DE102008059142A1 - Verfahren zum Fügen von verstärkten Polytetrafluorethylen-Folien mittels Ultraschall und Sonotrode zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Fügen von verstärkten Polytetrafluorethylen-Folien mittels Ultraschall und Sonotrode zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Fügen von glasseideverstärkten PTFE-Folien durch Ultraschall, wobei die Folienränder überlappt werden und im Bereich der Überlappung zusätzlich eine PFA-Folie als Schweißhilfsmittel eingelegt wird und eine schnelle, schonende und stufenweise Aufheizung der Schweißpartner ohne thermische Schädigung erfolgt. Dazu wird die Sonotrode mit definiertem Anpressdruck, definierter Ultraschallamplitude und definierter Vorschubgeschwindigkeit über die zu schweißende PTFE-Folie geführt. Die rechteckige, leistenförmige Sonotrodenformfläche ist mit einer oder mehreren Ausnehmungen versehen, so dass sich hintereinander Berührungsflächen und Ausnehmungen abwechseln. Beim Kontakt der Sonotrode mit der Folie wird über die Berührungsflächen gezielt Ultngebracht, so dass sich die Fügepartner stufenweise von der Umgebungstemperatur auf Schweißtemperatur erwärmen und eine thermische Schädigung, insbesondere der PFA-Folie als Schweißhilfsmittel, vermieden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von verstärkten, insbesondere glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien (PTFE-Folien) durch Ultraschall.
  • Aus der betrieblichen Praxis ist bekannt, glasseideverstärkte PTFE-Folien miteinander zu verschweißen, indem die Folienränder überlappt werden und im Bereich der Überlappung zusätzlich eine Perfluoralkoxy-Copolymer-Folie (PFA-Folie) als Schweißhilfsmittel eingelegt wird. Die PFA-Folie erreicht die Dauergebrauchstemperatur von PTFE und ist thermoplastisch verarbeitbar.
  • Beim Schweißvorgang erfolgt das Aufschmelzen der PFA-Folie mit Hilfe eines statischen, ebenflächigen Heizelementes als Wärmequelle. Dazu wird das Heizelement auf die oben liegende glasseideverstärkte Folienbahn aufgesetzt und durch Wärmeleitung durch diese Folienbahn hindurch wird die zwischenliegende PFA-Folie erwärmt und aufgeschmolzen. Die aufgeschmolzene PFA-Folie verbindet sich nun unter Wirkung des durch das Heizelement aufgebrachten Schweißdruckes mit den beiden überlappten glasseideverstärkten PTFE-Folien. Danach wird die PTFE-Folie in der Regel unter einen kalten Stempel weitergeschoben. Dieser wird auf die Schweißstelle gedrückt und kühlt so die Schweißstelle ab, wobei die Wärmeenergie wiederum mittels Wärmeleitung durch die obere glasseideverstärkte PTFE-Folie hindurch in den kalten Stempel abgeleitet wird.
  • Nachteilig ist, dass diese Verfahrensweise, bedingt durch die schlechte Wärmeleitung der glasseideverstärkten PTFE-Folie, sowohl beim Erwärmen der Folie als auch beim Abkühlen, sehr zeitaufwendig ist und nur diskontinuierlich abläuft.
  • Darüber hinaus kann es beim Erwärmen der Schweißzone mit dem Heizelement infolge der notwendigen, relativ langen Aufwärmzeiten zu Verbrennungserscheinungen an der PTFE-Folie oder der PFA-Folie kommen.
  • Längere Schweißnähte können nur erzielt werden, indem entweder das Heizelement und der Kühlstempel, und damit die gesamte Schweißvorrichtung, oder die zu schweißende PTFE-Folie schrittweise und diskontinuierlich, jeweils nach Ablauf eines Schweißzyklusses, weiter bewegt werden. Dazu ist bei großen Folienflächen ein hoher gerätetechnischer Aufwand zum Halten und zum Transport der Folie notwendig.
  • Aus der DE 28 54 739 A1 ist eine Schweißanlage zum Verbinden von Kunststoffbahnen aus Polytetrafluorethylen-Glasseidengewebe bekannt. Diese Kunststoffbahnen werden zur Herstellung von großflächigen Planen an den Rändern überlappend verschweißt. Dazu sind ein länglich rechteckig ausgebildeter Unter-Heizkörper und Ober-Heizkörper in der Schweißanlage angebracht, in deren Verlängerung jeweils ein Unter-Kühlkörper und ein Ober-Kühlkörper nachgeordnet ist. Heiz- und Kühlkörper besitzen gleiche Längenabmessungen und sind deckungsgleich. Dadurch kann die Wärmeenergie gleichzeitig durch Kontakterwärmung von oben und von unten in die zu verschweißende Folie eingebracht werden. Zum Schweißen wird der Ober-Heizkörper im Überlappungsbereich aufgesetzt und unter ausreichendem Druck, einer Schweißtemperatur und einer genügenden Einwirkzeit erfolgt die Schweißung. Danach wird der Ober-Heizkörper abgehoben und die Schweißanlage fährt um eine Heizkörperlänge vorwärts, wodurch der geschweißte Bereich in die Kühlzone der Schweißanlage gelangt. Dem Aufschmelzen folgt unmittelbar ein Herunterkühlen des Schweißbereiches. Zur Herstellung längerer Schweißnähte wird die Schweißanlage bzw. die Folienbahn schrittweise weiter gerückt.
  • Nachteilig ist auch hier, dass lange Schweißnähte nur mit hohem zeitlichem und gerätetechnischem Aufwand und diskontinuierlich hergestellt werden können, da es sich bei den Planen um großflächige Bauteile handelt, bei denen aber immer nur kleinere Abschnitte verschweißt werden können.
  • In der DE 196 23 100 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Flächentragmembran für den Außenbereich beschrieben, wobei auf ein Trägergewebe aus gezwirntem Glasseidengewebe beidseitig Folien, z. B. PTFE-Folien, aufgelegt werden, die unter Wärmezufuhr mit dem Trägergewebe verpresst werden. Der Verbund aus Trägergewebe und oberer und unterer Folie wird einer Doppelbandpresse zugeführt und bei einer Temperatur von 380°C unter gleichmäßigem Druck verpresst. Durch die Druck- und Wärmeeinwirkung verbinden sich die obere und untere Folie mit dem Trägergewebe durch die Maschen des Trägergewebes hindurch.
  • Dieses Verfahren ist zum Verschweißen von Folienbahnen untereinander ungeeignet und nicht einsetzbar.
  • In den Druckschriften DE 21 58 565 , DE 195 26 354 C1 , DE 195 13 246 C2 , DE 195 11 698 C1 , DE 44 39 284 C3 , DE 17 04 178 , DE 197 12 498 C2 , DE 100 09 174 A1 und DE 41 05 013 A1 werden Verfahren und Vorrichtungen zum Bearbeiten von thermoplastischen Materialbahnen wie Folien- oder Gewebebahnen mittels Ultraschall beschrieben. Dabei werden die Materialbahnen durch einen Spalt zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug, dem Amboss, hindurchgeführt und können durch die Wirkung des Ultraschalls geschnitten, perforiert, gestanzt, geprägt, wärmebehandelt, geschweißt oder auf ähnliche Weise bearbeitet werden. Der Amboss ist als drehbares oder angetriebenes Rad oder als Walze ausgebildet und die Sonotrodenstirnfläche ist der Geometrie des Ambossrades bzw. der Ambosswalze angepasst. Es werden u. a. Lösungen zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit der Materialbahnen beschrieben und Maßnahmen vorgestellt, um das Spaltmaß zwischen Sonotrode und Amboss während des Bearbeitungsablaufes auf einem konstanten Maß zu halten. Gemäß der DE 199 06 873 A1 wird das Ambossrad durch eine zweite Sonotrode ausgetauscht, wodurch die Schweißzeit verkürzt werden soll.
  • Nachteilig bei all diesen Lösungen ist gemeinsam, dass die Materialbahnen zwischen einer statisch angeordneten Sonotrode und einem sich drehenden Gegenwerkzeug in Form einer Rolle, Walze oder Kugel hindurch geführt und geschweißt werden und eine differenzierte Temperaturführung beim Schweißvorgang nicht möglich ist.
  • Darüber hinaus müssen die Materialbahnen manuell bewegt werden, was bei Materialbahnen mit großen Abmessungen technisch und zeitlich sehr aufwändig oder praktisch nicht mehr ausführbar ist.
  • Diese Verfahren und Vorrichtungen sind zum Verschweißen von glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien ebenfalls nicht geeignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien (PTFE-Folien) zu schaffen, welches durch eine schnelle, schonende und stufenweise Aufheizung der Schweißpartner kontinuierlich und mit hoher Prozesssicherheit arbeitet und bei dem Verbrennungserscheinungen bei den Schweißpartnern vermieden werden, mit dem lange, geschlossene Schweißnähte in guter, gleichmäßiger Schweißqualität erzielt werden und welches mit einem geringen gerätetechnischen Aufwand auskommt und wirtschaftlicher als das Heizelementschweißverfahren ist.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Sonotrode mit einem definierten Anpressdruck, einer definierten Ultraschallamplitude und einer definierten Geschwindigkeit kontinuierlich über die zu schweißenden und überlappt liegenden glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien (PTFE-Folien) geführt, wobei zwischen den PTFE-Folien eine Perfluoralkoxy-Copolymer-Folie (PFA-Folie) als Schweißhilfsmittel eingelegt ist.
  • Die Sonotrode wirkt mit einem Amboss zusammen, der als Gegenwerkzeug zur Sonotrode unter der Folie entweder vollflächig unter dem gesamten Schweißnahtbereich angeordnet ist oder simultan der Sonotrodenbewegung folgt.
  • Die Ambossoberfläche kann dabei glatt oder strukturiert ausgestaltet sein, wobei die Oberfläche bei einem sich mit der Sonotrode translatorisch bewegendem Amboss glatt ausgeführt ist, bei einem stationär angeordnetem Amboss aber glatt oder strukturiert ausgeführt sein kann.
  • Die Sonotrode ist an der Stirnseite mit einer speziellen Formfläche ausgestattet und der Amboss besitzt eine dazu korrespondierende Auflagefläche.
  • Durch die Einwirkung des Ultraschalls und die Umwandlung der Ultraschallenergie in Wärmeenergie bei der Berührung der Folien werden die Folien erwärmt, wobei der Anpressdruck, die Ultraschallamplitude und die Vorschubgeschwindigkeit der Sonotrode so aufeinander abgestimmt sind, dass die zwischen den beiden zu schweißenden und überlappt liegenden PTFE-Folien eingelegte PFA-Folie aufgeschmolzen wird und sich diese mit den beiden glasseideverstärkten PTFE-Folien verbindet und somit die Verbindung zwischen den beiden glasseideverstärkten PTFE-Folien herstellt.
  • Die Sonotrodenformfläche ist als ebene Fläche leistenförmig rechteckig ausgeführt und auf ihrer Länge mindestens einmal, vorzugsweise in der Mitte, durch eine Ausnehmung unterbrochen, so dass sich in Vorschubrichtung zwei hintereinander liegende, aber durch die Ausnehmung getrennte Berührungsflächen ergeben.
  • Die Sonotrodenformfläche kann aber auch mehrfach durch Ausnehmungen unterbrochen sein, so dass sich entsprechend mehr hintereinander liegende getrennte Berührungsflächen ergeben.
  • Diese Berührungsflächen sind auf diese Weise rechteckig ausgebildet, vorzugsweise sollen sie quadratische Form besitzen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Sonotrodenformfläche können diese Beführungsflächen aber auch rund sein.
  • Der Abstand der Berührungsflächen zueinander entspricht einer Kantenlänge oder dem Durchmesser der Berührungsfläche. Die Breite der Schweißnaht wird von der Breite der Sonotrodenformfläche bestimmt, wobei Schweißnahtbreiten von 3–4 mm erreicht werden.
  • Werden höhere Festigkeiten im geschweißten Bereich der Folie benötigt, können mehrere Schweißnähte parallel zueinander angeordnet werden, die mit einer Sonotrode nacheinander oder mit mehreren Sonotroden gleichzeitig geschweißt werden.
  • Zum Verbinden der glasseideverstärkten Folien wird die Sonotrode in einer Schweißvorrichtung mit einem definierten Fügedruck, einer definierten Ultraschallamplitude und einer definierten Vorschubgeschwindigkeit über die zu schweißenden glasseideverstärkten Folien geführt. Dabei erwärmt die in Vorschubrichtung liegende erste Berührungsfläche der Sonotrode die Folien soweit, dass die als Schweißhilfsmittel zwischen den glasseideverstärkten Folien eingelegte PFA-Folie zunächst nur teilweise aufgeschmolzen wird.
  • Durch die der ersten Berührungsfläche nachgeordneten Ausnehmung kann keine weitere Wärme in Form von Ultraschallenergie zugeführt werden, so dass sich die bereits eingebrachte Wärme gleichmäßig über die Schweißfläche verteilen kann. Der Ausnehmung in der Sonotrodenformfläche ist die zweite Berührungsfläche nachgeordnet, über die nun weiter Ultraschallenergie in die Schweißfläche eingebracht wird und die zur weiteren Erwärmung der Schweißfläche bis auf Schweißtemperatur der Fügepartner führt.
  • Durch diese gezielte, stufenweise Einbringung der Ultraschall- bzw. Wärmeenergie in die Schweißfläche können lokale Temperaturmaxima vermieden werden, die sonst zu Verbrennungserscheinungen bei den Fügepartnern, insbesondere der PFA-Folie, führen und es wird eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Schweißflächen von der Umgebungstemperatur bis auf die Schweißtemperatur erreicht.
  • Der Vorgang der stufenweisen, gleichmäßigen Erwärmung der Schweißflächen kann auch mehrfach kaskadiert werden, indem die Sonotrodenformfläche zwei und mehr hintereinander angeordnete Ausnehmungen besitzt, wobei dann Berührungsflächen und Ausnehmungen im Wechsel aufeinander folgen. Damit wird eine noch werkstoffschonendere Erwärmung der Schweißpartner auf Schweißtemperatur erreicht.
  • Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 – Sonotrode im Wirkeinsatz
  • 2 – Sonotrode, Vorderansicht
  • 3 – Sonotrode, nach Schnitt A-A
  • 4 – Sonotrode, kaskadiert
  • Zum Schweißen werden die glasseideverstärkten PTFE-Folien 1, 2 überlappt und auf den Amboss 3 der Schweißvorrichtung aufgelegt, wobei im Bereich der Überlappung der Folien 1, 2 eine Perfluoralkoxy-Copolymer-Folie 4 (PFA-Folie) als Schweißhilfsmittel eingelegt wurde. Das Folienpaket wird durch einen nicht weiter dargestellten Niederhalter fixiert, 1. Die Sonotrode 5 wird auf den Schweißbereich aufgesetzt und mit einem definierten Anpressdruck, einer definierten Ultraschallamplitude und einer definierten Vorschubgeschwindigkeit über die zu schweißende PTFE-Folie geführt. Durch die Einwirkung des Ultraschalls bei der Berührung der Folien werden diese erwärmt, wobei der Anpressdruck, die Ultraschallamplitude und die Vorschubgeschwindigkeit der Sonotrode so aufeinander abgestimmt sind, dass die zwischen den PTFE-Folien 1 und 2 eingelegte PFA-Folie 4 aufgeschmolzen wird und eine Verbindung zwischen den beiden glasseideverstärkten PTFE-Folien hergestellt.
  • Nach den 2 und 3 ist die Sonotrodenformfläche als ebene Fläche leistenförmig rechteckig ausgeführt und auf ihrer Länge einmal in der Mitte durch eine Ausnehmung 6 unterbrochen, so dass sich in Vorschubrichtung zwei hintereinander liegende, aber durch die Ausnehmung 6 getrennte Berührungsflächen 7 ergeben.
  • Die Berührungsflächen 7 sind rechteckig ausgebildet und der Abstand der Berührungsflächen 7 zueinander entspricht einer Kantenlänge der Berührungsfläche 7. Die Breite der Sonotrodenformfläche 8 beträgt 3–4 mm.
  • Die Ambossauflagefläche ist als ebene Fläche leistenförmig rechteckig gestaltet.
  • Zum Schweißen der glasseideverstärkten Folien 1, 2 wird die Sonotrode 5 kontinuierlich über die zu schweißenden Folien geführt. Die in Vorschubrichtung erste Berührungsfläche 7 der Sonotrode 5 erwärmt die Folien 1, 2 soweit, dass die als Schweißhilfsmittel wirkende PFA-Folie 4 zunächst teilweise aufgeschmolzen wird.
  • Durch die der ersten Berührungsfläche 7 nachgeordneten Ausnehmung 6 kann keine weitere Wärme zugeführt werden, so dass sich die eingebrachte Wärme gleichmäßig über die Schweißfläche verteilen kann.
  • Über die der Ausnehmung 6 nachgeordneten zweiten Berührungsfläche 7 wird nun wieder Wärmeenergie in die Schweißfläche eingebracht, die zur weiteren Erwärmung der Schweißfläche bis auf Schweißtemperatur der Fügepartner führt.
  • Überraschender Weise wurde gefunden, dass mit dieser gezielten, stufenweisen Einbringung der Ultraschallenergie in die Schweißfläche mit einer in der Sonotrodenformfläche 8 unterbrochenen Ultraschallsonotrode 5 lokale Temperaturspitzen vermieden werden, die zu Verbrennungserscheinungen bei den Fügepartnern, insbesondere der PFA-Folie, führen können. Es wird eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Schweißflächen von der Umgebungstemperatur bis auf Schweißtemperatur ohne thermische Schädigung der Fügepartner erreicht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Sonotrodenformfläche 8 auch zwei und mehr hintereinander angeordnete Ausnehmungen 6 aufweisen, wobei einer Berührungsfläche 7 jeweils eine Ausnehmung 6 folgt, so dass der Vorgang der stufenweisen, gleichmäßigen Erwärmung der Schweißflächen auch kaskadiert erfolgen kann, 4.
    • 1
    PTFE-Folie
    2
    PTFE-Folie
    3
    Amboss
    4
    PFA-Folie
    5
    Sonotrode
    6
    Ausnehmung
    7
    Berührungsflächen
    8
    Sonotrodenformfläche
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - DE 19906873 A1 [0011]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Fügen von glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien mittels Ultraschall, wobei die glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien überlappt angeordnet sind und zwischen beiden Folien im Schweißnahtbereich eine Perfluoralkoxy-Copolymer-Folie (PFA-Folie) angeordnet ist und eine Ultraschallsonotrode mit einem definierten Druck, einer definierten Ultraschallamplitude und einer definierten Vorschubgeschwindigkeit über die zwei überlappt liegenden glasseideverstärkten PTFE-Folien geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode kontinuierlich über die zu schweißenden und überlappt liegenden glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien geführt wird und die Ultraschallamplitude, der Anpressdruck und die Vorschubgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt sind, dass die zwischen den Polytetrafluorethylen-Folien als Schweißhilfsmittel angeordnete Perfluoralkoxy-Copolymer-Folie durch eine gezielte Einbringung der Ultraschallenergie eine gleichmäßige und stufenweise Erwärmung von der Umgebungstemperatur bis auf die Schmelztemperatur ohne thermische Schädigung erfährt und sich mit den glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien verbindet, dass die gleichmäßige und stufenweise Erwärmung der Perfluoralkoxy-Copolymer-Folie auch mehrfach kaskadiert werden kann, dass die Schweißnahtbreite 3–4 mm beträgt und dass mehrere Schweißnähte nacheinander oder gleichzeitig parallel zueinander angeordnet werden können.
  2. Sonotrode zum Fügen von glasseideverstärkten Polytetrafluorethylen-Folien mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenformfläche (8) als ebene Fläche leistenförmig rechteckig ausgebildet ist und auf ihrer Länge mindestens einmal, vorzugsweise in der Mitte, durch eine Ausnehmung (6) unterbrochen ist, so dass sich in Vorschubrichtung zwei hintereinander liegende, aber durch die Ausnehmung (6) getrennte Berührungsflächen (7) ergeben, dass die Berührungsflächen (7) rechteckig, vorzugsweise quadratisch, ausgebildet sind und der Abstand der Berührungsflächen (7) zueinander der Kantenlänge einer Berührungsfläche (7) entspricht und dass die Breite der Sonotrodenformfläche (8) 3–4 mm beträgt und dass die mit der Sonotrodenformfläche (8) zusammenwirkende Ambossoberfläche eben und glatt oder strukturiert ausgebildet sein kann.
  3. Sonotrode nach Ausspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsflächen (7) rund ausgebildet sind und der Abstand der Berührungsflächen zueinander dem Durchmesser einer Berührungsfläche (7) entspricht.
  4. Sonotrode nach den Aussprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenformfläche (8) zwei oder mehr hintereinander angeordnete Ausnehmungen (6) besitzt, wobei jeder Ausnehmung (6) im Wechsel eine Berührungsfläche (7) folgt.
  5. Sonotrode nach einem oder mehreren der Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sonotrodenformflächen (8) mit zwei oder mehr hintereinander angeordneten Ausnehmungen (6), die im Wechsel mit Berührungsflächen (7) aufeinander folgen, auch nebeneinander angeordnet sein können.
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