DE10058251B4 - Verfahren zum Verbinden eines Filtermediums mit einem Grundkörper - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbinden eines aus einer aktiven Schicht und einem Stützgewebe gebildeten Filtermediums mit einem Grundkörper aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium durch Andrückmittel auf den Grundkörper gepresst wird und anschließend mittels eines das Filtermedium durchdringenden Laserstrahls der Grundkörpers angeschmolzen wird, so dass durch ein Eindringen von flüssigem Kunststoff des Grundkörpers in das Stützgewebe eine formschlüssige Verbindung des Filtermediums mit dem Grundkörper erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines aus einer aktiven Schicht und einem Stützgewebe gebildeten Filtermediums mit einem Grundkörper aus Kunststoff.
  • Die in der Ultrafiltration verwendeten Filtermedien bestehen üblicherweise aus Polyethylen oder Polypropylen und einem die notwendige Festigkeit gewährleistenden Grundkörper aus Kunststoff, auf dem das Filtermedium mit der Seite ihres Stützgewebes meist durch Kleben aufgebracht ist. Die gebräuchliche Klebetechnik hat jedoch den Nachteil, dass das Filtermedium durch die Klebeverbindung Festigkeits- und Temperaturbeschränkungen unterliegt. Ferner ist die Methode des Verklebens fertigungstechnisch aufwendig und bedingt die Entwicklung spezieller Klebstoffe.
  • Es wurde auch schon versucht, das Filtermedium durch thermische oder Ultraschallverfahren mit dem Grundkörper zu verschweißen.
  • Aus der DE 198 60 357 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Automatikgetriebeölfilters durch Laserschweißen von zwei zwischen einem Ober- und einem Unterwerkzeug angeordneten Filterhalbschalen aus Kunststoff bekannt, bei dem zwischen die beiden Filterhalbschalen ein Filtermedium mittels einer Klemmrippe eingeklemmt wird, die aufeinanderliegenden Filterhalbschalen über ihren gemeinsamen Rand durch Laserlicht verschweißt werden, wodurch eine Filterhalbschale aus laserlichtdurchlässigem Kunststoff und die andere Filterhalbschale aus laserlichtundurchlässigem Kunststoff besteht, und der Laserstrahl durch die laserlichtdurchlässige Filterhalbschale entlang der Berührungsstelle mit der anderen Filterhalbschale geführt wird, dabei auf die laserlichtdurchlässige Filterhalbschale trifft und durch die Lichtabsorption des laserlichtundurchlässigen Kunststoffmaterials ein Miteinanderverschmelzen der beiden Filterhalbschalen im Schweißbereich erzielt wird und der zu verschweißende Rand umlaufend vollständig aneinandergedrückt wird und während des Verschweißens ein definierter Anpressdruck über das Ober- und/oder Unterwerkzeug auf die Filterhalbschalen aufrechterhalten wird.
  • Aus der DE 42 25 679 A1 ist darüber hinaus ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen von Filterelementen oder -systemen, insbesondere zum Verschweißen des Gehäusesoberteils und des Gehäuseunterteils eines Steril-Einwegfilterhalters mit Einlaufstutzen und Auslaufstutzen sowie zwischen den Filtrationsräumen dieser Kunststoffteile bypassdicht anzuordnenden Filterscheiben in Form von Oberflächenfiltern, Tiefenfiltern und dergleichen bekannt, bei dem zum Verschweißen ohne Verbrennung des Kunststoffmaterials eine Laserstrahlung verwendet wird, deren Absorption bei der Bearbeitung gering ist und dessen Eindringtiefe groß ist, wobei die Energieeinkopplung im Materialvolumen mit anschließendem Schmelzen ohne Zersetzung des Kunststoffes erfolgt.
  • Schließlich ist aus der JP 62071626 A ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffmaterialien bekannt, bei dem ein Teil aus laserlichtdurchlässigem Kunststoff und ein anderes Teil aus laserlichtundurchlässigem Kunststoff besteht, in dem unteren Kunststoffteil ein Vorsprung geformt ist, der auf der unteren Seite des Kunststoffteils aufliegt und der Laserstrahl unter Hitzeeinwirkung die untere Seite des Kunststoffteils anschmilzt und der Vorsprung auf der Oberseite des Kunststoffteils gegen die angeschmolzene Seite des anderen Kunststoffteils gepresst wird, wobei die obere Seite des Kunststoffteils Polyethylen, Polypropylen oder ein Styrolacrylnitrilcopolymer ist.
  • Die vorstehenden Schweißverfahren sind jedoch für die Verbindung eines Filtermediums mit einem Grundkörper ungeeignet. Die Anwendung dieses Schweißverfahrens führt häufig zu einer Beschädigung des Filtermediums, da sein Stützgewebe nur mit seinen einzelnen Fasern auf dem Grundkörper aufliegt und diese Fasern thermisch überbeansprucht wurden, weil sie eine weit geringere Masse haben als der Grundkörper.
  • Vergleichbare Probleme sind jedem Schweißer bekannt, wenn es notwendig ist, ein dünnwandiges Bauteil durch Schweißen mit einem dickwandigen Bauteil zu verbinden, weil dann die Wärme in dem dickwandigen Bauteil rascher abfließt als in dem dünnwandigen Bauteil und dadurch das dünnwandige Bauteil übermäßig erhitzt wird, wodurch es leicht zu Löchern im Bereich der Schweißnaht in dem dünnwandigen Bauteil kommt.
  • Zum Verbinden von gleichartigen Kunststoffen mit einem transparenten und Laserlicht absorbierenden Partner ist es auch bekannt, die Kunststoffe vor dem Verschweißen mittels einer transparenten Platte fest aufeinander zu drücken und dann mittels Laserlicht durch die transparente Platte hindurch die zum Schweißen erforderliche thermische Energie in die beiden Kunststoffe einzubringen, so dass beide Kunststoffe im aufeinander liegenden Bereich schmelzen und dadurch eine Schweißverbindung zustande kommt. Zum Verschweißen eines Filtermediums mit der Seite seines Stützgewebes mit einem Grundkörper wurde dieses als Durchscheintechnik bekannte Schweißverfahren jedoch bislang nicht eingesetzt, da das Problem der thermischen Überbelastung des Stützgewebes aufgrund seiner im Vergleich zu dem Grundkörper geringeren Masse dadurch nicht beseitigt würde.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden eines Filtermediums der eingangs genannten Art mit einem Grundkörper zu entwickeln, welches rasch und einfach durchzuführen ist und bei dem die Gefahr einer Beschädigung des Filtermediums möglichst gering und die Festigkeit der Verbindung möglichst hoch ist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Filtermedium durch Andrückmittel auf den Grundkörper gepresst wird und anschließend mittels eines das Filtermedium durchdringenden Laserstrahls der Grundkörper angeschmolzen wird, so dass durch ein Eindringen von flüssigem Kunststoff des Grundkörpers in das Stützgewebe eine formschlüssige Verbindung des Filtermediums mit dem Grundkörper erfolgt.
  • Bei diesem Verfahren wird das Laserlicht dazu verwendet, ein Filtermedium statt durch Schweißen dadurch mit einem Grundkörper zu verbinden, dass flüssiges Material des Grundkörpers in das Stützgewebe des Filtermediums eindringt und es dadurch zu einer mechanischen Vernetzung oder zu einer Verankerung des Grundkörpers mit dem Stützgewebe, also zu einer formschlüssigen Verbindung kommt. Dabei ist es unerheblich, ob zugleich das Stützgewebe zumindest teilweise auch schmilzt und bei der Verbindung zusätzlich auch Schweißeffekte hinzukommen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nicht das Stützgewebe, sondern der wesentlich dickere Grundkörper geschwächt, bei dem diese Schwächung keine Bedeutung hat. Deshalb wird ein bisher bei Versuchen zur Verbindung eines Filtermediums mit einem Grundkörper durch Schweißen häufig zu beobachtendes Reißen des Filtermediums neben der Schweißnaht vermieden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere Filtermedien, welche aus mehreren Lagen aufgebaut sind, und asymmetrische Filtermedien, insbesondere Ultrafiltrationsmedien, formschlüssig miteinander zu verbinden, da die aktive Schicht des Filtermediums an der Oberfläche des Filtermediums nicht beschädigt wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass bei ihm der zur Erhaltung der Lagerfähigkeit im Filtermedium durch Tränken eingebrachte Glyceringehalt nicht stört. Es ist deshalb nicht wie beispielsweise beim Ultraschallschweißen erforderlich, vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Glyceringehalt abzusenken, was zu einer Herabsetzung der Lagerfähigkeit des Endproduktes führen würde.
  • Als Andrückmittel könnten Rollen dienen, welche sich unmittelbar vor und hinter der Eindringstelle des Laserlichtes über das Filtermedium bewegen. Einen besonders gleichmäßigen Fügedruck erhält man jedoch, wenn gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Andrückmittel eine auf das Filtermedium plan aufliegende transparente Platte benutzt wird.
  • Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass als Werkstoff für den Grundkörper ein Kunststoff mit Laserlicht in Wärme umwandelnde Stoffe wie Ruß oder Farbpigmente gewählt wird. Hierdurch lässt sich besonders zuverlässig sicherstellen, dass durch den Laserstrahl primär das Material des Grundkörpers geschmolzen wird, so dass der Effekt des Vernetzens und Verankerns anstelle einer Schweißverbindung besonders planmäßig und gezielt eintritt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt verschiedene Abwandlungen zu. Zur weiteren Verdeutlichung seines Grundprinzips wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen.
  • Die Zeichnung zeigt im Schnitt ein Filtermedium 1, weiche aus einem Stützgewebe 2 und einer aktiven Schicht 3 besteht. Dieses Filtermedium 1 liegt mit ihrem Stützgewebe 2 auf einem Grundkörper 4 auf, der sich seinerseits auf einer Auflage 5 abstützt. Der Grundkörper 4 besteht aus einem Kunststoff, welcher Partikel 6 in Form von Ruß oder Farbpigmente enthält. Eine transparente Platte 7, die beispielsweise aus Glas bestehen kann, drückt von oben her auf die aktive Schicht 3 und drückt damit das Filtermedium 1 mit seinem Stützgewebe 2 und dem Grundkörper 4 auf die Auflage 5. Oberhalb der transparenten Platte 7 ist eine Laserlichtquelle 8 vorgesehen, bei der es sich um einen Diodenlaser mit einer Wellenlänge zwischen 700 und 1000 nm handeln kann. Diese Laserlichtquelle 8 sendet einen Laserstrahl 9 aus, der sowohl die Platte 7 als auch das Filtermedium 1 durchdringt, ohne dass dabei das Laserlicht in Wärme umgewandelt wird. Diese Lichtabsorption und damit die Wärmeerzeugung erfolgt erst in dem Grundkörper 4, dessen dem Stützgewebe 2 zugewandte Oberfläche dadurch aufschmilzt. Das führt dazu, dass infolge des Druckes durch die Platte 7 und der thermischen Ausdehnung der Schmelze diese Schmelze in das Stützgewebe 2 eindringt und dieses mit dem Grundkörper 4 verankert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filtermedium
    2
    Stützgewebe
    3
    aktive Schicht
    4
    Grundkörper
    5
    Auflage
    6
    Partikel
    7
    Platte
    8
    Laserlichtquelle
    9
    Laserstrahl

Claims (3)

  1. Verfahren zum Verbinden eines aus einer aktiven Schicht und einem Stützgewebe gebildeten Filtermediums mit einem Grundkörper aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium durch Andrückmittel auf den Grundkörper gepresst wird und anschließend mittels eines das Filtermedium durchdringenden Laserstrahls der Grundkörpers angeschmolzen wird, so dass durch ein Eindringen von flüssigem Kunststoff des Grundkörpers in das Stützgewebe eine formschlüssige Verbindung des Filtermediums mit dem Grundkörper erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Andrückmittel eine auf das Filtermedium plan aufliegende transparente Platte benutzt wird.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Grundkörper ein Kunststoff mit Laserlicht in Wärme umwandelnden Stoffen, sowie Ruß oder Farbpigmente, gewählt wird.
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