110 und dem Hohlraum 90 einige Verbindungsbohrungen 126, die den Gasstrom, 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 unteren, aus Metall bestehenden Schweißblock 80 und den ebenfalls metallischen Einsatz 94 auf die Rippe 58 übertragen. Im übrigen gelangt über das beschriebene Kanalsystem und die Rinne 128 das Heißgas auf die Rippe 58. Es tritt der bereits beschriebene vorteilhafte Effekt ein.
  • Eine im Inneren der Rippe 58 des unteren Teils 54 gebildete Kammer 130 ist unmittelbar mit einer entsprechenden Kammer im Inneren des Einsatzes 94 verbunden, die über einen Kanal 134 zur Außenseite des Schweißblocks 80 entlüftet 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 (2)

  1. Verfahren zum Schweißen von komplizierten und feingliedrigen Kunststoffteilen (52, 54) mit einem Werkzeug (56), bestehend aus einer Heizplatte (64) mit auf der Ober- und Unterseite befestigten Schweißblöcken (68, 80), wobei – das Werkzeug (56) zwischen die zu verbindenden Kunststoffteile (52, 54) eingeführt wird, – die Kunststoffteile mit Hilfe des Werkzeugs (56) berührungsfrei durch Strahlungswärme erwärmt werden, während zugleich ein heißer Inertgasstrom auf den zu schweißenden Werkstückbereich geleitet wird, – das Werkzeug (56) nach Erwärmung der Kunststoffteile (52, 54) herausgenommen wird – und anschließend die Kunststoffteile (52, 54) zusammengedrückt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff verwendet wird.
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