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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Filterelements, das Filtermaterialien aufweist.
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Um z. B. im Automobilbereich Fluide, wie Kraftstoffe, Betriebsmittel oder Innenraumluft, zu filtern, werden häufig gefaltete oder plissierte Filtervliesmaterialien eingesetzt. Dabei ist es oft notwendig, verschiedene Kanten oder Endabschnitte dieser flächigen Filtermaterialien miteinander zu verbinden. Bekannte Filterelemente werden z. B. aus zunächst zickzackförmig gefalteten Filtermaterialbögen, die zu einem rohrförmigen Körper geformt werden, gefertigt. Um den rohrförmigen Körper zu schließen, müssen dann Faltenendabschnitte fluiddicht miteinander verbunden werden.
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Stand der Technik
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In der Vergangenheit wurden dabei z. B. Metallclips oder Klammern eingesetzt, die zwei aufeinanderliegende flächige Abschnitte aneinanderhalten. Es ist auch üblich, die beiden Filtermaterialbögen miteinander zu verkleben oder durch Schweißen miteinander zu verbinden. Als geeignet haben sich Kunststoff oder Hotmelt-Kleber erwiesen, die zunächst erhitzt werden und dann flüssig durch einen entsprechenden Extruder auf eine Seite eines ersten Abschnitts des zu verbindenden Materials aufgebracht werden. Anschließend wird der zweite, mit dem ersten zu verbindende, Abschnitt des Materials auf die aufgebrachte Kleberraupe aus flüssigem Kunststoff gelegt und durch Pressen mit dem ersten Abschnitt verklebt.
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Konventioneller Weise sind somit eine Heizung, die so genannte Extrudereinrichtung, zum Erzeugen und Aufbringen von flüssigem Kunststoff sowie eine Verpressungseinrichtung zum eigentlichen Verkleben der Materialien notwendig. Die separaten Schritte des Erhitzens bzw. Extrudierens, Verpressens und anschließend des Abbinden lassen des Kunststoffs erfordern einen unerwünscht großen Zeitaufwand.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum flächigen Verbinden von Filtermaterialabschnitten zu schaffen, welches möglichst aufwandsgünstig realisierbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Filterelements nach Anspruch 1 gelöst.
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Demgemäß ist bei einem Verfahren zum Herstellen eines Filterelementes vorgesehen, dass zwei Endabschnitte eines flächigen Filtermaterials durch ein Kunststoffmaterial miteinander verbunden werden. Dies erfolgt indem zwischen den aufeinander liegenden Endabschnitten festes, insbesondere fadenförmiges, Kunststoffmaterial erhitzt wird.
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Üblicherweise wird Kunststoffmaterial in flüssigem Zustand auf zu verklebende Flächen aufgebracht. Dies erfordert jedoch aufwändige Extrudereinrichtungen und Heizungvorrichtungen zum Erhitzen des Kunststoffmaterials. Es wird nun vorgeschlagen, festes Kunststoffmaterial, beispielsweise in der Art eines festen Kunststofffadens (so genannter Monofil) oder -bandes, als reines Material im festen, nicht geschmolzenen Zustand auf die zu verklebenden Endabschnitte aufzubringen. Erst anschließend wird das zwischen den Endabschnitten vorliegende Kunststoffmaterial erhitzt und geschmolzen.
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Entsprechend können die folgenden Schritte vorgesehen sein: Auflegen eines festen Kunststoffmaterials auf einen ersten Endabschnitt; Auflegen eines zweiten Endabschnitts auf das feste Kunststoffmaterial und den ersten Endabschnitt; und Erhitzen des Kunststoffmaterials derart, dass es zumindest teilweise schmilzt. Zudem ist vorgesehen: Pressen oder Drücken der beiden Endabschnitte gegeneinander oder aufeinander.
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Die vorgeschlagene Vorgesehenweise hat den Vorteil, dass das Kunststoffmaterial im festen Zustand einfacher als im flüssigen Zustand zu bearbeiten ist und auf die entsprechenden Endabschnitte präzise aufzubringen ist. Das Kunststoffmaterial kann dabei z. B. als Faden, Monofil, Kordel oder Band genau auf einen Endabschnitt aufgelegt werden. Dies hat zudem den Vorteil, dass keine Unterbrechungen entlang des Endabschnittes in dem sich ergebenden Kunststoffmaterialstreifen auftreten können. Im Gegensatz dazu ist es bei extrudiertem flüssigem Kunststoffmaterial möglich, dass die Kleberraupe nicht durchgehend verläuft, sondern unterbrochen wird. Die Verwendung von festem Kunststoffmaterial und die erst anschließende Verschmelzung liefert eine durchgängige Klebematerialstrecke entlang der Endabschnitte.
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Das Pressen und/oder Erhitzen erfolgt vorzugsweise derart, dass das geschmolzene Kunststoffmaterial zumindest teilweise in das Filtermaterial des ersten und des zweiten Endabschnitts eindringt. Dies bedeutet, dass durch das Anschmelzen des Kunststoffs dieser teilweise z. B. in vliesförmiges oder celluloseartiges Filtermaterial oder entsprechende Mischfasern hineinfließen kann und nach dem Erstarren des Kunststoffs dieser einen besonders guten Halt und damit der Klebeverbindung hervorruft. Durch das gegeneinander Drücken und/oder Pressen wird das Eindringen von flüssigem Kunststoffmaterial in die beiden Endabschnitte zudem erleichtert.
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In einer Variante des Verfahrens wird das Kunststoffmaterial in der Art eines zusammenhängenden Fadens oder flachen Bandes parallel zu einer Kante eines der Endabschnitte auf demselben aufgebracht. Beispielsweise kann der Faden oder das Band entlang einer Kante gespannt werden und dann auf den ersten Endabschnitt aufgelegt werden. Prinzipiell können auch mehrere Fäden parallel aufgelegt werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Verklebung und damit der Klebeverbindung erreicht werden kann.
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Die Verklebung ist derart ausgestaltet, dass ein fluiddichter Abschluss zwischen den Endabschnitten entsteht. Als Fluide bei Kraftfahrzeugfiltern, insbesondere Luftfiltern oder Betriebsmittelfiltern, sind z. B. Luft, Gas, Benzin, Diesel, Öl oder dergleichen denkbar.
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Bei einer anderen Variante wird das flächige Filtermaterial als ein Filtermaterialbogen zickzackförmig gefaltet, wobei die miteinander zu verbindenden Endabschnitte entsprechen gegenüberliegenden Endfaltenabschnitten des Filtermaterialsbogens. Man spricht auch von plissierten Filtermaterialien, die einen röhrenförmigen Körper ausbilden, wobei die Endabschnitte miteinander verbunden sind. Man spricht auch von Endlosfilterbälgen, wobei entlang der Längsrichtung die Verklebung, beispielsweise parallel zu einer Endfalte erfolgt.
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Das Erhitzen des Kunststoffmaterials und insbesondere das Schmelzen kann z. B. durch Einkopplung von Ultraschall erfolgen. Man spricht hier auch von Ultraschallschweißen. Das Erhitzen des Kunststoffmaterials wird durch Vibrationen, die durch die Einkopplung des Ultraschalls im Kunststoffmaterial entstehen, erreicht, d. h. das Kunststoffmaterial wird durch Reibung zum Schmelzen gebracht. Hierzu werden zum Erhitzen mittels Ultraschallschweißen eine Sonotrode und ein Amboss verwendet. Sonotroden sind Werkzeuge die hochfrequent in mechanische Schwingungen versetzt werden, wobei Ultraschallfrequenzen zum Einsatz kommen. Durch den in den festen Kunststoff eingeprägten Ultraschall wird dieser erhitzt und schmilzt. Sonotroden können z. B. als so genannte Rotationssonotroden ausgebildet sein, die gleichzeitig das zu beschallende Material fördern oder andrücken.
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Bei noch einer weiteren Variante des Verfahrens werden die aufeinander liegenden Endabschnitte mit dem dazwischen liegenden festen Kunststoffmaterial in einer Richtung parallel zu den Endkanten des Endabschnitts befördert. Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig die besonders schnelle Verklebung und auch das Anpressen der Endabschnitte aus dem Filtermaterial erfolgen können.
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Das Fördern kann z. B. mittels einer Rolle oder mittels mehrerer gegeneinander drehender Rollen erfolgen. Vorzugsweise wird gleichzeitig mit dem Fördern auch das Erhitzen und/oder das Pressen bzw. Drücken der Schichten aufeinander vorgenommen. Z. B. kann eine der Rollen als Rotationssonotrode verwendet werden. Es wird z. B. ein plissierter oder zickzackförmig gefalteter Filtermaterialbogen mit seinen Endabschnitten aufeinander gelegt, wobei dazwischen der feste Kunststofffaden vorgesehen ist. Diese Schichtfolge kann zwischen eine Ambossrolle und eine Rotatationssonotrode eingeführt werden, welche entlang der Kanten gleichzeitig den Vorschub parallel zu der Kante, das Erhitzen zum Aufschmelzen des Kunststoffs und das Verpressen der Materialschicht miteinander vollzieht.
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Als Filtermaterial kommen insbesondere zellulosehaltige Materialien, Glasfasermischgewebe, Polyesterfasern aufweisende Materialien, Vliesmaterialien und/oder laminierte Papiere zur Anwendung. Unter einem flächigen Material wird in der Regel verstanden, dass die Dicke eines Materialbogens deutlich geringer ist als die flächige Ausdehnung des Materials.
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Als Kunststoffmaterial können alle heiß klebenden Materialien verwendet werden. Insbesondere kommen hier alle thermoplastische Kunststoffe, wie z. B. Polyamid oder Polyester aufweisende Materialien, in Frage. Solche Heißkleber oder erhitzbare Kunststoffe werden auch als Schmelzklebstoffe, Heißleim oder Hotmelt bezeichnet. Bei entsprechenden Schmelz- oder Heißklebestoffen wird die Adhäsion durch eine Temperaturerhöhung also Schmelzen erreicht. Durch das Schmelzen erreicht das Kunststoffmaterial eine niedrigere Viskosität, wodurch eine Benetzung der miteinander zu verklebenden Materialien erfolgt. Die Kohäsion wird anschließend durch das Abkühlen der Schmelze erreicht.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Verfahrenschritte. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigt dabei:
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1: eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Filterelements, welches nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt ist;
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2–7: Darstelllungen zur Erläuterung von Varianten des Herstellungsverfahrens für Filterelemente;
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8: eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Filterelements, welches nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt ist;
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9: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Filtereinrichtung; und
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10: Darstellungen zur Erläuterung einer weiteren Variante des Herstellungsverfahrens für Filterelemente.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts Anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Filterelements, welches gemäß dem im Folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Das Filterelement 1 weist einen Filtermaterialbogen 3 auf, dessen Endabschnitte 2 miteinander verbunden sind. Es ergibt sich somit ein Endlosfilterbalg durch den rohrförmigen Körper. Eine Filterung von zu filterndem Fluid, wie beispielsweise Luft oder Betriebsmitteln eines Kraftfahrzeugs, erfolgt durch den Durchtritt des Fluids durch das Filtermaterial. In der Regel werden Filtervliesmaterialien eingesetzt, die flexibel und bogenförmig sind. Diese können ferner zur Vergrößerung der Oberfläche gefaltet oder plissiert werden.
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Die 2–7 erläutern einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines entsprechenden Filterelements. In der 2A ist als Ausgangspunkt ein Filtermaterialbogen 3 dargestellt. Um ein wie in der 1 dargestelltes Filterelement auszubilden, müssen die Endkanten 4A, 4B bzw. Endabschnitte 2A, 2B miteinander verbunden oder verklebt werden. Als Endabschnitt 2A, 2B wird ein Bereich parallel zu der Endkante 4A, 4B des Filtermaterialbogens 3 verstanden. Um die Filteroberfläche zu vergrößern kann der Filtermaterialbogen 3 optional gefaltet werden. Dies ist in der 2B dargestellt. Es ist ein Filtermaterialbogen, der zickzackförmig gefaltet ist, dargestellt. Es ergeben sich Faltungen einer ersten Faltorientierung 5 und Faltungen einer zweiten Faltorientierung 6. Dabei ergeben sich Endfaltenabschnitte 2A, 2B, die zum Beispiel den Endabschnitten 2A, 2B aus der 2 entsprechen. Ferner sind in der 2B Endkanten 4A, 4B angedeutet.
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In einem Folgeschritt, also nach dem Bereitstellen eines Filtermaterialbogens mit Endabschnitten bzw. zickzackförmig gefalteten Filtermaterialbogens mit Endfaltenabschnitten wird, wie in den 3A und 3B dargestellt ist, auf einen Endabschnitt 2A ein fadenförmiger Kunststoffstreifen 7 aufgelegt, der einen festen Zustand hat. Die 3A zeigt den Filtermaterialbogen 3, auf dessen Endabschnitt 2A im Wesentlichen parallel zu der Endkante 4A ein Faden oder ein Band 7 aus Kunststoffmaterial aufgelegt ist. Der Faden kann dabei verschiedene Querschnitte und Dicken haben, die auf die Materialeigenschaften des Filterbogens 3 abgestimmt sind. Es kommen zum Beispiel ovale oder runde Querschnitte in Frage. Das feste Kunststoffmaterial kann auch flach, beispielsweise mit einem eckigen Querschnitt ausgebildet sein, so dass das sich ergebende Kunststoffband sicher und flach an der vorgesehenen Position auf dem Endabschnitt 2A liegt.
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In der 3B ist dargestellt, wie bei einem plissierten oder zickzackförmig gefalteten Filtermaterialbogen der Kunststoffmaterialstreifen, -faden oder -band 7 auf einen Endfaltenabschnitt 2A parallel zur entsprechenden Endkante 4A aufgelegt ist. Im Weiteren sollen nun der zweite Endfaltenabschnitt 2B mit dem ersten Endfaltenabschnitt 2A verklebt werden. Dies erfolgt durch Auflegen des zweiten Endfaltenabschnitts 2B auf den Kunststofffaden 7 und den ersten Endfaltenabschnitt 2A. Alternativ wäre auch denkbar, den zweiten Endfaltenabschnitt 2B definiert auf den Kunststofffaden 7 und den ersten Endfaltenabschnitt 2A einzubringen oder definiert dort zu positionieren.
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In der 4 ist entsprechend dargestellt, wie bei der Variante eines flachen Filtervliesmaterials der Filtermaterialbogen entsprechend umgelegt wird. Analog wird die bei gefalteten Materialbögen verfahren. Somit entsteht eine Abfolge von dem ersten Endabschnitt 2A, dem fadenförmigem festen Kunststoffmaterial 7 und dem zweiten Endabschnitt 2B. Die Endabschnitte 2A, 2B können an dieser Position vorübergehend fixiert werden, um, wie in anschließenden Querschnittsdarstellungen der 5–7 angedeutet ist, fest miteinander verbunden zu werden.
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Um die Lagen bzw. Endabschnitte 2A, 2B miteinander zu verbinden, werden diese mit dem dazwischen liegenden Kunststoffmaterial aufeinander gedrückt und erhitzt.
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Die 5 zeigt im Querschnitt die beiden Endabschnitte 2A, 2B, wobei der in der 5 mit rundem Querschnitt dargestellte Kunststoff-Faden 7 dazwischen liegt. Zum Aufeinanderdrücken werden zum Beispiel zwei gegeneinander wirkende Stempel 8, 9 verwendet. Die 5 zeigt einen unteren Amboss 9 und einen oberen Stempel 8. Die beiden Stempel 8, 9 drücken gegeneinander und halten bei dem in der 5 dargestellten Zustand die Endabschnitte 2A und den Kunststoff-Faden 7. Anschließend wird insbesondere der Kunststoff-Faden 7 erhitzt, wodurch dessen Viskosität abnimmt und ein engeres Zusammendrücken der beiden Endabschnitte 2A, 2B möglich ist.
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In der 6 ist dargestellt, wie das Kunststoffmaterial 7' durch Druck- und Hitzeeinwirkung verformt wird. Zum Beispiel kann der untere Stempel 9 in der Art eines Ambosses ausgestaltet sein und der obere Stempel als Sonotrode. Bei einer Sonotrode werden Ultraschallschwingungen erzeugt, die in das mit der Sonotrode in Kontakt stehende Material eingeprägt werden. Dadurch wird zum Beispiel das Material erhitzt. Insbesondere wird durch Ultraschalleinwirkung das Kunststoffmaterial 7' erhitzt und schmilzt dadurch. Die Verformung durch das Erhitzen und Pressen ist in der 6 angedeutet.
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Durch das Schmelzen gelangt das Kunststoffmaterial 7' mindestens zum Teil auch in das Filtermaterial, welches beispielsweise vlies- oder gewebeförmig ist. Es ergibt sich somit eine Kohäsion oder Verklebung der beiden Materiallagen der Endabschnitte 2A, 2B. Dies ist in der 7 dargestellt, nachdem das Kunststoffmaterial 7'' abgebunden und wieder fest geworden ist. Nach dem Verpressen und Erhitzen der Endabschnitte 2A, 2B und dem Kunststoffmaterial 7'' ist das Kunststoffmaterial auch in das Filtermaterial eingedrungen. Die 7 zeigt in vergrößerter Querschnittsdarstellung die beiden miteinander verklebten Endabschnitte 2A, 2B. Durch die punktierte Darstellung ist angedeutet, dass das Kunststoffmaterial 7'' in beiden Endabschnitte 2A, 2B eingedrungen ist und eine sichere Verklebung hervorruft.
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Die 8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines entsprechend hergestellten Filterelements mit einem plissierten oder zickzackförmigen Medium. Es ergibt sich ein Endlosfaltenbalg 10, bei dem zwei Endabschnitte bzw. Endfaltenabschnitte 2 gemäß den vorhergehend beschriebenen Verfahrensschritten verklebt wurden.
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Die 9 zeigt eine Filtereinrichtung, die beispielsweise als Kraftstofffilter verwendet werden kann, mit einem Filterelement 10, welches durch ein Verfahren, wie hinsichtlich der 2–7 erläutert ist, hergestellt ist. Die Filtereinrichtung bzw. der Kraftstofffilter 11 umfasst ein aus zickzackförmigem Filtermaterial gebildeten Faltenbalg 10, der zwischen zwei Deckeln 12, 13 gehalten ist. Der Faltenbalg 10 entspricht einem Filterelement 10, bei dem zwei Endabschnitte 2 miteinander durch Kunststoff verklebt sind.
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Der obere Deckel 13 ist mit einem Anschluss 16 versehen, der eine Öffnung 17 aufweist. Zu filterndes Fluid kann beispielsweise in Pfeilrichtung 18 in den Innenraum des Faltenbalgs 10 eintreten und durch die Falten des Filtermaterials ausströmen. Selbstverständlich sind weitere Filtereinrichtungen denkbar. Beispielweise kann das Filterelement vollständig in einen Filtertopf eingeführt werden oder auch ein eckiger Balg gebildet werden.
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10 zeigt eine Variante des Verfahrens zum Herstellen eines Filterelementes. Dabei zeigt die 10A einen Querschnitt und die 10B eine perspektivische Ansicht. Der Bereich um die Endfaltenabschnitte oder Endabschnitte 2A, 2B des gefalteten Filtermaterials werden mit rotierenden Rollen 19, 20 einerseits aneinandergehalten und verpresst und andererseits erhitzt. Gleichzeitig erfolgt ein Vorschub oder eine Förderung der Materialabfolge aus Filtermaterial und Hotmelt-Kleber und Filtermaterial parallel entlang einer Endkante 4A, 4B.
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Im Querschnitt der 10A sieht man zwei gegeneinander rotierende Rollen 19, 20. Dazwischen ist auf der linken Seite L eine untere Endabschnittlage 2A, dazwischen Kunststoff-Kleber 7, beispielsweise in Fadenform, und darüber eine zweite Endabschnittlage 2B gezeigt. Diese werden durch die in Pfeilrichtung 22 rotierenden Rollen 19, 20 nach rechts R eingezogen und gefördert. Es ergibt sich somit ein Vorschub in Pfeilrichtung 21. Auf der rechten Seite R sind die Endabschnitte 2A, 2B durch den geschmolzenen und in die Filtermaterialien eingedrungenen Kleber bereits verklebt oder verbunden. Dazu kann eine oder beide Rollen 19, 20 mit einer Heizeinrichtung versehen werden. Alternativ wird beispielsweise die untere Rolle 20 als Ambossrolle verwendet und die obere Rolle 19 als Rotationssonotrode ausgebildet. Die Rotationssonotrode 19 führt zu Ultraschalleinstrahlung im Bereich der Kontaktflächen, der gepunktet mit dem Bezugszeichen 23 versehen ist.
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Die 10B zeigt die Anordnung zur Verwirklichung der Verfahrensvariante in perspektivischer Darstellung. Dabei wird ein Endlosfaltenbalg, wie er in der 8 dargestellt ist, erzeugt. Man erkennt, dass die beiden Endfaltenabschnitte 2A, 2B mit dem dazwischen liegenden Kunststofffaden 7, der im vorderen Bereich noch im festen Zustand ist, durch die beiden Rollen 19, 20 in Pfeilrichtung 21 vorgeschoben wird. Da beispielsweise die obere Rolle 19 als Rotationssonotrode zur Erhitzung des Hotmelt-Fadens 7 ausgestaltet ist, wird der Hotmelt-Faden 7 im Bereich 23 durch die Ultraschalleinwirkung erhitzt und schmilzt.
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Die in der 10 dargestellte Variante des Herstellungsverfahrens schafft eine besonders schnelle aufwandsgünstige Verbindung der Endfaltenabschnitte. Insbesondere, da gleichzeitig das Andrücken, Aufschmelzen des Kunststoffmaterials und das Fördern des fertigen oder halbfertigen Filterelementes 10 gleichzeitig erfolgt, werden Filterelemente sehr rasch gefertigt. Die Variante des Herstellungsverfahrens kann auch als Rollnahtschweißen und als kontinuierliches Verfahren bezeichnet werden.
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Die vorgeschlagenen Varianten des Herstellungsverfahrens haben den Vorteil, dass Material eingespart werden kann, weil der feste Kunststofffaden oder das Kunststoffband besser positioniert und portioniert werden kann. Die Dichtheit der entsprechenden Balgnahtverklebung oder der verklebten Endabschnitte ist besonders zuverlässig, da immer ein durchgängiger Kunststofffaden vorliegt. Ein Abriss, wie beispielsweise bei konventionellen, extrudierten flüssigen Kunststoffmaterialien ist nicht möglich. Es lassen sich viele unterschiedliche Filtermaterialien auf dem vorgeschlagenen Wege miteinander verbinden. Beispielhaft seien Zellulose, Mischgewebe, Vliesmaterialien, oder laminierte Papiere genannt. Die Kombination von festem Kunststofffaden und Filtermaterial kann an die jeweiligen Materialbesonderheiten angepasst werden. Insgesamt ist das Einlegen eines Kunststofffadens präziser und schneller möglich als bei konventionelle Extrudierverfahren.
