DE102004043376A1 - Handextruderschweißgerät und Verfahren zum Betreiben eines Handextruderschweißgeräts - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Handextruderschweißgerät zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit einer Extruderschnecke, einer Antriebseinrichtung für die Extruderschnecke in axialer Verlängerung zu der Extruderschnecke, einer Materialheizeinrichtung für die Extruderschnecke und einer Heißlufteinrichtung zur Erzeugung einer heißen Vorwärmluft. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Handextruderschweißgeräts für thermoplastische Kunststoffe, das einen Mikroprozessor mit Speicher, der mit der Antriebseinrichtung, der Materialheizeinrichtung, der Heißlufteinrichtung verbunden ist.
- Derartige Handextruderschweißgeräte sind bekannt und werden insbesondere zum Verschweißen von Kunststoffplatten oder dergleichen verwendet. Die bekannten Kunststoffschweißgeräte bestehen im Wesentlichen aus einer Handbohrmaschine, die als Antrieb dient, und einem darauf abnehmbar aufgesetzten Vorsatzgerät. In dem Vorsatzgerät wird ein über einen oder mehrere Förderkanäle und eine Fördereinrichtung zugeführter Kunststoffstrang in Form eines Kunststoffdrahtes zunächst zerstückelt und dann in einer meist als Transportschnecke ausgebildeten Transporteinrichtung und einer Plastifiziereinrichtung derart er wärmt, dass das zerstückelte Kunststoffmaterial einen plastischen Zustand einnimmt und über einen Schweißschuh als Schweißmaterial ausgestoßen wird. Grundsätzlich wird noch über eine Heißluftheizeinrichtung Heißluft erzeugt, die nahe dem Schweißschuh mittels einer Heißluftdüse ausgeblasen wird und die der Vorerwärmung des Schweißnahtmaterials dient. Beispielhaft wird hier die in DE-A-28 23 171 genannt.
- Alle diese Handextruderschweißgeräte können zwar durch die Verwendung einer Handbohrmaschine kostengünstig realisiert werden, sind aber auf Grund ihres Aufbaues für einen robusten und langlebigen Einsatz nicht verwendbar. Darüber hinaus ist mit ihnen eine optimale Schweißprozessführung unter Berücksichtigung von vorgebbaren Materialparametern nicht möglich.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein neues Handextruderschweißgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Handextruderschweißgeräts vorzuschlagen, bei dem die Schweißparameter in Abhängigkeit von der Materialart und der Schweißnahtform automatisch und Berücksichtigung von Grenz- und Sollwerten ermittelt und bei Erreichen von Grenz- oder Sollwerten während des Schweißvorgangs durch automatische Anpassung versucht wird, den Schweißvorgang aufrecht zu erhalten.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Handextruderschweißgerät mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruchs sowie durch ein Verfahren zum Betreiben des Handextruderschweißgeräts mit den Merkmalen des Verfahrensanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.
- Erfindungsgemäß sind bei dem Handextruderschweißgerät die Heißlufteinrichtung für die Erzeugung der heißen Vorwärmluft und die Antriebseinrichtung in einem Gehäuse integriert, das eine Anzeigeeinrichtung mit Bedientasten sowie einen eingebauten Mikroprozessor mit Speicher umfasst. Durch die Integration aller dieser Komponenten in einem Gehäuse gegenüber dem Stand der Technik wird das Extruderschweißgerät für den Bediener wesentlich besser handhabbar und erlaubt die Ansteuerung verschiedener, in dem Gehäuse integrierter oder damit verbundener Komponenten. Hierzu ist der Mikroprozessor mit der Antriebseinrichtung, der Materialheizeinrichtung, der Heißlufteinrichtung sowie mit Temperatursensoren für die Materialtemperatur und die Heißlufttemperatur verbunden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausbildung gibt der Mikroprozessor in Abhängigkeit der vom Bediener eingegebenen Vorgabewerte und/oder im Speicher hinterlegten Grenz- oder Sollwerten entsprechende Steuersignale an die Antriebseinrichtung, die Materialheizeinrichtung und/oder die Heißlufteinrichtung ab.
- So können beispielsweise in dem Speicher die vom Schweißmaterial abhängigen Grenzwerte für die Materialtemperatur, die Grenzwerte für die Heißlufttemperatur oder auch die Sollwerte und Maximalwerte für die Antriebsgeschwindigkeit für die Extruderschnecke und alle Schweißparameter bezüglich des zu verschweißenden Materials und der Schweißnahtgeometrie hinterlegt werden. In Abhängigkeit der durch den Bediener eingebbaren Materialart und Durchmesser des Schweißdrahts und der Schweißnahtform, werden dann die Schweißparameter, wie Schmelztemperatur, Vorwärmtemperatur und Ausstoßgeschwindigkeit aufgrund von in dem Speicher abgelegten Werten ermittelt und automatisch als Vorgabe-Betriebsparameter eingestellt. Diese Werte werden angezeigt, so dass der Bediener noch geringfügige Korrekturen im Bereich der ebenfalls abgespeicherten Grenzwerten von Hand vornehmen kann. Über den Mikroprozessor werden dann die ermittelten Betriebsparameter in Verbindung mit entsprechenden Temperatursensoren auf die eingestellten Werte geregelt. Entsprechend erfolgt die Ansteuerung der Vorschubgeschwindigkeit und gegebenenfalls auch der Luftmenge für die Vorwärmdüse (üblicherweise wird die Maximalluftmenge dauerhaft eingestellt).
- Beispielsweise kann am Anfang der Bediener die Umgebungstemperatur eingeben oder sie wird automatisch vom Mikroprozessor über einen Temperatursensor ermittelt, um bei der Ermittlung der Schweißparameter insbesondere stark von der Raumtemperatur abweichendes zu verschweißendes Material zu berücksich tigen. Um die Temperatur dauernd zu überwachen, gibt der Mikroprozessor vorzugsweise ein Steuersignal an die Materialheizeinrichtung und/oder die Heißlufteinrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ab. Dies ist besonders dann von Interesse, wenn die Umgebungstemperatur sich Extremwerten nähert, seien es erhöhte Temperaturwerte auf Grund von Sonneneinstrahlung oder sehr niedrige Temperaturwerte in der Nähe oder unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser. Hier erkennt der Mikroprozessor entweder durch einen zusätzlichen Temperatursensor oder vorzugsweise durch die verminderte bzw. erhöhte Leistungsaufnahme für die Einstellung der erforderlichen Heißluft- und Materialtemperatur, dass eine Anpassung erforderlich ist. Dies ist beispielsweise bei abnehmender Umgebungstemperatur erforderlich. In einem solchen Anwendungsfall stellt die Maschine die vom Bediener vorgegebenen Betriebswerte ein, stellt jedoch fest, dass auf Grund der Umgebungstemperatur und damit der relativ schnellen Abkühlung des ausgestoßenen plastifizierten Kunststoffschweißmaterials eine zu schnelle Abkühlung und damit eine fehlerhafte Schweißnaht entstehen könnte. In Folge dessen wird die Materialtemperatur, selbstverständlich nur in dem vorgegebenen, erlaubten Grenzwerten, erhöht. Entsprechend umgekehrt verläuft der Vorgang bei erhöhter Umgebungstemperatur, beispielsweise durch starke Sonneneinstrahlung.
- Gemäß einer anderen Ausbildung wird die Effektivtemperatur des ausgebrachten plastifizierten Schweißmaterials in der Schweißfuge des zu verschweißenden Materials und/oder die Oberflächentemperatur des zu verschweißenden Materials kontaktlos mittels eines Sensors, beispielsweise mittels eines im Bereich des Schneckenzylinders oder des Schweißschuh befindlichen Infrarotsensors, gemessen. Sowohl für das Schweißmaterial als auch für das zu verschweißende Material ist ein Sensor vorgesehen. Damit kann eine genaue Prozessführung und -verfolgung stattfinden und die Schweißnaht überprüft werden. Die ermittelten Temperaturen werden von dem Mikroprozessor bei der Einstellung der Prozessparameter wie vorstehend erläutert berücksichtigt.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird von dem Mikroprozessor die geforderte Gesamtleistung für die Heißlufterzeugung, Materialerwärmung und Antriebsgeschwindigkeit ermittelt, mit der maximal zur Verfügung stehenden Leistung des Handextruderschweißgeräts verglichen und vor Überschreiten der maximalen Leistungsaufnahme (Sicherung schaltet Gerät ab), in erster Priorität das Luftvolumen für die Vorwärmung und in zweiter Priorität die Ausstoßgeschwindigkeit reduziert. Hierzu werden entsprechende Steuersignale an die das Gebläse für die Vorwärmluft und an die Antriebseinrichtung abgegeben. Durch die vorhandenen vorstehend erwähnten Regelungsstrukturen für die Temperatur des Materials und der Vorwärmluft, werden die zwei Temperaturen in konstant gehalten und damit die Leistungsaufnahme vermindert. Auch hier werden, wie bei allen anderen Maßnahmen auch, zuerst die Parameter geändert, um möglichst den Schweißvorgang nicht abbrechen zu müssen. Selbstverständlich erfolgt ein Abbruch des Schweißvorgangs bei fundamentaleren Störungen wie beispielsweise Blockieren der Extruderschnecke, Überhitzung usw.
- Sämtliche relevanten Schweißparameter werden aufgezeichnet und gespeichert und können über eine Datenschnittstelle ausgelesen werden. Dies kann über bekannte herausnehmbare Speicherkarten (Flashmemory) oder durch Anschluss eines externen Geräts (Drucker oder PC) erfolgen. Damit können Schweißprotokolle, die direkt einem Fremdüberwacher zur Verfügung gestellt und der Ablauf der Schweißung dokumentiert werden. Die Ausgabe kann in Form von Kennlinien für die einzelnen relevanten Einheiten des Handextruderschweißgeräts, wie der einzelnen Temperaturverläufe, der Antriebsgeschwindigkeiten und des Luftvolumens zusammen mit Maschinendaten, Datum, Uhrzeit, Ort usw. erfolgen.
- Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die Zeichnungen stellen dar:
-
1 einen Längsschnitt durch ein Handextruderschweißgerät; und -
2 ein Blockschaltbild der Steuerung in dem Handextruderschweißgerät gemäß Figur. -
1 zeigt ein Handextruderschweißgerät1 mit einem Gehäuse2 , in das die Antriebseinrichtung3 und das Gebläse4 integriert sind. Die Antriebseinrichtung3 mit dem Getriebe5 befindet sich in axialer Richtung zu der Extruderschnecke6 . Zur Erwärmung des sich zwischen der Extruderschnecke6 und Scheckenzylinder7 befindenden Materials ist eine Heizeinrichtung8 vorgesehen. In diesem Bereich befindet sich auch der in dieser Figur nicht dargestellte Temperatursensor9 zur Erfassung der Massetemperatur. - Die Heißluftheizeinrichtung
10 im Anschluss an das Gebläse4 heizt die Luft auf, die über eine Düse, die sich in der Figur hinter dem Schweißschuh11 befindet, ausgebracht wird. Hier befindet sich auch der ebenfalls in dieser Figur nicht dargestellte Heißlufttemperatursensor12 . - Das Gehäuse umfasst des Weiteren eine Anzeige
13 mit Bedientasten sowie einen Mikroprozessor14 mit erforderlichem und üblichem Speicher14' , der auf einem entsprechenden, üblichen geeigneten Träger15 angeordnet ist und eine Datenschnittstelle20 . -
2 zeigt das entsprechende Blockschaltbild mit dem Mikroprozessor14 , der mit der Anzeige13 sowie dem Materialtemperatursensor9 und dem Heißluftsensor12 verbunden ist. Des Weiteren ist der Mikroprozessor14 mit dem Motorensteller3' verbunden, der einen Teil der Antriebseinrichtung3 darstellt. Außerdem ist der Mikroprozessor mit der Materialheizeinrichtung8 und der Heißlufteinrichtung10 verbunden, die wie in der Figur dargestellt aus mindestens zwei, gesondert zuschaltbaren Heizbereichen besteht. In dem Blockschaltbild sind zusätzlich der Lüftermotor16 sowie ein Funkentstörfilter17 , eine Elektronik für den Einschaltzeitpunkt der Heizungen18 sowie eine Spannungsversorgungselektronik19 dargestellt. Der Mikroprozessor14 gibt entsprechend den vorstehend geschilderten Vorgaben die entsprechenden Signale an den Motorensteller3' , die Materialheizeinrichtung8 und/oder die Heißluftheizeinrichtung10 ab. In dem Ausführungsbeispiel werden insbesondere die Materialien Polyäthylen und Polypropylen berücksichtigt, die für den Schweißvorgang eine Massetemperatur von 210 bis 230 °C bzw. 210 bis 240 °C haben dürfen. Die Heißlufttemperatur wird in einem Bereich von 210 bis 300 °C für zulässig erachtet und entsprechend berücksichtigt. Eine Erhöhung oder Erniedrigung der Materialtemperatur auf Grund von Veränderungen der Umgebungstemperatur erfolgt beispielsweise bei Temperaturänderungen in einem werksseitig vorgegebenen Bereich durch den Mikroprozessor verändert wird. - Zu Beginn gibt der Bediener über die zur der Anzeigeeinrichtung
13 gehörenden Tastatur die Art des für die Verschweißung verwendeten Kunststoffschweißdrahts und den Durchmesser sowie und die Schweißnahtform und optional auch die Umgebungstemperatur ein. Der Mikroprozessor14 ermittelt aufgrund der in dem zugehörigen Speicher14' abgelegten Schweißparameter wie Schmelztemperatur, Vorwärmtemperatur und Ausstoßgeschwindigkeit und zeigt diese an, sodass der Bediener noch Änderungen vornehmen kann. Die Änderungen werden mit den für diesen Betriebsfall abgelegten Grenz- oder Sollwerten verglichen und bei Überschreiten nicht akzeptiert. Die Schweißparameter werden dann als Vorgabe-Betriebsparameter eingestellt und von dem Mikroprozessor14 in Verbindung mit Motorensteller4' , Materialsensor9 und Heißluftsensor12 aufrecht erhalten. - Der Mikroprozessor
14 vergleicht ständig erforderliche Leistung für die Erwärmung der Vorwärmluft und/oder der Materialtemperatur mit der dazu im Speicher14' abgelegten und der Leistungsaufnahme zugeordneten Umgebungstemperatur und berücksichtigt entsprechende Abweichungen bei der Festlegung der Schweißparameter und gibt dann gegebenenfalls geänderte Werte vor und stellt diese ein. - Des weiteren wird kontinuierlich durch den Mikroprozessor
14 die geforderte Gesamtleistung für die Heißlufteinrichtung10 , die Materialheizeinrichtung8 und die Antriebseinrichtung3 ermittelt, mit der maximal zur Verfügung stehenden Leistung des Handextruderschweißgeräts verglichen. Bevor die externen Sicherungen des Versorgungsnetzes auslösen und das Handextruderschweißgerät abschalten, werden vor Überschreiten der Maximalleistung durch den Mikroprozessor14 in erster Priorität Steuersignale zur Reduzierung des Luftvolumens für die Vorwärmung an die Heißluftheizeinrichtung10 und in zweiter Priorität Steuersignale an die Antriebseinrichtung3 zur Reduzierung der Ausstoßgeschwindigkeit abgegeben. Infolge dessen wird durch die jeweilige Temperaturregelung die Leistung für die Vorwärmlufttemperatur und die Materialtemperatur angepasst und damit reduziert. - Durch einen zusätzlichen nicht dargestellten Infrarotsensor für Messung der Effektivtemperatur des ausgebrachten plastifizierten Schweißmaterials in der Schweißfuge des zu verschweißenden Materials und einen zusätzlichen nicht dargestellten Infrarotsensor für die Messung der Oberflächentemperatur des zu verschweißenden Materials, die jeweils mit dem Mikroprozessor
14 verbunden sind, können in einem weiteren Ausführungsbeispiel diese Temperaturen kontaktlos erfasst und vom Mikroprozessor für die Festlegung der Schweißparameter verwendet werden. - Mit der Erfindung wird erreicht, dass der Schweißvorgang für den Bediener vereinfacht, transparenter und auch bei Erreichen von Grenzwerten zuerst einmal aufrecht erhalten wird und ein Abschalten erst dann erfolgt, wenn auch diese Maßnahmen nicht greifen. Dies alles dient der Betriebssicherheit und einem verbesserten Schweißprozess.
Claims (13)
- Handextruderschweißgerät zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit einer Extruderschnecke (
6 ), einer Antriebseinrichtung (3 ) für die Extruderschnecke (6 ) in axialer Verlängerung zu der Extruderschnecke (6 ), einer Materialheizeinrichtung (8 ) für die Extruderschnecke (6 ) und einer Heißlufteinrichtung (10 ) zur Erzeugung einer heißen Vorwärmluft, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise die Heißlufteinrichtung (10 ) für die Erzeugung der heißen Vorwärmluft und die Antriebseinrichtung (3 ) in einem Gehäuse (2 ) integriert sind, das eine Anzeigeeinrichtung (13 ) mit Bedientasten sowie einen eingebauten Mikroprozessor (14 ) mit Speicher (14' ) umfasst, der mit der Antriebseinrichtung (3 ), der Materialheizeinrichtung (8 ), der Heißlufteinrichtung (10 ) sowie mit Temperatursensoren (9 ,12 ) für die Materialtemperatur und die Heißlufttemperatur verbunden ist. - Handextruderschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (
14 ) in Abhängigkeit vom Bediener eingebbaren Vorgabewerten und/oder im Speicher (14' ) hinterlegten Grenz- oder Sollwerten, entsprechende Steuersignale an die Antriebseinrichtung (3 ), die Materialheizeinrichtung (8 ) und/oder die Heißlufteinrichtung (10 ) abgibt. - Handextruderschweißgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor ein Steuersignal an die Materialheizeinrichtung (
8 ) und/oder die Heißlufteinrichtung (10 ) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, vorzugsweise zum Erhöhen der Temperaturen bei abnehmender Umgebungstemperatur, abgibt. - Handextruderschweißgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (
14 ) die Umgebungstemperatur aus der Leistungsaufnahme für die Einstellung der erforderlichen Heißluft- und Materialtemperatur ermittelt. - Handextruderschweißgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (
14 ) die geforderte Gesamtleistung für die Heißlufterzeugung, Materialerwärmung und Antriebsgeschwindigkeit ermittelt, mit der maximal zur Verfügung stehenden Leistung des Handextruderschweißgeräts vergleicht und vor Überschreiten der Leistungsaufnahme in erster Priorität Steuersignale zur Reduzierung des Luftvolumens für die Vorwärmung und in zweiter Priorität Steuersignale an die Antriebseinrichtung (3 ) zur Reduzierung der Ausstoßgeschwindigkeit abgibt, wobei die Vorwärmlufttemperatur und die Materialtemperatur jeweils über vorhandene Regelkreise konstant gehalten werden. - Handextruderschweißgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenschnittstelle zum Auslesen aller relevanten Schweißparameter von Schweißvorgängen zur Prozesskontrolle vorhanden ist.
- Verfahren zum Betreiben eines Handextruderschweißgeräts für thermoplastische Kunststoffe mit einer Extruderschnecke (
6 ), einer Antriebseinrichtung (3 ) für die Extruderschnecke (6 ) in axialer Verlängerung zu der Extruderschnecke (6 ), einer Materialheizeinrichtung (8 ) für die Extruderschnecke und einer Heißlufteinrichtung (10 ) zur Erzeugung einer hei ßen Vorwärmluft sowie einem Mikroprozessor (14 ) mit Speicher (14' ) und damit verbundener Anzeigeeinrichtung (13 ), der mit der Antriebseinrichtung (3 ), der Materialheizeinrichtung (8 ) und mit der Heißlufteinrichtung (10 ) verbunden ist, indem in Abhängigkeit der durch den Bediener eingebbaren Materialart und Durchmesser des Schweißdrahts und der Schweißnahtform, die Schweißparameter, wie Schmelztemperatur, Vorwärmtemperatur und Ausstoßgeschwindigkeit aufgrund von in dem Speicher abgelegten Werten ermittelt und automatisch als Vorgabe-Betriebsparameter eingestellt werden. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Materialart und Durchmesser des Schweißdrahts sowie der Schweißnahtform vom Bediener die Umgebungstemperatur eingebbar ist und bei der Ermittlung der Vorgabe-Betriebsparameter berücksichtigt wird.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialtemperatur und/oder die Heißlufttemperatur in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geregelt, vorzugsweise bei abnehmender Umgebungstemperatur erhöht, wird.
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungstemperatur aus der Leistungsaufnahme für die Einstellung der erforderlichen Heißluft- und der Materialtemperatur ermittelt wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivtemperatur des ausgebrachten plastifizierten Schweißmaterials in der Schweißfuge des zu verschweißenden Materials und/oder die Oberflächentemperatur des zu verschweißenden Materials kontaktlos gemessen wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die geforderte Gesamtleistung für die Heiß lufterzeugung, Materialerwärmung und Antriebsgeschwindigkeit ermittelt, mit der maximal zur Verfügung stehenden Leistung des Handextruderschweißgeräts verglichen und vor Überschreiten der Maximalleistung zuerst die Heißluftheizung und dann die Ausstoßgeschwindigkeit reduziert wird.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die für durchgeführten Schweißvorgänge relevanten Daten gespeichert und zur externen Auslese formatiert werden.
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