DE102015120887A1

DE102015120887A1 - Rotationsschweißen von Polymerkomponenten mit großer Oberfläche oder nicht komplementären Schweißgrenzflächen

Info

Publication number: DE102015120887A1
Application number: DE102015120887.3A
Authority: DE
Inventors: Ingrid A. Rousseau; Yuhei Konagai; Yutaka Yagi
Original assignee: Teijin Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Teijin Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2035-12-03
Also published as: CN105711075A; CN105711075B; US20160176103A1; DE102015120887B4; US9878489B2

Abstract

Es werden Reibschweißanordnungen und Verfahren zum Rotationsschweißen geschaffen, wobei die Komponenten, die verbunden werden, Polymerkomponenten sind. Die für die Polymerkomponenten vorgesehenen Ausführungen ermöglichen die Verwendung von relativ niedrigen Drehzahlen und Drücken, um hochwertige Reibschweißverbindungen inzwischen den Komponenten zu erreichen. Ferner können Polymerkomponenten mit großen Oberflächen mit derartigen Ausführungen erfolgreich reibverschweißt werden. In bestimmten Variationen weist wenigstens eine Polymerkomponente eine Schweißfläche mit mehreren Oberflächenmerkmalen auf, die konkav (z. B. Nuten) oder konvex sind. In anderen Variationen weist die erste Komponente in dem Schweißbereich eine von der zweiten Komponente verschiedene nicht komplementäre Form auf, wobei folglich eine zunehmende fortschreitende Schweißnaht erzeugt wird, die hohe Temperaturen vermeidet, die eine Beschädigung an der Polymerkomponente und der Schweißverbindung verursachen könnten. Derartige Komponentenausführungen sorgen zusätzlich für ein verbessertes Management des überfließenden Materials an der Schweißverbindung.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf verbesserte Werkzeugkomponentenanordnungen und Verfahren zum Reibschweißen von Polymerkomponenten, wie z. B. Rotationsschweißen.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht notwendigerweise Stand der Technik sind.
Reibschweißtechniken einschließlich des Rotationsschweißens können zum Verbinden verschiedener Materialien verwendet werden. Geformte Polymer- oder Kunststoffkomponenten können z. B. über einen Rotationsschweißprozess verbunden oder zusammengebaut werden, wobei Wärme durch mechanische Reibung zwischen einer sich bewegenden Komponente und einer stationären Komponente erzeugt wird. Ein Bereich des Materials, der in der Nähe der Reibungszone erwärmt wird, wird weich und kann verdrängt werden; folglich wird ein geschmolzener Bereich erzeugt, der Materialien sowohl von der sich bewegenden Komponente als auch der stationären Komponente aufweist. Es gibt jedoch Einschränkungen an das herkömmliche Rotationsschweißen von Polymer- oder Kunststoffteilen. Das Bilden einer reibverschweißten Teileanordnung durch Rotationsschweißen ist typischerweise auf die Verwendung von Teilen eingeschränkt, die an der zu verbindenden Grenzfläche kleine Oberflächen und komplementäre Formen aufweisen, z. B. Teile mit zusammenpassenden Verbindungsflächen, die zylinderförmig und zueinander konzentrisch sind. Außerdem ist ein herkömmliches Reibschweißgerät spezialisiert, hohe Drehzahlen und Kräfte auf die Teile auszuüben, um die Grenzfläche effektiv zu schmelzen, wobei es signifikante Gerätekosten und eine signifikante Geräteschulung erfordert.
Polymerteile, die Verbindungsgrenzflächenbereiche mit großen Oberflächen, komplexen Ausführungen, nicht zylinderförmigen und/oder nicht komplementären Formen aufweisen, sind vorher nicht unter Verwendung herkömmlicher Rotationsschweißprozesse verbunden worden. Dies ist auf die intrinsische Form und die intrinsischen Abmessungen derartiger Teile zurückzuführen, was Auswirkungen auf die radiusabhängige Scherung, die Schergeschwindigkeit und deshalb die Viskositätsänderung während des Prozesses hat. Folglich ist es vorher nicht möglich gewesen, das Rotationsschweißen zu verwenden, um Kunststoff- oder Polymerteile, die Grenzflächen mit großen Oberflächen oder Grenzflächen, die nicht zylinderförmig oder anderweitig nicht komplementär sind, aufweisen, zu verbinden. Es würde erwünscht sein, Prozesse und Werkzeuge zu besitzen, die das Rotationsschweißen von Teilen, die Verbindungsgrenzflächenbereiche mit großen Oberflächen oder nicht komplementären Formen aufweisen, fördern, um robuste Reibschweißverbindungen zu bilden. Außerdem würde es ebenfalls vorteilhaft sein, die Fähigkeit zu besitzen, derartige Prozesse bei relativ niedrigen Drehzahlen auf nicht spezialisierten Geräten auszuführen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Schutzumfangs oder aller ihrer Merkmale.
In bestimmten Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung eine Reibschweißanordnung, die eine erste Polymerkomponente umfasst, die eine erste Schweißfläche umfasst, die eine erste Form definiert. In bestimmten Variationen weist die erste Schweißfläche mehrere darin ausgebildete Oberflächenmerkmale auf, wobei jedes jeweilige Oberflächenmerkmal konkav oder konvex ist. In bestimmten Aspekten sind die mehreren Oberflächenmerkmale konkave Merkmale (z. B. Nuten), die in der ersten Schweißfläche ausgebildet sind. Die Reibschweißanordnung umfasst außerdem eine zweite Polymerkomponente, die eine zweite Schweißfläche umfasst, die eine zweite Form definiert. Die Reibschweißanordnung umfasst außerdem eine Reibschweißverbindung, die zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche ausgebildet ist. Eine der ersten Form oder der zweiten Form ist konvex, während die andere konkav ist. Eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente bleibt an einem feststehenden Werkzeug stationär, während die andere der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente während eines Reibschweißprozesses, der die Reibschweißverbindung zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche bildet, an einem sich drehenden Werkzeug drehbar ist. In dieser Weise werden die erste Polymerkomponente und die zweite Polymerkomponente miteinander verbunden, um die Reibschweißanordnung zu bilden.
In anderen Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung eine Reibschweißanordnung, die eine erste Polymerkomponente umfasst, die eine erste Schweißfläche umfasst, die eine erste Form definiert. Die Reibschweißanordnung umfasst außerdem eine zweite Polymerkomponente, die eine zweite Schweißfläche umfasst, die eine zweite Form definiert. Eine der ersten Form oder der zweiten Form ist konvex, während die andere konkav ist. Wenigstens eine der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche weist eine der Reibschweißverbindung entsprechende Oberfläche auf, die größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (etwa 4,7 in²) ist. In bestimmten Aspekten können die erste Form und die zweite Form voneinander verschieden und nicht komplementär oder asymmetrisch in Bezug aufeinander sein. Die Reibschweißanordnung umfasst ferner eine Reibschweißverbindung, die zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche ausgebildet ist. Eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente bleibt an einem feststehenden Werkzeug stationär, während die andere der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente während des Reibschweißens, das die Reibschweißverbindung zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche bildet, an einem sich drehenden Werkzeug drehbar ist.
In noch weiteren Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Reibschweißen. Das Verfahren kann das Drehen einer ersten Polymerkomponente, die eine erste Schweißfläche aufweist, die eine erste Form definiert, mit einer Drehzahl, die kleiner als oder gleich etwa 3.500 Umdrehungen pro Minute (min^–1) ist, umfassen. Das Verfahren umfasst außerdem ferner, die erste Schweißfläche der ersten Polymerkomponente mit einer zweiten Schweißfläche einer zweiten Polymerkomponente, die stationär gehalten wird, während sich die erste Polymerkomponente dreht, in Kontakt zu bringen, um eine Schweißverbindung zwischen der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente zu erzeugen. Eine der ersten Schweißfläche der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Schweißfläche der zweiten Polymerkomponente definiert einen konkaven Bereich, während die andere der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche einen konvexen Bereich definiert.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind lediglich für die Zwecke der Veranschaulichung vorgesehen und sind nicht vorgesehen, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich Veranschaulichungszwecken der ausgewählten Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen, wobei sie nicht vorgesehen sind, um den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
1 zeigt eine beispielhafte herkömmliche Komponentenanordnung eines Rotationschweißwerkzeugs, die einen komplementären Satz von Komponententeilen für einen herkömmlichen Rotationsschweißprozess aufweist, wobei die zu verbindenden Abschnitte der Komponenten zylinderförmige Querschnitte aufweisen und eine konkave oder umgekehrte Kegelform und eine konvexe Kegelform in einem Schweißverbindungsbereich vor dem Bilden der Reibschweißverbindung aufweisen.
2 zeigt eine erste Variation einer reibverschweißten (z. B. rotationsverschweißten) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die eine erste stationäre Komponente und eine zweite drehbare Komponente aufweist. Die erste stationäre Komponente weist eine erste Schweißfläche auf, die einen konkaven Grenzflächenbereich definiert, während die zweite drehbare Komponente eine zweite Schweißfläche aufweist, die einen komplementären konvexen Grenzflächenbereich definiert, die in einem Schweißverbindungs-Grenzflächenbereich zueinander komplementäre Formen sind.
3 zeigt eine Draufsicht oder einen Grundriss einer beispielhaften Schweißfläche für eine reibverschweißte (z. B. rotationsverschweißte) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren, die mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten aufweist, die eine langgestreckte rechteckige Form definieren, die auf einer Schweißfläche ausgebildet ist, die zu einer Drehrichtung senkrecht ist.
4 zeigt eine Draufsicht oder einen Grundriss einer weiteren beispielhaften Schweißfläche für eine reibverschweißte (z. B. rotationsverschweißte) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren, die mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten aufweist, die eine langgestreckte rechteckige Form definieren, die auf einer Schweißfläche ausgebildet ist, die zu einer Drehrichtung senkrecht ist.
5 zeigt eine Draufsicht oder einen Grundriss einer noch weiteren beispielhaften Schweißfläche für eine reibverschweißte (z. B. rotationsverschweißte) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren, die erste mehrere und zweite mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten aufweist, die jeweils eine langgestreckte rechteckige Form definieren, die auf einer Schweißfläche ausgebildet ist, wobei die ersten mehreren Nuten eine erste Länge aufweisen und die zweiten mehreren Nuten eine zweite Länge aufweisen, die kleiner als die erste Länge ist.
6 zeigt eine Draufsicht oder einen Grundriss einer weiteren beispielhaften Schweißfläche für eine reibverschweißte (z. B. rotationsverschweißte) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren, die erste mehrere, zweite mehrere und dritte mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten aufweist, die jeweils eine langgestreckte rechteckige Form definieren, die auf einer Schweißfläche ausgebildet ist. Die ersten mehreren Nuten weisen eine erste Länge auf, die zweiten mehreren Nuten weisen eine zweite Länge auf und die dritten mehreren Nuten weisen eine dritte Länge auf. Die zweite Länge ist kleiner als die erste Länge, während die dritte Länge kleiner als die erste und die zweite Länge ist.
7 zeigt eine Draufsicht oder einen Grundriss einer noch weiteren beispielhaften Schweißfläche für eine reibverschweißte (z. B. rotationsverschweißte) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren, die erste mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten aufweist, die jeweils eine dreieckige Form definieren, die auf einer Schweißfläche ausgebildet ist.
8 zeigt eine Draufsicht oder einen Grundriss einer noch weiteren beispielhaften Schweißfläche für eine reibverschweißte (z. B. rotationsverschweißte) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren, die erste mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten aufweist, die jeweils eine viereckige Form auf einer Schweißfläche definieren.
9 zeigt eine weitere Variation einer reibverschweißten (z. B. rotationsverschweißten) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die eine erste stationäre Komponente und eine zweite drehbare Komponente aufweist. Die erste stationäre Komponente weist eine erste Schweißfläche auf, die einen konkaven Grenzflächenbereich definiert, während die zweite drehbare Komponente eine Schweißfläche aufweist, die einen konvexen Grenzflächenbereich definiert, die zu einer Rotationsachse symmetrisch sind. Die durch die erste und die zweite Schweißfläche definierten jeweiligen Formen sind zueinander nicht komplementäre oder asymmetrische Formen.
10 ist eine ausführliche Schnittansicht nach 9, die einen Schweißverbindungs-Grenzflächenbereich zeigt, wenn eine Schweißverbindung durch Rotationsschweißen gebildet wird.
11 ist eine Schnittansicht der zweiten drehbaren Komponente nach 9.
12 zeigt einen Grundriss oder eine Draufsicht der zweiten drehbaren Komponente in den 9 und 11.
13 zeigt eine noch weitere Variation einer reibverschweißten (z. B. rotationsverschweißten) Werkzeug- oder Komponentenanordnung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die eine erste stationäre Komponente und eine zweite drehbare Komponente aufweist. Die erste stationäre Komponente weist eine erste Schweißfläche auf, die einen konkaven Grenzflächenbereich definiert, während die zweite drehbare Komponente eine zweite Schweißfläche aufweist, die einen konvexen Grenzflächenbereich definiert, wobei die durch die erste und die zweite Schweißfläche definierten jeweiligen Formen komplementär sind. Die zweite drehbare Komponente veranschaulicht eine beispielhafte Ausführung mit den Nutabmessungen für die Schweißfläche.
14 zeigt einen Grundriss der drehbaren Komponente wie in 13, die mehrere Nuten aufweist, die auf der Schweißfläche ausgebildet sind.
Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den mehreren Ansichten der Zeichnungen entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es sind beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung umfassend ist und den Schutzumfang vollständig zu den Fachleuten auf dem Gebiet übermittelt. Es sind zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, wie z. B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu schaffen. Es ist für die Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass spezifische Einzelheiten nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen verkörpert sein können und dass sie auch nicht ausgelegt werden sollten, um den Schutzumfang der Offenbarung einzuschränken. In einigen beispielhaften Ausführungsformen sind wohlbekannte Prozesse, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens bestimmter beispielhafter Ausführungsformen, wobei nicht vorgesehen ist, dass sie einschränkend ist. Es ist vorgesehen, dass die Einzahlformen ”ein”, ”eine” und ”der/die/das”, wie sie hier verwendet werden, ebenso die Mehrzahlformen enthalten, wenn es der Kontext nicht deutlich anders angibt. Die Begriffe ”umfassen”, ”umfassend”, ”enthaltend” und ”aufweisend” sind inklusiv, wobei sie deshalb das Vorhandensein der dargelegten Merkmale, ganze Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber das Vorhandensein oder die Ergänzung eines oder mehrerer anderer Merkmale, einer oder mehrerer anderer ganzer Zahlen, eines oder mehrerer anderer Schritte, einer oder mehrerer anderer Operationen, eines oder mehrerer anderer Elemente, einer oder mehrerer anderer Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise ihre Ausführung in der erörterten oder veranschaulichten speziellen Reihenfolge erfordern, wenn sie nicht spezifisch als eine Reihenfolge der Ausführung spezifiziert ist. Es wird außerdem erkannt, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als ”auf”, ”im Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem weiteren Element oder einer weiteren Schicht bezeichnet wird, dann kann es bzw. sie direkt auf, in Eingriff mit, verbunden mit oder gekoppelt mit dem anderen Element oder der anderen Schicht sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz ein Element als ”direkt auf”, ”direkt im Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem weiteren Element oder einer weiteren Schicht bezeichnet wird, dann können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer ähnlichen Weise interpretiert werden (z. B. ”zwischen” gegen ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegen ”direkt benachbart” usw.). Der Begriff ”und/oder”, wie er hier verwendet wird, enthält irgendwelche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der zugeordneten aufgelisteten Elemente.
Obwohl die Begriffe erster, zweiter, dritter usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe können lediglich verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem weiteren Bereich, einer weiteren Schicht oder einem weiteren Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie z. B. ”erster”, ”zweiter” und andere numerische Begriffe, wenn sie hier verwendet werden, implizieren keine Folge oder Reihenfolge, wenn es nicht durch den Kontext deutlich angegeben ist. Folglich könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, der, die bzw. das im Folgenden erörtert wird, als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen. Räumlich relative Begriffe wie z. B. ”innerer”, ”äußerer”, ”unter”, ”unterhalb”, ”tiefer”, ”oberhalb”, ”oberer” und dergleichen können hier für die Leichtigkeit der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder eines Merkmals zu einem anderen Element(en) oder einem anderen Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht ist. Räumlich relative Begriffe können vorgesehen sein, um zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung verschiedene Orientierungen der Vorrichtung in Gebrauch oder in Betrieb einzuschließen. Falls z. B. die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden die Elemente, die als ”unterhalb” der oder ”unter” den anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, dann ”oberhalb” der anderen Elemente oder Merkmale orientiert sein. Folglich kann der beispielhafte Begriff ”unterhalb” eine Orientierung sowohl oberhalb als auch unterhalb einschließen. Die Vorrichtung kann anderweitig orientiert (90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen) sein, wobei die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren entsprechend interpretiert werden. Es sollte für jede Darstellung eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, einer Vorrichtung oder eines Systems, die bzw. das bestimmte Schritte, Bestandteile oder Merkmale ”umfasst”, erkannt werden, dass in bestimmten alternativen Variationen außerdem in Betracht gezogen wird, dass ein derartiges Verfahren, eine derartige Zusammensetzung, eine derartige Vorrichtung oder ein derartiges System außerdem ”im Wesentlichen aus” den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Merkmalen ”bestehen” kann, so dass irgendwelche anderen Schritte, Bestandteile oder Merkmale, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften der Erfindung materiell ändern würden, davon ausgeschlossen sind.
Überall in dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte angenäherte Maße oder Grenzen für Bereiche, um unbedeutende Abweichungen von den gegebenen Werten und sowohl die Ausführungsformen, die etwa den erwähnten Wert aufweisen, als auch jene, die den erwähnten Wert genau aufweisen, einzuschließen. Anders als in den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Arbeitsbeispielen sind alle numerischen Werte der Parameter (z. B. der Größen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung einschließlich der beigefügten Ansprüche so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff ”etwa” modifiziert sind, ob ”etwa” tatsächlich vor dem numerischen Wert erscheint oder nicht. ”Etwa” gibt an, dass der dargelegte numerische Wert irgendeine leichte Ungenauigkeit erlaubt (mit irgendeiner Annäherung an die Exaktheit in dem Wert; ungefähr oder ziemlich nah bei den Wert; fast). Falls die durch ”etwa” geschaffene Ungenauigkeit in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann gibt ”etwa”, wie es hier verwendet wird, wenigstens Variationen an, die sich aus den gewöhnlichen Verfahren zum Messen und Verwenden derartiger Parameter ergeben können.
Außerdem enthält die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs einschließlich der Endpunkte und der Unterbereiche, die für die Bereiche angegeben sind. Die Offenbarung irgendwelcher Bereiche bezieht sich auf die erörterten spezifischen Ausführungsformen, die beispielhaft sind, wobei das Modifizieren der Komponente oder der Form und der Größe des Teils irgendwelche aufgelisteten Bereiche der Werte beeinflussen kann, wie durch die Fachleute auf dem Gebiet erkannt wird.
Nun werden beispielhafte Ausführungsformen bezüglich der beigefügten Zeichnung vollständiger beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung schafft neue Verfahren und Werkzeuge zum Reibschweißen, insbesondere zum Rotationsschweißen, um Polymerteile, die große Oberflächen und/oder komplexe, nicht komplementäre oder asymmetrische Formen der Verbindungsgrenzflächenbereiche aufweisen, zu verbinden. Als Hintergrund zeigt 1 eine beispielhafte herkömmliche Komponentenanordnung 20 eines Rotationsschweißwerkzeugs. Eine erste Komponente 22 kann stationär gehalten sein, während eine zweite Komponente 24 drehbar ist und folglich um eine Achse 30 gedreht werden oder rotieren kann. Insbesondere werden als ein Anfangsschritt die erste Komponente 22 und die zweite Komponente 24 vor dem Beginnen des Rotationsschweißens im Wesentlichen entlang der Achse 30 angeordnet oder auf die Achse 30 ausgerichtet. Die erste Komponente 22 definiert einen konkaven Grenzflächenbereich 32, der eine erste kegelförmige Oberfläche 34 definiert, während die zweite Komponente 24 einen komplementären konvexen Grenzflächenbereich 36 definiert, der eine zweite kegelförmige Oberfläche 38 definiert. Folglich definieren sowohl die erste Komponente 22 als auch die zweite Komponente 24 komplementäre oder zusammenpassende Abschnitte entlang der ersten kegelförmigen Oberfläche 34 des konkaven Grenzflächenbereichs 32 und der zweiten kegelförmigen Oberfläche 38 des konvexen Grenzflächenbereichs 36, die an einer Schweißverbindungsgrenzfläche 26 miteinander verbunden werden, wo die Reibschweißverbindung dazwischen gebildet wird.
Spezifischer definiert die erste kegelförmige Oberfläche 34 des konkaven Grenzflächenbereichs 32 eine umgekehrte Kegelform, während die zweite kegelförmige Oberfläche 38 des konvexen Grenzflächenbereichs 36 eine Kegelform definiert, von denen beide um die Achse 30 vollständig symmetrisch sind. Die Formen des komplementären Kegels/umgekehrten Kegels des kegelförmigen konkaven Grenzflächenbereichs 32 und des konvexen Grenzflächenbereichs 36 sind entworfen, um im Wesentlichen aneinander zu passen und miteinander verbunden zu werden, wenn die erste Komponente 22 mit der zweiten Komponente 24 in Kontakt gebracht und mit der zweiten Komponente 24 verbunden wird. Entsprechend weisen die Formen des komplementären Kegels/umgekehrten Kegels insofern zueinander symmetrische oder komplementäre Formen auf, als sie die gleiche Form definieren. Weil die herkömmliche Komponentenanordnung 20 des Rotationsschweißwerkzeugs um die Achse 30 vollständig symmetrisch ist, sind die konkave erste kegelförmige Oberfläche 34 des konkaven Grenzflächenbereichs 32 und die konvexe zweite kegelförmige Oberfläche 38 des konvexen Grenzflächenbereichs 36 spezifisch dafür ausgelegt, um durch einen Prozess des Rotationsschweißens miteinander reibverschweißt zu werden.
Die Rotationsschweißsysteme enthalten folglich typischerweise zwei Werkzeuge (zum Halten der ersten und der zweiten Komponente, die reibverschweißt werden sollen). Ein Werkzeug ist feststehend, um die stationäre Komponente an der Stelle zu halten, während das andere Werkzeug die Drehung der sich drehenden Komponente schafft. Durch das sich drehende Werkzeug kann während des Rotationsschweißprozesses ein Druck auf die Komponenten ausgeübt werden. Vor dem Schweißen wird eine der Komponenten an dem sich drehenden Werkzeug befestigt. Die an dem sich drehenden Werkzeug befestigte Komponente wird dann durch einen Motor zu einer hohen Rotationsgeschwindigkeit beschleunigt. Sobald sie sich mit einer geeigneten Drehzahl dreht, werden die zu verbindenden Komponenten in Kontakt gebracht und zusammen gezwungen, was die Erwärmung fördert. Sobald die Materialien festgeworden und erstarrt sind, ist folglich eine Schweißverbindung ausgebildet.
Es gibt mehrere verschiedene Typen des Rotationsschweißens. Ein Typ ist ein Rotationsschweißprozess mit konstanter Drehzahl. Ein derartiger Prozess kann ein Direktantrieb-Reibschweißen sein, bei dem die Energie durch einen Elektromotor, der mit einer Maschinenspindel, die mit dem sich drehenden Werkzeug verbunden ist, direkt verbunden ist, dem System bereitgestellt wird. Die Energie wird auf die aneinandergrenzenden Materialien angewendet, bis eine vorgegebene Wärmemenge oder ein vorgegebener plastischer Zustand in der Reibungszone erreicht ist. Die Drehzahl kann während eines ausgewählten Zeitraums und/oder einer ausgewählten Strecke konstant gehalten werden, wenn der Druck variiert wird. Wenn der gewünschte plastische Zustand erreicht ist, wird die sich drehende Komponente gestoppt und wird eine Schmiedebelastung ausgeübt, um den Verbindungsprozess abzuschließen, was bewirkt, dass die Teile in eine Anordnung verschweißt werden. Im Vergleich zu dem Reibschweißen mit variabler Drehzahl tritt bei dem Direktantrieb-Reibschweißen typischerweise eine größere Gesamtwärme auf, was die Abkühlgeschwindigkeit verlangsamen kann, was zu etwas längeren Zykluszeiten für das Direktantrieb-Reibschweißen führt.
In anderen Aspekten kann das Reibschweißen alternativ ein Prozess mit variabler Drehzahl sein. Ein derartiger Prozess ist das Schwungradreibschweißen, bei dem die Energie durch die kinetische Energie bereitgestellt werden kann, die in einem rotierenden System oder einer rotierenden Masse gespeichert ist. Folglich werden die spezifischen Parameter der Masse/des Gewichts, der Drehzahl und des Drucks verwendet, um den Anforderungen der Schweißverbindung zu entsprechen. Vor dem Schweißen wird eine der Komponenten (die sich drehende Komponente) an einem sich drehenden Werkzeug befestigt, das einem Schwungrad mit einem vorgegebenen Gewicht zugeordnet sein kann. Die an dem sich drehenden Werkzeug befestigte Komponente wird dann über einen Motor zu einer hohen Rotationsgeschwindigkeit beschleunigt, um Energie in dem Schwungrad zu speichern. Sobald sie mit einer Solldrehzahl rotiert, wird der Motor ausgerückt, wobei die zu verbindenden Komponenten miteinander in Kontakt gebracht und zusammengezwungen werden. Wenn die Solldrehzahl erreicht ist, wird kinetische Energie in das sich frei drehende Teil übertragen. Es wird ein konstanter Schmiededruck ausgeübt, bis ein plastischer Zustand erreicht ist. Aufgrund des gesteuerten ausgeübten Drucks stoppt die Drehung, wenn die Soll-Gesamtverschiebungslänge des Materials (z. B. die Stauchung) erreicht ist. Nachdem die relative Drehung zwischen den Komponenten gestoppt ist, wird eine Kontaktkraft auf den Komponenten gehalten, wobei dadurch ermöglicht wird, dass die Schweißverbindung fest wird oder erstarrt. Die Drehzahlen sind für das Schwungradreibschweißen normalerweise höher als für das Direktantrieb-Reibschweißen. Die Mehrheit der Gesamtverschiebung kommt im Vergleich dazu, über die Mitte bis zum Ende des Schweißzyklus verteilt zu sein, genau am Ende des Schweißzyklus.
In 1 sind ungeachtet dessen, ob herkömmliche Rotationsreibschweißsysteme mit konstanter Drehzahl oder mit variabler Drehzahl verwendet werden, die erste Komponente 22 und die zweite Komponente 24 der herkömmlichen Komponentenanordnung 20 des Rotationsschweißwerkzeugs Teile, die einen zylinderförmigen Querschnitt und eine relativ kleine Oberfläche aufweisen müssen, wo sie über Reibschweißen verbunden werden sollen (was entweder durch den konkaven Grenzflächenbereich 32 oder den konvexen Grenzflächenbereich 36 definiert ist). Mit der relativ kleinen Oberfläche ist in bestimmten Aspekten gemeint, dass die Oberfläche irgendeiner Schweißfläche der zu verbindenden Komponenten in dem Verbindungsgrenzflächenbereich kleiner als 3.000 mm² (4,7 Zoll²) sein kann.
In bestimmten Aspekten zieht die vorliegende Offenbarung das Rotationsverschweißen von zwei Polymerteilen miteinander in Betracht, wobei die Oberfläche der Schweißfläche, die dem entspricht, wo die Schweißverbindung gebildet wird (in dem Bereich der zu verbindenden Komponente), eine relativ große Oberfläche ist. Mit großer Oberfläche ist in bestimmten Aspekten gemeint, dass die Oberfläche irgendeiner Schweißfläche der Komponente an dem Verbindungsgrenzflächenbereich größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (etwa 4,7 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 3.225 mm² (etwa 5 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 4.000 mm² (etwa 6,2 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 5.000 mm² (etwa 7,8 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 6.000 mm² (etwa 9,3 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 7.000 mm² (etwa 10,9 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 8.000 mm² (etwa 12,4 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 9.000 mm² (etwa 14 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 10.000 mm² (etwa 15,5 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 12.000 mm² (etwa 18,6 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 15.000 mm² (etwa 23,3 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 17.000 mm² (etwa 26,4 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 20.000 mm² (etwa 31 Zoll²) und in bestimmten Variationen optional größer als oder gleich etwa 22.500 mm² (etwa 35 Zoll²) sein kann. In bestimmten Variationen kann die Oberfläche einer Schweißfläche größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (etwa 4,7 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 22.500 mm² (etwa 35 Zoll²), optional größer als oder gleich etwa 3.225 mm² (etwa 5 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) und in bestimmten Variationen optional größer als oder gleich etwa 6.500 mm² (etwa 10 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) sein.
2 zeigt eine erste Variation einer reibverschweißten (z. B. rotationsverschweißten) Werkzeug- oder Komponentenanordnung 50 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Eine erste Komponente 52 kann stationär sein, wobei sie in 2 gezeigt ist. Eine zweite Komponente 54 ist drehbar und rotiert um eine Achse 60. Die erste Komponente 52 definiert einen konkaven Grenzflächenbereich 62, der eine erste Schweißfläche 64 definiert, während die zweite Komponente 54 einen komplementären konvexen Grenzflächenbereich 66 definiert, der eine zweite Schweißfläche 68 definiert. Die erste Komponente 52 und die zweite Komponente 54 definieren folglich jede jeweils komplementäre oder zusammenpassende Abschnitte entlang der ersten Schweißfläche 64 des konkaven Grenzflächenbereichs 62 und der zweiten Schweißfläche 68 des konvexen Grenzflächenbereichs 66, die an einer Schweißverbindungsgrenzfläche 56 miteinander verbunden werden, wo die Reibschweißverbindung dazwischen gebildet wird. In der gezeigten Variation definieren der konkave Grenzflächenbereich 62 und der konvexe Grenzflächenbereich 66 zusammen symmetrische Formen, die zueinander komplementär oder konzentrisch sind und die bezüglich einer Drehachse symmetrisch sind, wie im Folgenden weiter erörtert wird.
Sowohl die erste als auch die zweite Komponente 52, 54 können aus einem Polymermaterial ausgebildet sein. In bestimmten Variationen kann das Polymer ein thermoplastisches Polymer sein, das unter der Reibungswärme weich werden und folglich die geschmolzene und verbundene Verbindung bilden kann. Das thermoplastische Polymer kann aus irgendeiner Art eines thermoplastischen Harzes ausgebildet sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das thermoplastische Polymer enthalten: Vinylchlorid-Harz, Vinylidenchlorid-Harz, Vinylazetat-Harz, Polyvinylalkohol-Harz, Polystyrol-Harz, Acrylnitrilstyrol-Harz, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harz, Akrylharz, Methacrylat-Harz, Polyethylen-Harz, Polypropylen-Harz, Polyamid-Harz (PA6, PA11, PA12, PA46, PA66, PA610), Polyacetal-Harz, Polycarbonat-Harz, Polyethylenterephthalat-Harz, Polyethylennaphthalat-Harz, Polybutylenterephthalat-Harz, Polyacrylat-Harz, Polyphenylenether-Harz, Polyphenylensulfid-Harz, Polysulfon-Harz, Polyethersulfon-Harz, Polyetherketon-Harz, Polylactid-Harz oder irgendeine Kombination oder irgendein Copolymer dieser Harze.
In bestimmten Aspekten ist die Polymerkomponente ein Polymer-Verbundwerkstoff, der eine Polymermatrix und ein Verstärkungsmaterial umfasst, wie z. B. mehrere darin verteilte Verstärkungspartikel oder -fasern. In bestimmten Aspekten kann ein Polymer-Verbundwerkstoff als ein nicht einschränkendes Beispiel mehrere Kohlefasern, Glasfasern oder Ruß als das Verstärkungsmaterial enthalten. In bestimmten Aspekten kann ein faserverstärkter Verbundwerkstoff irgendeiner der faserverstärkten Verbundwerkstoffe sein, die in den US-Patentveröffentlichungen Nrn. 2013/0122262 und 2013/0272780 , den internationalen PCT-Veröffentlichungen Nrn. WO 2012/117593 , WO 2012/105716 , WO 2012/102315 , WO 2012/105387 , WO 2012/105389 , WO 2012/105717 , WO 2012/108446 und WO 2012/140793 offenbart sind, von denen jede in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Besonders geeignete faserverstärkte Verbundwerkstoffe für die Verwendung als Werkzeuge oder Komponenten gemäß der vorliegenden Offenbarung sind in der internationalen PCT-Veröffentlichung Nr. WO 2012/105080 und in der US-Patentanmeldung, laufende Nr. 14/056,656, eingereicht am 21. Oktober 2013, mit dem Titel ”Carbon Fiber Cross Member for Automotive Chassis Structure” beschrieben, von denen jede in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Folglich können in bestimmten Variationen geeignete faserverstärkte Verbundwerkstoffe ein thermoplastisches Polymer, das mit einem Verstärkungsmaterial, wie z. B. einem Kohlefasermaterial, verstärkt ist, umfassen. Die Fasern (z. B. die Kohlefasern) können als Fasermatten vorgesehen sein, die untereinander verbundene oder sich untereinander in Kontakt befindliche Fasern aufweisen, oder können zufällig verteilte einzelne Fasern innerhalb der Harzmatrix sein. Geeignete Fasern können Fasern mit relativ kurzer Länge (die Längen von ≥ etwa 0,1 mm bis ≤ etwa 10 mm aufweisen), Fasern mit relativ langer Länge (die Längen von ≥ etwa 10 mm bis ≤ etwa 100 mm aufweisen) oder kontinuierliche Fasern (die Längen von ≥ etwa 100 mm aufweisen) enthalten und können irgendwelche Kombinationen daraus enthalten. Die Fasern mit langer Länge schaffen einen guten Ausgleich der Formbarkeit/Produktivität/mechanischen Leistung. Die Fasern können ebenso zerkleinert sein.
Die Fasern oder die anderen Verstärkungen innerhalb des Verbundwerkstoffs können in einer zufällig orientierten Weise, z. B. in einer im Wesentlichen zweidimensionalen zufällig orientierten oder einer in einer spezifischen Richtung orientierten Weise konfiguriert sein. In bestimmten Variationen können geeignete faserverstärkte Verbundwerkstoffe ein thermoplastisches Polymer umfassen, das ein Verstärkungsmaterial umfasst, das mit einer im Wesentlichen dreidimensionalen Zufallsorientierung verteilt ist. Derartige Verbundwerkstoffe können durch Spritzgießen des Harzes mit dem Verstärkungsmaterial gebildet werden, um den Verbundwerkstoff zu bilden. In anderen Aspekten können derartige verstärkte Verbundwerkstoffe durch Formpressprozesse gebildet werden.
In bestimmten Variationen kann eine Fasermatte, die Kohlefasern umfasst, mit im hohen Grade planar orientierten oder unidirektional orientierten Fasern oder einer Kombination daraus verwendet werden. Die Fasermatte kann eine zufällig orientierte Faser für einen guten Ausgleich der Formbarkeit/Produktivität/mechanischen Leistung aufweisen. In bestimmten Variationen kann eine Zufalls-Kohlefasermatte als eine Vorform eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs, der geformt ist, verwendet werden. Die Zufallsmatte kann Verstärkungs-Kohlefasern, die eine durchschnittliche Faserlänge von größer als oder gleich etwa 3 mm bis kleiner als oder gleich etwa 100 mm aufweisen, und ein thermoplastisches Harz enthalten. Eine derartige Zufalls-Kohlefasermatte ist in der oben erörterten WO 2012/105080 weiter beschrieben. Außerdem kann eine unidirektional orientierte Kohlefaserschicht enthalten sein, um die lokale Steifigkeit und Festigkeit zu vergrößern.
In bestimmten Variationen kann der faserverstärkte Verbundwerkstoff ein Verstärkungsmaterial umfassen, das mit einem Polymer oberflächenmodifiziert oder aufpolymerisiert ist, wie z. B. ein copolymerisiertes Polyolefin, das an einer Oberfläche der Kohlefasern angebracht ist. Das copolymerisierte Polyolefin kann als ein nicht einschränkendes Beispiel eine aromatische Vinylverbindung und eine Säure und/oder ein Säureanhydrid als die Copolymerisationskomponenten enthalten.
Wie durch die Fachleute auf dem Gebiet erkannt wird, kann der verstärkte Verbundwerkstoff ferner andere herkömmliche Bestandteile enthalten, einschließlich anderer Verstärkungsmaterialien, funktionaler Füllstoffe oder additiver Agenzien, wie organische/anorganische Füllstoffe, Feuerschutzmittel, Antiultraviolettstrahlungs-Agenzien (UV-Stabilisatoren), Antioxidantien, Farbstoffe, Trennmittel für Formen, Weichmacher, Plastifizierungs-Agenzien, oberflächenaktive Stoffe und dergleichen. Der Polymer-Verbundwerkstoff kann eine faserverstärkte Schicht und eine Harzschicht, die zusammen laminiert sind, enthalten. Derartige faserverstärkte Verbundwerkstoffe können aus einem Formpressprozess hergestellt werden. In bestimmten bevorzugten Aspekten wird jedoch die Polymerkomponente oder die Polymer-Verbundkomponente durch einen Spritzgussprozess gebildet.
In 2 weist der konkave Grenzflächenbereich 62 eine umgekehrte konkave Halbkugelform für die erste Schweißfläche 64 auf. Die zweite Komponente 54 definiert eine konvexe Halbkugelform als den komplementären konvexen Grenzflächenbereich 66, der eine zweite Schweißfläche 68 definiert. In verschiedenen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung im Allgemeinen das Rotationsschweißen einer ersten Komponente, die einen ausgesparten Bereich irgendeiner Form oder einen konvexen Bereich aufweist, der eine erste Form definiert, und einer zweiten Komponente, die einen vorstehenden Bereich irgendeiner Form oder eine konkave Form aufweist, der in den ausgesparten Bereich der ersten Komponente aufgenommen werden kann und die folglich an einer Schweißverbindungsgrenzfläche miteinander verschweißt werden können. Folglich sind in der in 2 gezeigten Variation die konkave Halbkugelform der ersten Schweißfläche 64 und die konvexe Halbkugelform der zweiten Schweißfläche 64 insofern komplementär konzentrisch, als sie die gleiche Rotationsachse gemeinsam benutzen, und symmetrisch oder komplementär zueinander. Die komplementären Formen oder die komplementären Teilformen der Schweißfläche können als nicht einschränkendes Beispiel konvexe und konkave Kugeln, Halbkugeln, Scheiben, Ellipsoide, Halbellipsoide, Tori, Kegel oder Stäbe/Zylinder enthalten. In bestimmten Variationen kann eine durch die Schweißflächen der Komponenten, die an der Schweißverbindungsgrenzfläche zu verbinden sind, definierte Form konvexe und konkave ”im Wesentlichen runde Formen” einschließlich der Formen oder Abschnitte von Formen wie Kugeln (z. B. halbkugelförmig), Sphäroiden, Ellipsoiden (z. B. halbellipsenförmig), Zylindern, Globen, Kreisringen, Tori, Scheiben, Scheibenförmigen, Kuppeln, eiförmig, Ellipsen, Himmelskörpern und dergleichen sein. Es wird angegeben, dass nur die zu verbindenden Schweißgrenzflächen-Oberflächen die Form definieren können, während ein Rest des Teils eine derartige Form aufweisen oder nicht aufweisen kann, wobei folglich abgeschnittene oder teilweise Formen definiert sind. Folglich können die Komponenten, die über Reibschweißen gemäß der vorliegenden Offenbarung miteinander zu verbinden sind, irgendeine Form aufweisen. Ferner können die Formen der Schweißgrenzflächen-Oberfläche komplex sein, wobei sie nicht notwendigerweise auf herkömmliche Formen oder Ausführungen eingeschränkt sind.
In bestimmten Variationen ist die erste Form des ersten Grenzflächenbereichs zu der zweiten Form des zweiten Grenzflächenbereichs der beiden Komponenten, die durch Reibschweißen zu verbinden sind, symmetrisch, konzentrisch und komplementär (z. B. konkave und konvexe komplementäre Formen). In anderen Variationen ist jedoch die erste Form des ersten Grenzflächenbereichs nicht komplementär und asymmetrisch und/oder von der zweiten Form des zweiten Grenzflächenbereichs der beiden Komponenten, die durch Reibschweißen zu verbinden sind, verschieden. Die erste und die zweite Form können aus den oben beschriebenen veranschaulichenden Formen unabhängig ausgewählt werden. Die erste Form kann z. B. als nicht einschränkendes Beispiel ellipsoidförmig oder halbellipsoidförmig sein, während die zweite Form kugelförmig oder halbkugelförmig sein kann. Selbst wenn die erste Form und die zweite Form nicht komplementär sind, sind sie immer noch konzentrisch und benutzen sie immer noch die gleiche Drehachse, wobei sie folglich das Rotationsschweißen ermöglichen.
Spezifischer definiert die erste Schweißfläche 64 des konkaven Grenzflächenbereichs 62 eine umgekehrte Halbkugelform, während die zweite Schweißfläche 68 des konvexen Grenzflächenbereichs 66 eine Halbkugelform definiert, die jeweils um die Achse 60 vollständig symmetrisch sind. Die sich drehende zweite Komponente 54 rotiert oder dreht sich in einer Rotationsrichtung (die als entgegen dem Uhrzeigersinn gezeigt ist, die aber im Uhrzeigersinn sein könnte) um die Achse 60. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die komplementären Halbkugelformen des konkaven Grenzflächenbereichs 62 und des konvexen Grenzflächenbereichs 66 entworfen, um im Wesentlichen aneinander zu passen und miteinander verbunden zu werden (z. B. einen vollständigen Kontakt entlang der ersten Schweißfläche 64 des konkaven Grenzflächenbereichs 62 und der zweiten Schweißfläche 68 des konvexen Grenzflächenbereichs 66 herzustellen), wenn die erste Komponente 52 mit der zweiten Komponente 54 verbunden wird. Es sollte erkannt werden, dass die Formen der ersten Schweißfläche 64 und der zweiten Schweißfläche 68 nicht auf die in 2 gezeigte Form eingeschränkt sind, sondern dass vielmehr verschiedene unterschiedliche Formen in Betracht gezogen werden, solange wie sie symmetrisch zueinander sind. Insbesondere ist folglich die rotationsverschweißte Werkzeugkomponentenanordnung 50 in der in 2 gezeigten Ausführungsform um die Achse 60 symmetrisch, wobei die konkave erste Schweißfläche 64 des konkaven Grenzflächenbereichs 62 und die konvexe zweite Schweißfläche 68 des konvexen Grenzflächenbereichs 66 spezifisch angepasst sind, um durch einen Prozess des Rotationsschweißens miteinander reibverschweißt zu werden.
Wie gezeigt ist, ist die zweite Komponente 54 um einen Einsatz 70 (z. B. eine Spindel oder einen Stab) geformt worden. Folglich definiert die erste Komponente 52 einen Hohlraum 72 zum Aufnehmen des Einsatzes 70 der zweiten Komponente 54, wenn der Rotationsschweiß-Verbindungsprozess stattfindet. Der Einsatz 70 ist optional, wobei er jedoch verwendet werden kann, um die Drehung der zweiten Komponente 54 innerhalb der sich drehenden Werkzeuganordnung zu fördern. Alternativ kann das Werkzeug zum Halten der zweiten Komponente 54 modifiziert sein, um die zweite Komponente 54 während des Rotationsschweißens zu halten und zu drehen. Nach dem Rotationsschweißen ist zwischen der ersten Komponente 52 und der zweiten Komponente 54 entsprechend der Schweißverbindung in dem Grenzflächenbereich 56, wo die Materialien weich geworden und geschmolzen sind, um eine robuste Verbindung zwischen der ersten Schweißfläche 64 des konkaven Grenzflächenbereichs 62 und der zweiten Schweißfläche 68 des konvexen Grenzflächenbereichs 66 zu erzeugen, ein verschweißter Bereich 74 ausgebildet. In bestimmten Aspekten kann eine beispielhafte Schweißverbindung 56 (z. B. eine Kollapszone oder Schmelzzone des Schweißens), wenn die geeigneten Polymerkomponenten verbunden werden, eine durchschnittliche Breite aufweisen, die größer als oder gleich etwa 0,5 mm oder kleiner als oder gleich 3 mm ist.
Während des Rotationsschweißens in einer Ausführungsform wie der, die in 2 gezeigt ist, befinden sich sowohl die Oberfläche der ersten Schweißfläche 64 als auch die Oberfläche der zweiten Schweißfläche 68 während eines Schweißzyklus des Rotationsschweißprozesses zur gleichen Zeit in Kontakt miteinander, wenn die erste Schweißfläche 64 (der ersten Komponente 52) und die zweite Schweißfläche 68 (der zweiten Komponente 54) glatt sind. Ein derartiger ausgedehnter Kontakt erfordert Scherkräfte, die sich mit dem Durchmesser der Schweißgrenzfläche ändern (die Scherkräfte sind z. B. für kleinere Radien höher). Bei den kleineren Radien sind höhere Scherkräfte erforderlich, wobei sie folglich hohe Drehzahlen erfordern, die zu einem ungleichmäßigen Schweißen über der Oberfläche führen können. Ein begrenzender Faktor für das Rotationsschweißen erfordert typischerweise Teile, die eine kleine Oberfläche und einen kleinen Radius aufweisen). Selbst bei derartigen kleinen Radien und Oberflächen sind spezialisierte Geräte erforderlich, um derartige hohe Drehzahlen, Scherkräfte und einen derartigen hohen ausgeübten Druck zu erreichen. Außerdem bleibt in herkömmlichen Systemen, in denen die zu verbindenden Oberflächen glatt sind, überfließendes Material (geschmolzenes Material, das durch die Wärme von der Reibung erzeugt wird) an der Schweißnaht innerhalb der Schweißverbindungs-Grenzflächenbereiche enthalten, wobei Luft eingeschlossen sein kann, die potentiell eine fehlerhafte Schweißverbindung/Verbindung hervorbringen kann. Außerdem könnte sich eine vorzeitige Verschlechterung des Polymers ergeben. Derartige Probleme werden signifikant problematischer, wenn die Oberflächen der Schweißflächen relativ groß sind.
Folglich weist gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung wenigstens eine der Schweißflächen an der Schweißverbindungsgrenzfläche mehrere darin ausgebildete Oberflächenmerkmale auf, wobei jedes entsprechende Oberflächenmerkmal konkav oder konvex ist. In bestimmten Aspekten sind die mehreren Oberflächenmerkmale konkave Oberflächenmerkmale (z. B. Nuten), die in der ersten Schweißfläche ausgebildet sind. In anderen alternativen Variationen können die mehreren Oberflächenmerkmale konvex (z. B. Vorsprünge) sein, die als Energierichtungsgeber dienen.
In bestimmten Variationen ist die erste Schweißfläche insofern mit einem konkaven Oberflächenmerkmal gemustert, als sie wenigstens einen darin ausgebildeten Kanal oder wenigstens eine darin ausgebildete Nut aufweist. Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung unterstützen es die konkaven Oberflächenmerkmale wie Nuten, die Kontaktfläche während des Schweißens zu verringern, wobei sie aber außerdem dazu dienen, während des Rotationsschweißprozesses die Strömung des überfließenden Materials zu managen. In bestimmten Aspekten können die Nuten zu einer Richtung der Schweißdrehung oder -rotation senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht sein (sie können z. B. weniger als 10° von der Senkrechten abweichen. Das Einbeziehen einer derartigen Nut oder derartiger Nuten in die Kontakt-Schweißfläche schafft die Fähigkeit, dass ein konstanter Kontakt während des Schweißprozesses auftritt, während das gesteuerte Auswerfen des überfließenden Materials gefördert wird, was dazu führt, dass eine starke, robuste Reibschweißverbindung gebildet wird. Wie in 3 gezeigt ist, ist z. B. eine beispielhafte Schweißfläche 76 gezeigt. Die Schweißfläche 76 kann entweder auf der Schweißfläche der festen oder stationären Komponente (z. B. auf der ersten Schweißfläche 64 der ersten Komponente 52 in 2) oder auf der Schweißfläche der sich drehenden Komponente (z. B. auf der zweiten Schweißfläche 68 der zweiten Komponente 54 in 2) implementiert sein. Insbesondere kann nur eine Schweißfläche des Paars von Komponenten eine oder mehrere derartige darin ausgebildeten Nuten aufweisen, während die andere Schweißfläche glatt bleiben kann, ohne eine oder mehrere Nuten zu erfordern. In anderen Aspekten können beide Schweißfläche der verschiedenen Komponenten, die zu verbinden sind, Nuten oder ein darin ausgebildetes Oberflächenmuster aufweisen. Während ein Grundriss der Schweißfläche 76 gezeigt ist, wird erkannt, dass die Schweißfläche 76 dreidimensional ist, wobei sie eine konkave Form oder eine konvexe Form sein kann, wie vorher beschrieben worden ist.
In der Schweißfläche 76 sind mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 78 definiert. Die mehreren Nuten 78 können sich von einem Mittenbereich 80 zu einem äußeren Umfang 82 der Schweißfläche 76 erstrecken, wobei sie folglich eine Länge von dem Mittenbereich 80 bis zu dem äußeren Umfang 82 definieren. In dem Mittenbereich 80 ist ein optionaler Einsatz 85 vorhanden. In 3 sind innerhalb der Schweißfläche 76 drei Nuten ausgebildet, obwohl gleichermaßen weniger oder mehr Nuten in Betracht gezogen werden. Außerdem können die mehreren Nuten 78 eine andere Anzahl, andere Positionen oder Abmessungen aufweisen, wobei sie sich nicht notwendigerweise vollständig von dem Mittenbereich 80 bis zum äußeren Umfang 82 erstrecken müssen. Die mehreren Nuten 78 dienen dazu, die Strömung des überfließenden Materials während des Reibschweißens zu managen, wenn das Material weich wird und geschmolzen wird, wobei sie es folglich fördern, dass das überfließende Material entlang der mehreren Nuten 78 strömt. Es sollte angegeben werden, dass, während Nuten oder Kanäle bevorzugt sind, andere Oberflächenkonturen, die die Auswärtsströmung des überfließenden Materials während des Reibschweißens fördern, gleichermaßen in Betracht gezogen werden. Es sollte angegeben werden, dass die Oberfläche der Schweißfläche 76 kegelförmig sein kann und verschiedene dreidimensionale Formen definieren kann, wie oben erörtert worden ist.
In 3 weist die Schweißfläche 76 einen Radius 77 auf, wobei jede Nut 78 einen Durchmesser 79 aufweist. Jede Nut 78 definiert eine Form eines langgestreckten Rechtecks über die Schweißfläche 76 (bei Betrachtung von oben). Ein Schnittprofil jeder Nut kann einen rechteckigen, quadratischen, geschlitzten, halbellipsenförmigen, halbkugelförmigen, dreieckigen Typ oder andere Typen der Kanalformen aufweisen, während dies nicht gezeigt ist. Zwischen jeder jeweiligen Nut 78 ist ein Winkel 81 definiert. Wie gezeigt ist, beträgt der Winkel 81 etwa 120°. In bestimmten Variationen kann eine Einsatzkomponente, z. B. die sich drehende Komponente, einen Radius 77 aufweisen, der größer als oder gleich etwa 23 mm bis kleiner als oder gleich etwa 72 mm ist. Folglich würde eine Länge einer Nut 78, die sich von dem Mittenbereich 80 bis zu dem äußeren Umfang 82 erstreckt, größer als oder gleich etwa 23 mm bis kleiner als oder gleich etwa 72 mm sein. Insbesondere kann sich in bestimmten Aspekten die Nut nicht vollständig bis zur Mitte der Form erstrecken, z. B. wo der Mittenbereich 80 abgeschnitten oder flach ist. In bestimmten Variationen kann der Durchmesser oder die Breite 79 der Nut für jede jeweilige Nut 78 von größer als oder gleich etwa 0,5 mm bis zu kleiner als oder gleich etwa 3 mm reichen.
Die in 3 gezeigte Ausführung ist für Rotationsschweißprozesse mit variabler Drehzahl, wie z. B. Schwungradreibschweißen, besonders geeignet, wo eine zunehmende Kraft auftritt. Die ausgesparten Nuten 78, die in der Schweißfläche 76 entworfen sind, verringern die gesamte in Kontakt befindliche Oberfläche, um die erforderlichen Schweißkräfte zu begrenzen und um außerdem das Management des überfließenden Materials zu erlauben (die Strömung des überfließenden Materials während des Schweißprozesses zu fördern), um für eine variable Schweißverbindungsfestigkeit in einer Richtung von der äußeren bis zur inneren Richtung (oder vom Umfang 82 bis zum Mittenbereich 80) zu sorgen, um eine robuste Reibschweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente zu erzeugen, die miteinander zu verbinden sind. Eine derartige Ausführung der Schweißfläche ermöglicht folglich eine gute Schweißleistung bei einer begrenzten oder keiner Erzeugung eines überfließenden Materials am Rand der verbundenen Teile. Ferner kann eine derartige Ausführung der Schweißfläche die Notwendigkeit für eine Bearbeitung oder Verarbeitung nach dem Schweißen, um vorstehendes überfließendes Material an der freigelegten Oberfläche der Reibschweiß-Teileanordnung zu entfernen, eliminieren.
4 zeigt eine noch weitere Variation einer modifizierten Schweißfläche für das Rotationsschweißen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Es ist eine beispielhafte Schweißfläche 84 gezeigt. Wie die Schweißfläche 76 in 3 kann die Schweißfläche 84 entweder auf der Schweißfläche der festen oder stationären Komponente (z. B. auf der ersten Schweißfläche 64 der ersten Komponente 52 in 2) oder auf der Schweißfläche der sich drehenden Komponente (z. B. auf der zweiten Schweißfläche 68 der zweiten Komponente 54 in 2) ausgebildet sein. In der Schweißfläche 84 sind mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 86 definiert. Die mehreren Nuten 86 erstrecken sich von einem Mittenbereich 88 bis zu einem äußeren Umfang 89 der Schweißfläche 84. In 4 sind acht Nuten 86 ausgebildet, die sich von dem Mittenbereich 88 bis zum äußeren Umfang 89 auf der Schweißfläche 84 erstrecken, obwohl weniger oder mehr Nuten außerdem in Betracht gezogen werden. Außerdem können die mehreren Nuten unterschiedliche Positionen oder Abmessungen aufweisen, wobei sie sich nicht notwendigerweise vollständig vom Mittenbereich 88 bis zum äußeren Umfang 89 erstrecken müssen. In der Ausführung nach 4 ist es erwünscht, dass sich die Nuten 86 entweder vollständig oder beinahe von dem Mittenbereich 88 bis zum äußeren Umfang 89 erstrecken.
Die Nuten 86 verringern die Gesamtoberfläche, um die erforderlichen Schweißkräfte zu begrenzen und um die Strömung des überfließenden Materials während des Reibschweißens zu managen, wenn das Material weich wird und geschmolzen wird, um ein verbessertes Management des überfließenden Materials zu erlauben. Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist für Prozesse mit zunehmender Kraft, z. B. Rotationsschweißprozesse mit variabler Drehzahl, besonders nützlich, die eine variable Schweißdrehzahl von einer inneren radialen Position bis zu einer äußeren radialen Position verursacht. Eine derartige Ausführung ermöglicht eine variable Schweißverbindungsfestigkeit an der Schweißverbindungsgrenzfläche von einer äußeren bis zu einer inneren radialen Position. Eine derartige Ausführung der Schweißfläche kann die Notwendigkeit für eine Bearbeitung oder Verarbeitung nach dem Schweißen, um vorstehendes überfließendes Material an der freigelegten Oberfläche der Reibschweiß-Teileanordnung zu entfernen, eliminieren.
5 zeigt eine noch weitere Variation einer modifizierten Schweißfläche für das Rotationsschweißen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Es ist eine beispielhafte Schweißfläche 90 gezeigt. Wie die Schweißfläche 76 in 3 oder die Schweißfläche 84 in 4 kann die Schweißfläche 90 entweder auf der Schweißfläche der festen oder stationären Komponente (z. B. auf der ersten Schweißfläche 64 der ersten Komponente 52 in 2) oder auf der Schweißfläche der sich drehenden Komponente (z. B. auf der zweiten Schweißfläche 68 der zweiten Komponente 54 in 2) implementiert sein. Auf der Schweißfläche 90 sind erste mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 92 definiert. Die ersten mehreren Nuten 92 erstrecken sich von einem Mittenbereich 94 bis zu einem äußeren Umfang 96 der Schweißfläche 90. In 5 gibt es acht erste Nuten 92, die innerhalb der Schweißfläche 90 ausgebildet sind, obwohl weniger oder mehr Nuten außerdem in Betracht gezogen werden. Außerdem können die ersten mehreren Nuten unterschiedliche Positionen oder Abmessungen aufweisen, wobei sie sich nicht notwendigerweise völlig von dem Mittenbereich 94 bis zum äußeren Umfang 96 erstrecken müssen. In der Ausführung nach 5 ist es erwünscht, dass sich die ersten mehreren Nuten 92 entweder vollständig oder beinahe von dem Mittenbereich 94 bis zum äußeren Umfang 96 erstrecken.
Die Schweißfläche 90 enthält ferner zweite mehrere Kanäle oder Nuten 98. Die zweiten mehreren Nuten 98 erstrecken sich vom äußeren Umfang 96 nach innen, wobei sie sich aber nur einen Teil des Abstands des Radius (z. B. etwa die Hälfte des Radius) zum Mittenbereich 94 erstrecken. Wie gezeigt ist, gibt es 8 zweite Nuten 98, obwohl die Anzahl der zweiten Nuten, die Positionierung und die Abmessungen in bestimmten alternativen Aspekten variiert werden können.
In der Ausführung nach 5 ist die Länge 93 (L₁) der ersten Nuten 92 größer als die Länge 95 (L₂) der zweiten Nuten 98. In bestimmten Variationen kann L₂ gleich etwa ein halb von L₁ sein (L₁ = 2L₂).
Die ersten mehreren Nuten 92 und die zweiten mehreren Nuten 98 dienen beide dazu, die Strömung des überfließenden Materials während des Reibschweißens zu managen, wenn das Material weich wird und geschmolzen wird, wobei sie es folglich fördern, dass das überfließende Material entlang der ersten mehreren Nuten 92 und der zweiten mehreren Nuten 98 strömt. Es sollte angegeben werden, dass, während Nuten oder Kanäle bevorzugt sind, andere Oberflächenkonturen, die die Auswärtsströmung des überfließenden Materials während des Reibschweißens fördern, gleichermaßen in Betracht gezogen werden. Die in 5 gezeigte Ausführung ist für Rotationsschweißprozesse mit konstanter Kraft besonders geeignet. Die ersten und die zweiten mehreren Nuten (92, 98) ermöglichen während des Schweißprozesses einen konstanten Oberflächenkontakt, wobei sie außerdem das Auswerfen des überfließenden Materials oder das Management des überfließenden Materials ermöglichen (die Strömung des überfließenden Materials während des Schweißprozesses fördern), um eine robuste Reibschweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente, die miteinander zu verbinden sind, zu erzeugen. Eine derartige Ausführung der Schweißfläche ermöglicht folglich eine gute Schweißleistung bei einer begrenzten oder keiner Erzeugung von überfließendem Material am Rand der verbundenen Teile.
6 zeigt eine weitere Variation einer modifizierten Schweißfläche zum Rotationsschweißen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Es ist eine beispielhafte Schweißfläche 100 gezeigt, die entweder auf der Schweißfläche der festen oder stationären Komponente (z. B. auf der ersten Schweißfläche 64 der ersten Komponente 52 in 2) oder auf der Schweißfläche der sich drehenden Komponente (z. B. der zweiten Schweißfläche 68 der zweiten Komponente 54 in 2) ausgebildet sein kann. In der Schweißfläche 100 sind erste mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 102 definiert. Die ersten mehreren Nuten 102 erstrecken sich von einem Mittenbereich 104 bis zu einem äußeren Umfang 106 der Schweißfläche 100. In 6 sind drei erste Nuten 102 innerhalb der Schweißfläche 100 ausgebildet, obwohl weniger oder mehr Nuten außerdem in Betracht gezogen werden. Ein Winkel 107 (β₁) ist zwischen jeder jeweiligen ersten Nut 102 definiert. Wie gezeigt ist, beträgt der Winkel 107 etwa 120°. Wie oben angegeben worden ist, können die mehreren Nuten 102 unterschiedliche Positionen oder Abmessungen aufweisen, wobei sie sich nicht notwendigerweise vollständig vom Mittenbereich 104 bis zum äußeren Umfang 106 erstrecken müssen. In der Ausführung nach 6 ist es erwünscht, dass sich die ersten mehreren Nuten 102 entweder vollständig oder beinahe von dem Mittenbereich 104 bis zum äußeren Umfang 106 erstrecken. Jede erste Nut 102 definiert eine Länge 103 (L₁).
Die Schweißfläche 100 enthält ferner zweite mehrere Kanäle oder Nuten 108. Die zweiten mehreren Nuten 108 erstrecken sich von dem äußeren Umfang 106 nach innen, wobei sie sich aber nur einen Teil des Abstands des Radius (z. B. etwa zwei Drittel des Radius) zum Mittenbereich 104 erstrecken. Wie gezeigt ist, gibt es 3 zweite Nuten 108, obwohl die Anzahl der zweiten Nuten, die Positionierung und die Abmessungen in bestimmten alternativen Aspekten variiert werden können. Ein Winkel 111 (β₂) ist zwischen jeder jeweiligen zweiten Nut 108 definiert. Wie gezeigt ist, beträgt der Winkel 111 etwa 120°. Jede zweite Nut 108 definiert eine Länge 109 (L₂).
In der Schweißfläche 100 sind außerdem dritte mehrere Kanäle oder Nuten 110 ausgebildet. Die dritten mehreren Nuten 110 erstrecken sich vom äußeren Umfang 106 nach ihnen, wobei sie sich aber nur einen Teil des Abstands des Radius (z. B. etwa ein Drittel des Radius) zum Mittenbereich 104 erstrecken. Wie gezeigt ist, gibt es sechs dritte Nuten 110, obwohl die Anzahl der dritten Nuten, die Positionierung und die Abmessungen in bestimmten alternativen Aspekten variiert werden können. Zwischen jeder jeweiligen dritten Nut 110 ist ein Winkel 115 (β₃) definiert. Wie gezeigt ist, beträgt der Winkel 115 etwa 60°. Jede dritte Nut 110 definiert eine Länge 113 (L₃).
In der in 6 gezeigten Ausführung ist die Länge 103 (L₁) der ersten Nuten 102 größer als die Länge 109 (L₂) der zweiten Nuten 108 und die Länge 113 (L₃) der dritten Nuten 110. Die Länge L₂ der zweiten Nuten 108 ist größer als die Länge L₃ der dritten Nuten 110. In bestimmten Variationen ist L₂ etwa zwei Drittel von L₁ (z. B. L₁ = 3/2L₂) und ist L₃ etwa ein Drittel von L₁ (z. B. L₁ = 3L₃).
Gleich anderen Ausführungsformen dienen die ersten mehreren Nuten 102, die zweiten mehreren Nuten 108 und die dritten mehreren Nuten 110 dazu, die Strömung des überfließenden Materials während des Reibschweißens zu managen, wenn das Material weich wird und geschmolzen wird, wobei sie es folglich fördern, dass das überfließende Material entlang der verschiedenen Nuten strömt. Es sollte angegeben werden, dass, während Nuten oder Kanäle bevorzugt sind, andere Oberflächenkonturen, die die Auswärtsströmung des überfließenden Materials während des Reibschweißens fördern, gleichermaßen in Betracht gezogen werden. Die in 6 gezeigte Ausführung ist für Rotationsschweißprozesse mit konstanter Kraft besonders geeignet. Die ersten, zweiten und dritten mehreren Nuten (102, 108, 110) ermöglichen eine verringerte Variabilität des Oberflächenkontakts während des Schweißprozesses und ermöglichen außerdem das Auswerfen des überfließenden Materials oder das Management des überfließenden Materials (fördern die Strömung des überfließenden Materials während des Schweißprozesses), um eine robuste Reibschweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente, die miteinander zu verbinden sind, zu erzeugen. Eine derartige Ausführung der Schweißfläche ermöglicht folglich eine gute Schweißleistung bei einer begrenzten oder keiner Erzeugung überfließenden Materials am Rand der verbundenen Teile. Eine derartige Ausführung der Schweißfläche kann die Notwendigkeit für die Bearbeitung oder Verarbeitung nach dem Schweißen nach dem Rotationsschweißen, um vorstehendes überfließendes Material an der freigelegten Oberfläche der Reibschweiß-Teileanordnung zu entfernen, eliminieren.
7 zeigt eine noch weitere Variation einer modifizierten Schweißfläche 120 zum Rotationsschweißen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Schweißfläche 120 kann entweder auf der Schweißfläche der ersten oder stationären Komponente (z. B. auf der ersten Schweißfläche 64 der ersten Komponente 52 in 2) oder auf der Schweißfläche der sich drehenden Komponente (z. B. auf der zweiten Schweißfläche 68 der zweiten Komponente 54 in 2) ausgebildet sein. Auf der Schweißfläche 120 sind mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 122 definiert. Die mehreren Nuten 122 erstrecken sich von einem Mittenbereich 124 zu einem äußeren Umfang 126 der Schweißfläche 120. In 7 sind 5 Nuten 122 ausgebildet, die sich von dem Mittenbereich 124 zum äußeren Umfang 126 auf der Schweißfläche 120 erstrecken, obwohl außerdem weniger oder mehr Nuten in Betracht gezogen werden.
Wie in 7 gezeigt ist, weist jede jeweilige Nut 122 einen Nutdurchmesser oder eine Nutbreite 128 (D_G1) in dem Mittenbereich 124 auf, der bzw. die sich zu einem zweiten Nutdurchmesser oder einer zweiten Nutbreite 130 (D_G2) am äußeren Umfang 126 verringert. D_G1 ist folglich signifikant größer als D_G2. Folglich definiert jede jeweilige Nut 122 eine kegelförmige dreieckige Form, die ein Sternmuster auf der Oberfläche bildet. Andere Formen und Breiten der Nuten werden in bestimmten alternativen Aspekten der vorliegenden Offenbarung gleichermaßen in Betracht gezogen. Ferner können wie bei den vorher erörterten Variationen die mehreren Nuten 122 unterschiedliche Positionen oder Abmessungen aufweisen, wobei sie sich nicht notwendigerweise vollständig von dem Mittenbereich 124 bis zum äußeren Umfang 126 erstrecken müssen. In der Ausführung nach 7 ist es erwünscht, dass sich die Nuten 122 entweder vollständig oder beinahe von dem Mittenbereich 124 bis zum äußeren Umfang 126 erstrecken.
8 zeigt eine noch weitere Variation einer modifizierten Schweißfläche 150 zum Rotationsschweißen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Schweißfläche 150 kann entweder auf der Schweißfläche der festen oder stationären Komponente (z. B. auf der ersten Schweißfläche 64 der ersten Komponente 52 in 2) oder auf der Schweißfläche der sich drehenden Komponente (z. B. auf der zweiten Schweißfläche 68 der zweiten Komponente 54 in 2) ausgebildet sein. Auf der Schweißfläche 150 sind mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 152 definiert. Die mehreren Nuten 152 erstrecken sich von einem Mittenbereich 154 bis zu einem äußeren Umfang 156 der Schweißfläche 150. In 8 sind 6 Nuten 152 ausgebildet, die sich vom Mittenbereich 154 bis zum äußeren Umfang 156 auf der Schweißfläche 150 erstrecken, obwohl weniger oder mehr Nuten außerdem in Betracht gezogen werden. Wie in 8 gezeigt ist, weist jede jeweilige Nut 152 einen Nutdurchmesser oder eine Nutbreite 158 (D_G1) in dem Mittenbereich 154 auf, die zu einem zweiten Nutdurchmesser oder einer zweiten Nutbreite 160 (D_G2) am äußeren Umfang 156 zunimmt. D_G1 ist in der gezeigten Ausführungsform kleiner als D_G2. Folglich definiert jede jeweilige Nut 152 eine kegelförmige Form, wobei sich der Nutdurchmesser oder die Nutbreite am äußeren Umfang 156 vergrößert, wobei ein Keilmuster ausgebildet ist. Gleich anderen Ausführungsformen werden andere Nutformen und Nutbreiten in bestimmten alternativen Aspekten der vorliegenden Offenbarung gleichermaßen in Betracht gezogen. Ferner können wie bei den vorher erörterten Variationen die mehreren Nuten 152 unterschiedliche Positionen oder Abmessungen aufweisen, wobei sie sich nicht notwendigerweise vollständig vom Mittenbereich 154 bis zum äußeren Umfang 156 erstrecken müssen. In der Ausführung nach 8 ist es erwünscht, dass sich die Nuten 152 entweder vollständig oder beinahe von dem Mittenbereich 154 bis zum äußeren Umfang 156 erstrecken.
In anderen alternativen Aspekten der vorliegenden Offenbarung weist wenigstens eine der Schweißflächen an der Schweißverbindungsgrenzfläche mehrere konvexe Oberflächenmerkmale auf, die darin ausgebildet sind. Derartige konvexe Oberflächenmerkmale können Vorsprünge oder Buckel sein, die als Energierichtungsgeber dienen und den Rotationsschweißprozess durch das Konzentrieren des Anfangskontakts auf eine begrenzte Oberfläche, die den konvexen Oberflächenmerkmalen entspricht, die dazu dienen können, um sowohl die Einleitung des Schmelzens und deshalb die Einleitung des Schweißens zu fördern als auch die Gesamtmengen des überfließenden Materials, die während des Rotationsschweißprozesses erzeugt werden, zu verringern, fördern. Wenigstens eine Schweißfläche an der Schweißverbindungsgrenzfläche kann mehrere konvexe Oberflächenmerkmale, wie z. B. rund geformte Vorsprünge, Buckel oder Noppen, umfassen. Es werden außerdem andere Formen der Merkmale der konvexen Energierichtungsgeber in Betracht gezogen, wie z. B. langgestreckte Rippen.
Folglich zieht die vorliegende Offenbarung in bestimmten Aspekten eine Reibschweißanordnung in Betracht, die eine erste Polymerkomponente umfasst, die eine erste Schweißfläche umfasst, die eine erste Form definiert. Die Reibschweißanordnung umfasst außerdem eine zweite Polymerkomponente, die eine zweite Schweißfläche umfasst, die eine zweite Form definiert. Eine der ersten Form und der zweiten Form ist konvex, während die andere konkav ist. Ferner weist wenigstens eine Schweißfläche (entweder die erste oder die zweite Schweißfläche) mehrere Oberflächenmerkmale auf, die konkav oder konvex sein können. In bestimmten Variationen weist wenigstens eine Schweißfläche mehrere konkave Oberflächenmerkmale (z. B. Nuten) auf, die darin ausgebildet sind. Eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente bleibt an einem feststehenden Werkzeug stationär, während die andere der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente während des Reibschweißprozesses, der eine Reibschweißverbindung zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche bildet, an einem sich drehenden Werkzeug drehbar ist. In dieser Weise werden die erste Polymerkomponente und die zweite Polymerkomponente über eine Reibschweißverbindung miteinander verbunden. In bestimmten Aspekten sind die erste Form und die zweite Form komplementär und symmetrisch in Bezug aufeinander. In anderen Aspekten können die erste Form und die zweite Form nicht komplementär und voneinander verschieden sein. In bestimmten Variationen sind die erste Form und die zweite Form im Wesentlichen runde Formen. In bestimmten anderen Aspekten weist wenigstens einer der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche eine große Oberfläche auf, die der Reibschweißverbindung entspricht, die größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (etwa 4,7 Zoll²) ist.
In bestimmten Variationen sind die erste Polymerkomponente und/oder die zweite Polymerkomponente aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet, der ein thermoplastisches Polymer und ein Verstärkungsmaterial umfasst, wie oben erörtert worden ist. In bestimmten Variationen weist wenigstens eine Schweißfläche mehrere konkave Oberflächenmerkmale (z. B. Nuten) auf, die sich von einem Mittenbereich der ersten Schweißfläche bis zu einem äußeren Umfang der ersten Schweißfläche erstrecken. Die Anzahl der Nuten hängt von dem Volumen des Raums ab, der erforderlich ist, um die Strömung der Schmelze oder des überfließenden Materials während des Rotationsschweißprozesses zu managen, die von der Gesamtschweißfläche, der Komponententeilgröße und der angezielten Schweißverbindungsdicke abhängt. In bestimmten Beispielen können die mehreren Nuten größer als oder gleich etwa 3 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 4 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 5 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 6 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 7 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 8 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 9 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 10 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 11 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 15 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 20 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 25 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 30 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 35 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 40 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 50 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 60 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 70 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 80 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 90 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 100 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 110 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 120 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 130 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 140 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 150 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 160 Nuten, optional größer als oder gleich etwa 170 Nuten und in bestimmten Variationen optional größer als oder gleich etwa 180 Nuten umfassen. In bestimmten Beispielen können die mehreren Nuten in bestimmten Variationen von 3 bis 180 Nuten, optional von 3 bis 100 Nuten, optional von 6 bis 45 Nuten umfassen.
Die mehreren Nuten umfassen optional sowohl erste mehrere Nuten als auch zweite mehrere Nuten. Die ersten mehreren Nuten erstrecken sich von einem Mittenbereich der ersten Schweißfläche bis zu einem äußeren Umfang der ersten Schweißfläche, während die zweiten mehreren Nuten eine zweite Länge definieren, die kleiner als die erste Länge ist. In anderen Variationen umfassen die mehreren Nuten ferner dritte mehrere Nuten, die eine dritte Länge aufweisen, die kleiner als die erste Länge und die zweite Länge ist.
Die Abmessungen jeder jeweiligen Nut hängen von der Menge der Schmelze ab, die während des Rotationsschweißprozesses zu managen ist, die wiederum mit der Anzahl der Nuten und der Gesamtschweißfläche und der Teilegröße variiert. In bestimmten beispielhaften Aspekten kann jede jeweilige Nut der mehreren eine Breite, die größer als oder gleich etwa 0,5 mm bis kleiner als oder gleich etwa 3 mm ist, und eine Tiefe, die größer als oder gleich etwa 0,5 mm bis kleiner als oder gleich etwa 3 mm ist, aufweisen. Jede jeweilige Nut der mehreren weist eine Form (bei Betrachtung entlang der Schweißfläche) auf, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die als nicht einschränkendes Beispiel umfasst: ein Dreieck, ein Rechteck, ein Viereck und Kombinationen daraus. Eine Form eines Seiten-Schnittprofils jeder Nut kann rechteckig, quadratisch, geschlitzt, halbellipsoidförmig, halbkreisförmig, dreieckig oder irgendwelche anderen Typen von Kanälen oder Vertiefungen sein, die die Strömung des überfließenden Materials nach außen erlauben. Geeignete Längen der Nuten können in Abhängigkeit von der Schweißoberfläche und den verwendeten Formen variieren, wobei aber in bestimmten Variationen eine geeignete Nutlänge größer als oder gleich etwa 1 mm bis kleiner als oder gleich etwa 100 mm, optional größer als oder gleich etwa 2 mm bis kleiner als oder gleich etwa 85 mm, optional größer als oder gleich etwa 3 mm bis kleiner als oder gleich etwa 75 mm und in bestimmten Variationen größer als oder gleich etwa 5 mm bis kleiner als oder gleich etwa 72 mm sein kann.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist im Kontext der 13 und 14 eine beispielhafte Nutausführung veranschaulicht. 13 zeigt eine beispielhafte herkömmliche Komponentenanordnung 300 eines Rotationsschweißwerkzeugs. Eine erste Komponente 302 ist um eine Achse 312 drehbar, während eine zweite Komponente 306 stationär gehalten sein kann. Die erste Komponente 302 definiert eine erste Schweißfläche 304, die eine konvexe Form definiert, während die zweite Komponente 306 eine komplementäre konkave Form definiert, die durch eine zweite Schweißfläche 308 definiert ist. Wie in 13 gezeigt ist, definieren die erste Schweißfläche 304 und die zweite Schweißfläche 308 komplementäre Formen. Die erste Schweißfläche 304 und die zweite Schweißfläche 308 werden an einer Grenzfläche oder einer Schweißverbindung 330 miteinander verbunden, wo die Reibschweißverbindung dazwischen gebildet wird. In bestimmten Aspekten enthält eine beispielhafte Schweißverbindung 330 (z. B. eine Kollapszone oder Schmelzzone des Schweißens) einen Abschnitt jeder Schweißfläche (der als eine Breite 320 auf der ersten Schweißfläche 304 der ersten Komponente 302 und eine Breite 321 auf der zweiten Komponente 304 gezeigt ist).
Für ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen der Nutabmessungen weisen die erste Komponente 302 und die zweite Komponente 306 komplementäre Halbkugelformen auf, wobei ein Winkel 314, der zwischen einer Achse 312 und einem Radius, der sich zu verschiedenen Bereichen der ersten Schweißgrenzflächen-Oberfläche 304 erstreckt, ausgebildet ist, von 30 bis 90 Grad variiert. Ein Radius der ersten Komponente 302 kann sich von etwa 23 mm bis etwa 72 mm erstrecken (z. B. 23 mm (= R_Einsatz ^min) < R_Einsatz ≤ 72 mm (= R_Einsatz ^max)) Für die Zwecke dieses Beispiels bezieht sich ”Einsatz” auf die erste Komponente 302, während sich ”Teil” auf die zweite Komponente 306 bezieht. R_Einsatz = R_o + ”Kollapsbreite” und R_Teil = R_o – ”Kollaps”, wobei R_o als der Radius oder die Breite der ”Schweißnaht” (einschließlich sowohl 320 als auch 321 in 13) definiert ist. Folglich ist ein repräsentativer Kollaps für den Einsatz oder die erste Komponente 302 als die Breite 320 (etwa 1/2 der Breite 330 der Schweißnaht) gezeigt. In diesem Beispiel kann die Kollapsbreite von 0,5 mm bis 1 mm reichen.

Wie in 14 gezeigt ist, sind erste mehrere ausgesparte Kanäle oder Nuten 322 auf der Schweißfläche 304 des Einsatzes oder der ersten Komponente 302 definiert. In 14 sind elf repräsentative Nuten 322 für Veranschaulichungszwecke innerhalb der Schweißfläche 304 ausgebildet. Wie ersichtlich ist, weist jede Nut 322 eine Länge 310 auf, die sich entlang des Bereichs erstreckt, wo die Schweißverbindung gebildet wird. Jede jeweilige Nut 322 weist einen Durchmesser oder eine Breite 324 auf, der bzw. die von etwa 1 mm bis etwa 3 mm reicht. Jede jeweilige Nut 322 ist von den benachbarten Nuten 322 um einen Winkel (β) 316 getrennt. Es wird angenommen, dass der Schweißzeitraum bei einer Drehzahl von etwa 3.000 min^–1 eine Dauer von etwa 3 Sekunden ist. Die Berechnungen für einen Bereich der Nutvolumina und eine mögliche Anzahl der Nuten für den minimalen und den maximalen R_Einsatz sind in der Tabelle 1 im Folgenden berechnet. TABELLE 1

Kollaps (mm)	Volumen/Nut (mm³) für R_Einsatz ^min	Volumen/Nut (mm³) für R_Einsatz ^max	Ungefähre Anzahl der Nuten (n_G) für R_Einsatz ^min	ungefähre Anzahl der Nuten (n_G) für R_Einsatz ^max	β (Grad) für R_Einsatz ^min	β (Grad) für R_Einsatz ^max
Nutdurchmesser = 1 mm
0,50	57	177	29	91	12,5	4,0
0,75	57	177	43	136	8,4	2,6
1,00	58	178	57	181	6,3	2,0
Nutdurchmesser = 2 mm
0,50	228	709	7	23	50,0	15,8
0,75	229	710	11*	34*	33,5*	10,6*
1,00	230	711	14*	45*	25,3*	7,9*
Nutdurchmesser = 3 mm
0,50	513	1595	3	10	112,5	35,6
0,75	515	1597	5	15	75,4	23,8
1,00	518	1600	6	20	56,8	17,9

Als ein weiteres Beispiel werden die mit (*) bezeichneten Einträge bei dem Nutdurchmesser oder der Nutbreite von 2 mm verwendet, um die Ausführung und die Abmessungen der Nuten in 14 zu erzeugen, wobei die gleichen Rotationsschweißparameter angenommen werden, die oben beschrieben worden sind. Ein Einsatz (z. B. eine erste Komponente 302, die eine erste Schweißfläche 304 aufweist) mit einem Radius 310 von etwa 23 mm in der Länge würde etwa 11 Nuten 322 mit einem Radius (oder einer Breite 324) von 2 mm aufweisen, jede um einen Winkel 316 von etwa 33,5 Grad getrennt, was zu einer Kollapsbreite 320 von etwa 0,75 mm führt. Ferner würde ein Einsatz (z. B. eine erste Komponente 302, die eine Schweißfläche 304 aufweist) mit einem Radius 310 von etwa 72 mm in der Länge etwa 34 Nuten 322 mit einem Radius (oder einer Breite 324) von 2 mm aufweisen, wobei jede um einen Winkel 316 von etwa 10,6 Grad getrennt ist, was abermals zu einer Kollapsbreite 320 von etwa 0,75 mm führt.
Folglich zieht die vorliegende Offenbarung ferner Teileausführungen in Betracht, die ein erfolgreiches Rotationsschweißen von Polymerkomponenten (z. B. verstärkten thermoplastischen Komponenten) mit großen, konzentrischen, sich in Kontakt befindlichen Schweißoberflächen (die in bestimmten Variationen z. B. größer als oder gleich etwa 10 Zoll² sind) ermöglichen. Durch das Einbeziehen von Nuten entlang einer Oberfläche eines Teils, wobei die Nuten im Wesentlichen zu einer Schweißdrehrichtung senkrecht sind, wird das Rotationsschweißen konzentrischer zusammenpassender Komponenten unter relativ niedrigen Kräften und Drehzahlen geschaffen. Diese Technik vermeidet folglich eine vorzeitige Polymerverschlechterung an einem inneren Rand (einem kleineren Durchmesser) der zu verbindenden passenden Teile. Weil außerdem eine konstante und relativ niedrige Drehzahl verwendet werden kann, können anstelle der teuren spezialisierten Rotationsschweißgeräte preiswerte, einfach und leicht zugängliche Werkzeuge und Prozesse verwendet werden.
Die herkömmlichen rotationsverschweißten Prozesse werden nicht an Schweißflächen mit variierendem Durchmesser ausgeführt. Ferner ist die Drehzahl umso größer, je kleiner der Durchmesser der Komponententeile, die rotationsverschweißt werden sollen, ist. Obwohl eine halbkugelförmige Schweißfläche sowohl eine niedrige als auch eine hohe Drehzahl, um den kleineren Radius ganz in der Mitte zu verschweißen, und eine niedrigere Drehzahl, um den äußersten Radius zu verschweißen, erfordern würde, erlaubt die Nutausführung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung durch das Verringern der Gesamtkontaktoberfläche der Schweißflächen, das eine gleichmäßige, konstante Drehzahl während des Schweißprozesses verwendet wird, ohne an einer vorzeitigen Verschlechterung des Polymers am äußeren Rand zu leiden.
In bestimmten anderen Variationen zieht die vorliegende Offenbarung das Rotationsverschweißen von zwei Polymerteilen miteinander in Betracht, wobei jede Schweißfläche in einem Verbindungsgrenzflächenbereich an jedem jeweiligen Teil ausgewählt ist, um voneinander verschiedene, zueinander asymmetrische und/oder zueinander nicht komplementäre Formen zu definieren. Eine derartige Rotationsschweißtechnik ist für das Verbinden von Verbindungsgrenzflächen mit großen Oberflächen besonders geeignet. Mit anderen Worten, eine erste Schweißfläche einer ersten stationären Komponente, die an dem Verbindungsgrenzflächenbereich zu verbinden ist, definiert eine erste Form, während eine zweite Schweißfläche einer zweiten stationären Komponente, die an der Verbindungsgrenzfläche zu verbinden ist, eine zweite Form definiert. Die erste Form und die zweite Form sind so ausgewählt, dass sie verschieden und nicht komplementär zueinander sind (z. B. keine umgekehrten konvexen und konkaven komplementären Formen), so dass die Formen asymmetrisch zueinander sind. Die jeweiligen Komponenten können eine Form definieren, die bezüglich einer Drehachse symmetrisch ist, die aber bezüglich der Form des Gegenstücks, mit dem sie über Rotationsschweißen verbunden wird, asymmetrisch oder nicht komplementär ist. Das Verbinden derartiger Teile mit großen Oberflächen, insbesondere jener mit nicht komplementären oder asymmetrisch geformten Oberflächen, durch Rotationsschweißen ist vorher nicht möglich gewesen oder in Betracht gezogen worden. Die übermäßig hohen Temperaturen, die das Verbinden asymmetrischer Formen oder Formen mit großen Oberflächen begleitet haben, verursachten früher eine strukturelle Beschädigung der Polymermaterialien (insbesondere angrenzend an den und innerhalb des Verbindungsbereichs), wobei sie folglich potentiell ein vorzeitiges Versagen der Schweißverbindung und andere Probleme verursachten.
Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Offenbarung, dass Reibschweißprozesse ausgeführt werden, ohne an derartigen Problemen zu leiden, während preiswerte Werkzeuge (z. B. ähnlich zu Fräsmaschinen) verwendet werden, die Betriebskosten verringert werden und irgendeine Notwendigkeit für eine Entwicklung der Teileausführung vor dem Schweißen minimiert wird. Es können herkömmliche Fräsmaschinen verwendet werden, die relativ niedrigere Drehzahlbereiche und niedrigere Kräfte aufweisen (z. B. kleiner als etwa 3.500 min^–1 und Drücke von weniger als etwa 4 MPa), um Schweißverbindungen in guter Qualität zu erzeugen.
Außerdem ermöglicht die Teile- oder Komponentenausführung durch bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung, dass das während des Prozesses erzeugte geschmolzene oder strömende Material aus dem Schweißbereich geleitet wird, wenn der Schweißprozess/-zyklus voranschreitet, wobei dadurch über der gesamten geschweißten Oberfläche Schweißverbindungen in hoher Qualität hervorgebracht werden. Die Komponentenausführungen gemäß verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung ermöglichen, dass das während des Rotationsschweißens erzeugte strömende oder geschmolzene Material (z. B. das überfließende Material) von der Kontaktfläche (auf den Schweißflächen) weggeleitet oder weggeschoben wird. Dies kann allmählich erreicht werden, wenn der Schweißzyklus voranschreitet. In einer Variation kann das strömende Material oder das überfließende Material durch die Nuten zum äußeren Rand der Bereiche, die verbunden werden, geleitet werden. In einer weiteren Variation nimmt eine zwischen den jeweiligen Schweißflächen ausgebildete Lücke zu, weil die Teile so ausgewählt sind, dass sie nicht zusammenpassende Formen aufweisen, die folglich asymmetrisch und nicht komplementär sind. Folglich definieren die nicht komplementären Formen eine Lücke mit variabler Größe zwischen den Schweißflächen, deren Abmessung zum äußersten Rand der Bereiche, die verbunden werden, zunimmt, um ein angemessenes Volumen für die Bewegung und die Strömung des überfließenden Materials zu fördern (wie hier weiter erörtert wird). Beim Fehlen derartiger Ausführungen, die durch bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung geschaffen werden, könnten die Energie und die Wärme, die durch die Reibung an der Rotationsschweißgrenzfläche erzeugt werden, ansonsten verursachen, dass das Polymer die Schmelztemperaturen überschreitet, und potentiell zu einer Beschädigung der Komponente führen, was zu schwachen oder fehlerhaften Schweißverbindungen führt. Derartige Komponenten mit großer Oberfläche und/oder derartige nicht komplementäre Komponenten wären andernfalls unter Verwendung der herkömmlichen Rotationsschweißtechniken nicht schweißbar (da eine vorzeitige Polymerverschlechterung an einem äußeren Rand und durch eine Schweißnaht eingeschlossene Luft schwache und potentiell beschädigte Schweißverbindungen erzeugten).
Die 9 und 10 zeigen eine weitere Variation einer Komponentenanordnung 200 eines Rotationsschweißwerkzeugs gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 9 zeigt die Gesamt-Komponentenanordnung 200 des Werkzeugs, während 10 eine Schnittansicht eines durch Rotationsschweißen gebildeten Schweißverbindungs-Grenzflächenbereichs zeigt. Eine erste Komponente 202 kann stationär sein, wobei sie gleich der in 2 gezeigten Komponente nicht zylinderförmig ist (eine insgesamt rechteckige Form aufweist). Eine zweite Komponente 204 ist um eine Achse 210 drehbar und rotiert um die Achse 210. Sowohl die erste als auch die zweite Komponente 202, 204 können aus einem Polymerwerkstoff oder einem Polymer-Verbundwerkstoff ausgebildet sein, wie oben beschrieben worden ist. Die erste Komponente 202 und die zweite Komponente 204 werden vor dem Beginnen des Rotationsschweißens im Wesentlichen entlang der Achse 210 angeordnet oder auf die Achse 210 ausgerichtet. Die erste Komponente 202 definiert einen konkaven Grenzflächenbereich 212, der eine erste Schweißfläche 214 definiert, während die zweite Komponente 204 einen komplementären konvexen Grenzflächenbereich 216 definiert, der eine zweite Schweißfläche 218 definiert. Die erste Komponente 202 und die zweite Komponente 204 definieren folglich jede jeweilige Grenzflächenbereiche entlang der ersten Schweißfläche 214 des konkaven Grenzflächenbereichs 212 und der zweiten Schweißfläche 218 des konvexen Grenzflächenbereichs 216, die an einer Schweißverbindungsgrenzfläche 206 miteinander verbunden werden, wo die Reibschweißverbindung dazwischen erzeugt wird. In bestimmten Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung im Allgemeinen das Rotationsschweißen einer ersten Komponente, die einen ausgesparten Bereich aufweist, und einer zweiten Komponente, die einen vorstehenden Bereich aufweist, der in den ausgesparten Bereich der ersten Komponente aufgenommen werden kann, und die folglich an einer Schweißverbindungsgrenzfläche miteinander verschweißt werden. Insbesondere definieren in der hier gezeigten Variation der konkave Grenzflächenbereich 212 und der konvexe Grenzflächenbereich 216 zusammen verschiedene asymmetrische Formen, die nicht komplementär zueinander sind. Die Auswahl absichtlich nicht zusammenpassender Formen erlaubt die Bildung einer Lücke mit variabler Größe zwischen der Schweißfläche, deren Abmessung zum äußersten Rand der Bereiche, die verbunden werden, zunimmt, um ein angemessenes Volumen für die Bewegung und die Strömung des überfließenden Materials zu fördern. Ein derartiges diskretes Fortschreiten der Schweißnaht während des Rotationsschweißprozesses steuert die erzeugte Wärme und ermöglicht, dass die Schweißdrehzahlen relativ niedrig bleiben.
Spezifischer definiert die erste Schweißfläche 214 des konkaven Grenzflächenbereichs 212 eine umgekehrte Halbkugelform, während die zweite Schweißfläche 218 des konvexen Grenzflächenbereichs 216 einen Abschnitt einer Ellipsoidform definiert, wobei jede von ihnen vollständig konzentrisch und symmetrisch um die Achse 210 ist. Während die Ellipsoidform in die umgekehrte Halbkugelform des konkaven Grenzflächenbereichs 212 passen kann und mit der umgekehrten Halbkugelform des konkaven Grenzflächenbereichs 212 verbunden werden kann, stimmen die umgekehrte Halbkugelform und die Ellipsoidform entlang der gesamten Schweißfläche nicht überein oder passen die umgekehrte Halbkugelform und die Ellipsoidform entlang der gesamten Schweißfläche nicht zusammen, da sie unterschiedliche Formen aufweisen. Folglich sind die erste Schweißfläche 214 des konkaven Grenzflächenbereichs 212 und die zweite Schweißfläche 218 des konvexen Grenzflächenbereichs 216 nicht komplementär zueinander, wie in 9 gezeigt ist, dennoch können sie immer noch dem Rotationsschweißen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung unterworfen werden, um die erste Komponente 202 zu verbinden, die mit der zweiten Komponente 204 verbunden wird. Es sollte erkannt werden, dass die Formen der ersten Schweißfläche 214 und der zweiten Schweißfläche 214 nicht auf die in 9 gezeigten spezifischen Formen eingeschränkt sind, sondern stattdessen verschiedene unterschiedliche Formen in Betracht gezogen werden, solange wie sie symmetrisch um die Achse (z. B. 210) oder konzentrisch sind und die zweite sich drehende Komponente in den durch die erste Komponente definierten Hohlraum eingesetzt werden kann. Insbesondere ist die Komponentenanordnung 200 des Rotationsschweißwerkzeugs in der in 9 gezeigten Ausführungsform um die Achse 210 symmetrisch, wobei aber die durch die Schweißflächen der jeweiligen ersten und zweiten Komponente 202, 204 definierten Formen zueinander nicht komplementäre Formen sind.
Wie gezeigt ist, ist die zweite Komponente 204 um einen Einsatz 220 (z. B. eine Spindel oder einen Stab) geformt worden. Folglich definiert die erste Komponente 202 einen Hohlraum 222 zum Aufnehmen des Einsatzes 220 der zweiten Komponente 204, wenn der Rotationsschweiß-Verbindungsprozess stattfindet. Der Einsatz 220 ist optional und kann die Drehung der zweiten Komponente 204 innerhalb der sich drehenden Werkzeuganordnung fördern. Alternativ kann das Werkzeug zum Halten der zweiten Komponente 204 modifiziert sein, um die zweite Komponente 204 während des Rotationsschweißens zu halten und zu drehen. Nach dem Rotationsschweißen ist zwischen der ersten Komponente 202 und der zweiten Komponente 204 entsprechend dem Schweißverbindungs-Grenzflächenbereich 206 ein freigelegter äußerster verschweißter Bereich 224 ausgebildet, wo die Materialien welch geworden und geschmolzen sind, um eine robuste Verbindung zwischen der ersten Schweißfläche 214 des konkaven Grenzflächenbereichs 212 und der zweiten Schweißfläche 218 des konvexen Grenzflächenbereichs 216 zu erzeugen.
Die in den 9 und 10 gezeigte Ausführungsform schafft eine verringerte anfängliche Kontaktfläche während des Rotationsschweißens, was das Rotationsschweißen von Teilen ohne besondere Merkmale, die große Durchmesser und deshalb große Oberflächen aufweisen, miteinander ermöglicht. Der größere Radiusbereich wird anfangs nicht erwärmt, weil er sich nicht bis später während des Schweißzyklus in Kontakt befindet. Wenn z. B. die erste Komponente 202 in die Position in der Nähe der zweiten Komponente 204 für das Schweißen abgesenkt wird (was in 10 am besten gezeigt ist), ist aufgrund der unterschiedlichen Form jeder Komponente eine erste Abmessung 230 zwischen den jeweiligen Komponenten an der Spitze oder dem tiefsten Teil der Anordnung kleiner, während eine zweite Abmessung 234 in der Nähe der äußeren Umfangsränder oder des höchsten Teils der Schweißverbindungsgrenzfläche 206 am größten ist. Anders dargelegt, die absichtlich nicht zusammenpassenden und asymmetrischen Formen, die durch die erste Schweißfläche 214 und die zweite Schweißfläche 218 definiert sind, bilden eine Lücke mit variabler Größe für den Verbindungsgrenzflächenbereich 206, wobei die Abmessung der Lücke von einer anfänglichen Breite bei einer ersten Abmessung 230 zum Rand des äußersten verschweißten Bereichs 224 zunimmt, wobei bei einer zweiten Abmessung 234 die Lücke die größte ist, was ein größeres Volumen für die Bewegung und die Strömung des überfließenden Materials schafft. Wenn das Rotationsschweißen um die Achse 210 beginnt, wird folglich ein Anfangskontakt im ersten Kontaktbereich 232 hergestellt, weil dies der einzige Bereich ist, wo sich die Formen in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Wenn das Rotationsschweißen voranschreitet, wird das erweichte Polymermaterial oder das überfließende Material in dem Schweißverbindungs-Grenzflächenbereich 206 während des Rotationsschweißprozesses nach oben und nach außen (wie durch einen Pfeil gezeigt ist) zu einem zweiten Kontaktbereich 236 geschoben, wobei folglich eine zunehmend fortschreitende Schweißnaht, die sich die Lücke hinauf zum äußeren Endbereich der Schweißnaht bewegt, entsprechend der zweiten Abmessung 234 hergestellt wird.
Das überfließende Material wird folglich zu einem Rand des äußersten verschweißten Bereichs 224 vorwärts geschoben, was es ermöglicht, dass mehr der Schweißflächen der ersten Komponente 202 und der zweiten Komponente 204 miteinander in Kontakt gelangen und beginnen, in der Nähe des ersten Kontaktbereichs 232 zu schmelzen oder miteinander zu verschweißen. Wenn der Schweißzyklus und das Rotieren weitergehen, schreitet der Kontakt zwischen den Oberflächen der Teile allmählich zu den oberen Bereichen der Lücke in der Nähe des zweiten Kontaktbereichs 236 voran. Die Lücke zwischen den jeweiligen Komponenten 202, 204 an diesem Punkt (am äußersten verschweißten Bereich 224) entspricht der zweiten Abmessung 234, die innerhalb der Schweißverbindungsgrenzfläche 206 die größte ist. Dies ermöglicht, dass das während des Prozesses erzeugte geschmolzene Material vor der fortschreitenden Schweißnaht geschoben wird, wenn der Prozess weitergeht. Derartige Verfahren des Rotationsschweißens verschieden geformter Komponenten (die asymmetrische, nicht komplementäre Formen aufweisen) verringern irgendein Risiko einer hohen Wärmeerzeugung und einer vorzeitigen Verschlechterung des Polymers.
Weil sich das überfließende Material während des Rotationsschweißzyklus weg von der Schweißfläche bewegt, ist die Schweißverbindung, die erzeugt wird, von besonders hoher Qualität (z. B. keine eingeschlossene Luft innerhalb des Schweißverbindungs-Grenzflächenbereichs 206). Ferner kann unerwünschtes überfließendes Material, das am freigelegten äußersten verschweißten Bereich 224 erzeugt wird, durch das Bereitstellen eines angemessenen Volumens innerhalb des Schweißverbindungs-Grenzflächenbereichs 206 vermieden werden, was folglich teure und zeitaufwändige Entgratungsoperationen/Operationen zum Entfernen des überfließenden Materials nach dem Schweißen verringert. Obwohl eine konstante Schweißgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann, tritt schließlich keine vorzeitige Verschlechterung des Polymers am äußeren Bereich 224 der Schweißnaht auf (was vorher der Fall sein würde, wo die Komponenten komplementäre und symmetrische Formen waren).
Daher zieht die vorliegende Offenbarung in bestimmten Aspekten eine Reibschweißanordnung in Betracht, die eine erste Polymerkomponente umfasst, die eine erste Schweißfläche aufweist, die einen konkaven Bereich definiert, der eine erste Form aufweist. Eine zweite Polymerkomponente umfasst eine zweite Schweißfläche, die einen konvexen Bereich definiert, der eine zweite Form aufweist, die sich während des Reibschweißens dreht. Wenigstens eine der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche weist eine der Reibschweißverbindung entsprechende Oberfläche auf, die größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (etwa 4,7 Zoll²) ist. In bestimmten Aspekten sind die erste Form und die zweite Form symmetrisch und komplementär in Bezug aufeinander. Ferner sind in bestimmten anderen Aspekten die erste Form und die zweite Form asymmetrische, nicht komplementäre Formen in Bezug aufeinander. Wenigstens eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente bleibt an einem feststehenden Werkzeug stationär, während die andere der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente während des Reibschweißens, das eine Reibschweißverbindung zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche bildet, an einem sich drehenden Werkzeug drehbar ist.
Wenigstens eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente kann aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet sein, der ein thermoplastisches Polymer und ein Verstärkungsmaterial umfasst, wie oben beschrieben worden ist. In bestimmten Variationen sind die erste Form und die zweite Form in Bezug aufeinander verschieden von und nicht komplementär. In anderen Aspekten sind die erste Form und die zweite Form im Wesentlichen runde Formen. In bestimmten Variationen ist die erste Form aus einer Halbkugelform und einer Ellipsoidform ausgewählt, während die zweite Form aus der anderen der Halbkugelform und der Ellipsoidform ausgewählt ist. Die Oberfläche kann optional irgendeine der vorher oben spezifizierten großen Oberflächen sein, wie z. B. größer als oder gleich etwa 3.225 mm² (etwa 5 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) oder optional größer als oder gleich etwa 3.225 mm² (etwa 5 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) sein. In bestimmten anderen Aspekten können in der ersten Schweißfläche und/oder der zweiten Schweißfläche mehrere Nuten ausgebildet sein.
Hier ist ein beispielhaftes Verfahren zum Entwerfen des Einsatzes oder der drehbaren zweiten Komponente 204 erörtert. Wie oben angegeben worden ist und ferner in den 11 und 12 gezeigt ist, weist die zweite Komponente 204 eine Halbellipsoidform auf, die durch die zweite Schweißfläche 218 definiert ist. Die erste Komponente 202 ist der stationäre Teil mit dem konkaven Grenzflächenbereich 212, der eine Halbkugelform entlang der ersten Schweißfläche 214 definiert. Die Winkel zwischen den jeweiligen Radien entweder der ersten Komponente 202 oder der zweiten Komponente 204 und der Achse 210 (die sich zur ersten Schweißfläche 214 der zweiten Schweißfläche 218 erstrecken) variieren von 30 bis 90 Grad. Es wird angenommen, dass der Zeitraum des Rotationsschweißens bei einer Drehzahl von etwa 3.000 min^–1 eine Dauer von etwa 3 Sekunden ist. Für die Zwecke dieses Beispiels bezieht sich ”Einsatz” auf die zweite Komponente 204, während sich ”Teil” auf die erste Komponente 202 bezieht. Es kann bestimmt werden, dass ein Radius des Teils (der ersten Komponente 204) R_Teil = R_o – ”Kollaps” ist, wobei R_o als der Radius oder die Breite der ”Schweißnaht” (die in 10 als 224 gezeigt ist) definiert ist. Zu dem großen Ellipsenradius wird beliebig 1 mm hinzugefügt (diese Abmessung kann gewählt werden, um klein zu bleiben, um einen fortschreitenden Verlauf des Schweißens zu ermöglichen, obwohl im Idealfall diese Abmessung kleiner als 2 mm ist und sich idealer zwischen etwa 0,5 mm und 1,5 mm befindet): R_Einsatz ^a = [R_o + ”Kollaps” + 1 mm]. R_Einsatz ^a entspricht dem in 12 als 254 bezeichneten Radius. Dann wird R_Einsatz ^b = R_Einsatz ^c basierend auf dem erforderlichen Einsatzvolumen berechnet, so dass der Volumenunterschied zwischen dem Ellipsoideinsatz und dem Teil den angezielten Kollaps kompensiert:

R_Einsatz ^b entspricht der in den 11 und 12 gezeigten Abmessung 252, während R_Einsatz ^c 254 in 12 ist. R_Einsatz ^a > (R_Einsatz ^b = R_Einsatz ^c). V ist das Volumen der zweiten Komponente 204, so dass der Volumenunterschied zwischen der halbellipsoidförmigen zweiten Komponente 204 und der halbkugelförmigen ersten Komponente 202 den vorgewählten Kollapsbetrag in der Schweißverbindungsgrenzfläche 206 erzeugt. In diesem Beispiel kann die Kollapsbreite von 0 mm bis 1 mm reichen. Die Berechnungen für einen Bereich der minimalen und maximalen Radien sind in der Tabelle 2 im Folgenden berechnet.

Kollaps (mm)	Min. äußerer Teilradius (mm)	Max. äußerer Teilradius (mm)	R_Einsatz ^a für min. Einsatz (mm)	R_Einsatz ^b = R_Einsatz ^c für min. Einsatz (mm)	R_Einsatz ^a für max. Einsatz (mm)	R_Einsatz ^b = R_Einsatz ^c für max. Einsatz (mm)
0	22,86	71,63	23,86	22,38	72,63	71,13
0,5	22,61	71,38	24,11	22,63	72,88	71,38
0,75	22,49	71,25	24,24	22,75	73,00	71,51
1	22,36	71,13	24,36	22,88	73,13	71,63

Folglich kann die Abmessung 250, die sich von einem Oberteil bis zu einem Unterteil der zweiten drehbaren Komponente 204 mit einer großen Oberfläche in einem derartigen Beispiel erstreckt, von größer als oder gleich etwa 23 mm bis kleiner als oder gleich etwa 74 mm reichen. Gleichermaßen können die Abmessungen 252 und 254 für eine zweite drehbare Komponente 204 mit einer großen Oberfläche ähnlich von größer als oder gleich etwa 22 mm bis kleiner als oder gleich etwa 72 mm reichen.
Wie oben angegeben worden ist, können durch das Verwenden derartiger Komponentenausführungen der Reibschweißanordnung konzentrische komplementäre halbkugelförmige Komponenten mit einer mittleren bis großen Oberfläche bei relativ niedrigen und konstanten Drehzahlen und niedrigen Kräften in herkömmlichen Fräsmaschinen miteinander rotationsverschweißt werden. Deshalb kann in Abhängigkeit von der Teileausführung und den Schweißzielen das überfließende Material innerhalb des verschweißten Bereichs enthalten sein, anstatt nach außerhalb des verschweißten Bereichs vorzustehen, was ferner irgendeine Notwendigkeit für zusätzliche, komplexe Teileausführungen eliminiert, die zeitaufwändige und teure Entgratungsoperation verringert und die Teileausführung vor dem Schweißen verringert. Die Komponenten oder Teile, die miteinander zu verschweißen sind, können unter Verwendung von Standard-Polymerherstellungsprozessen, wie z. B. Spritzgießen und Formpressen, ohne das Risiko von Formverschlusssituationen aufgrund der einfachen Komponentenausführungen hergestellt werden. In bestimmten Aspekten können die Komponenten einen Befestigungsort aufweisen, um die Anordnung oder das Setzen des Werkzeugs innerhalb eines Abschnitts der Komponente zu ermöglichen, der dem während des Schweißprozesses auferlegten Drehmoment widersteht. Folglich ermöglicht die vorliegende Technik das Rotationsschweißen von thermoplastischen Polymerkomponenten oder -teilen mit großer Oberfläche und von verstärkten thermoplastischen Polymerkomponenten oder -teilen bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen Kräften durch die Auswahl spezieller Ausführungen für die Komponenten.
Entsprechend schafft die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Reibschweißen oder Rotationsschweißen. Ein derartiges Verfahren kann z. B. das Drehen einer ersten Polymerkomponente, die eine erste Schweißfläche aufweist, die eine erste Form definiert, bei einer Drehzahl von kleiner als oder gleich etwa 3.500 Umdrehungen pro Minute (min^–1) umfassen. Dann wird die erste Schweißfläche der ersten Polymerkomponente mit einer zweiten Schweißfläche einer zweiten Polymerkomponente, die stationär gehalten ist, in Kontakt gebracht, während sich die erste Polymerkomponente dreht, um eine Schweißverbindung zwischen der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente zu erzeugen. In bestimmten Variationen kann das In-Kontakt-Bringen unter einem ausgeübten Druck stattfinden, der größer als oder gleich etwa 1 MPa bis kleiner als oder gleich etwa 4 MPa ist. In bestimmten Aspekten beträgt ein bevorzugter Betrag des während des Rotationsschweißens ausgeübten Drucks etwa 2 MPa.
Beispielhaft kann, wenn die Oberfläche etwa 3.225 mm² (etwa 5 Zoll²) beträgt, die Kraft während des Rotationsschweißens (F = A·P, wobei A die Fläche ist und P der ausgeübte Druck ist) größer als oder gleich etwa 3.226 Newton (N) bis kleiner als oder gleich etwa 12.800 N sein. Wenn die Oberfläche etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) beträgt, kann die Kraft während des Rotationsschweißens beispielhaft größer als oder gleich etwa 16.129 N bis kleiner als oder gleich etwa 64.516 N sein. Der Schmelzdickenbereich kann größer als oder gleich etwa 0,5 bis kleiner als oder gleich etwa 1,5 mm sein. Eine der ersten Schweißfläche der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Schweißfläche der zweiten Polymerkomponente definiert einen konkaven Bereich, während die andere der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche einen konvexen Bereich definiert. Die folglich gebildete Schweißverbindung ist von hoher Qualität und robust.
In bestimmten Aspekten kann das Drehen und das In-Kontakt-Bringen gleichzeitig entweder bei einem Rotationsschweißprozess mit konstanter Drehzahl oder bei einem Rotationsschweißprozess mit variabler Drehzahl stattfinden. In bestimmten Variationen kann das Drehen in einem derartigen Prozess bei einer Drehzahl stattfinden, die kleiner als oder gleich etwa 3.500 min^–1 ist, wobei es folglich in Geräten ausgeführt werden kann, die nicht für das Rotationsschweißen spezialisiert sind (z. B. in Fräsmaschinen mit niedrigerer Drehzahl). In bestimmten Variationen kann das Drehen in einem Rotationsschweißprozess bei einer Drehzahl stattfinden, die von größer als oder gleich etwa 200 min^–1 bis kleiner als oder gleich 3.500 min^–1 reicht. Das Drehen und das In-Kontakt-Bringen kann optional gleichzeitig während einer Dauer stattfinden, die größer als oder gleich etwa 1 Sekunde bis kleiner als oder gleich etwa 10 Sekunden ist. In bestimmten Aspekten weisen die erste Schweißfläche und/oder die zweite Schweißfläche eine der Reibschweißverbindung entsprechende Oberfläche von größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (etwa 4,7 Zoll²) auf. In anderen Aspekten weist wenigstens eine der ersten Schweißfläche und/oder der zweiten Schweißfläche mehrere ausgebildete Nuten auf, die folglich Schweißverbindungen in hoher Qualität über die gesamte (endgültige) verschweißte Verbindungsgrenzfläche hervorbringen können.
Als nicht einschränkendes Beispiel tritt das Schmelzen typischerweise bei linearen Rotationsschweiß-Geschwindigkeiten von etwa 360 Zoll/Sekunde (etwa 550 Meter/Minute) bis etwa 600 Zoll/s (etwa 914 m/min) für Nylon auf. Insbesondere kann dieser Bereich der linearen Geschwindigkeiten für das Schmelzen in Abhängigkeit von dem Typ des Harzes und der Gesamtmaterialzusammensetzung variieren. Der Zeitraum des Rotationsschweißens kann von größer als oder gleich etwa 1 Sekunde bis kleiner als oder gleich etwa 10 Sekunden variieren. Wo die Teile z. B. einen kleineren Radius und einen niedrigen Winkel (z. B. in der Nähe von 30 Grad) aufweisen, können die Rotationszeiträume größer als oder gleich etwa 5 Sekunden bis kleiner als oder gleich etwa 10 Sekunden sein. Für ein Teil mit größerem Radius (mit größeren Abmessungen) mit irgendeinem Winkel kann der Rotationszeitraum größer als oder gleich etwa 1 Sekunde bis kleiner als oder gleich etwa 5 Sekunden sein. Wie oben erörtert worden ist, nimmt die Drehzahl mit abnehmendem Radius der Teile während des Rotationsschweißens zu. Die Schergeschwindigkeit nimmt mit abnehmendem Radius der Teile zu. Das durch das Werkzeug benötigte Drehmoment, um das Teil zu drehen (τ = reaktives Reibungsdrehmoment + Antriebsdrehmoment) ist zu der Oberfläche, der Drehzahl und der Schergeschwindigkeit proportional.
In einem Beispiel beträgt ein Radius des sich drehenden Teils etwa 6 mm und reicht ein Winkel von 30 bis 90. Eine Dauer des Rotationsschweißens kann etwa 10 Sekunden betragen, wobei folglich die Drehzahl etwa 1.772 min^–1 bis 2.953 min^–1 betragen kann. In einem weiteren Beispiel beträgt der Radius des sich drehenden Teils etwa 23 mm und reicht der Winkel von 30 bis 90. In einem derartigen Beispiel reicht die Dauer des Rotationsschweißens von 2 bis 10 Sekunden, wobei die Drehung bei einer Drehzahl von etwa 472 min^–1 bis etwa 3.281 min^–1 stattfinden kann. In einem noch weiteren Beispiel beträgt der Radius des sich drehenden Teils etwa 72 mm und reicht der Winkel von 30 bis 90, reicht eine Dauer des Rotationsschweißens von 1 bis 10 Sekunden und kann die Drehung bei einer Drehzahl von etwa 151 min^–1 bis etwa 3.016 min^–1 stattfinden.
Folglich erzeugt gemäß verschiedenen Aspekten die Ausführung der Polymerkomponenten, die rotationsverschweißt werden sollen, hochwertige Schweißverbindungen ohne Begleitschäden an den Polymermaterialien. Ferner ermöglicht die Ausführung derartiger Polymerteile, die zu verschweißen sind, das Rotationsschweißen unter Verwendung preiswerterer, zugänglicherer Geräte durch das Verringern einer für das Rotationsschweißen von Teilen mit großer Oberfläche erforderlichen Geschwindigkeit. Durch die Verwendung derartiger Komponentenausführungen können konzentrische, nicht komplementäre Teile mit großer Oberfläche (z. B. halbkugelförmige und ellipsoidförmige Gegenstückbereiche der Komponenten) angepasst und erfolgreich miteinander rotationsverschweißt werden. In bestimmten Aspekten ermöglicht eine derartige Komponentenausführung, dass relativ konstante Oberflächen während des Rotationsschweißprozesses diskret verschweißt werden, wobei dadurch ein Rotationsschweißen bei einer konstanten und niedrigen Drehzahl und einer konstanten und niedrigen Kraft während des Prozesses ermöglicht wird, ohne die Schweißverbindungsqualität schlecht zu beeinflussen, während die vorzeitige Polymerverschlechterung am äußeren Rand des Teils vermieden wird. In anderen Aspekten wird ein Niveau der Kraft, die für das Rotationsschweißen derartiger Teile mit großen Oberflächen erforderlich ist, außerdem verringert. Insbesondere sind in bestimmten Aspekten die Verfahren besonders geeignet, wo ein Schweißbereich eine große Oberfläche ist, wobei sie aber für die Verwendung mit herkömmlichen zylinderförmigen Teilen mit kleiner Oberfläche, die miteinander rotationsverschweißt werden sollen, weniger geeignet sind. Wie oben angegeben worden ist, waren die herkömmlichen rotationsverschweißten Prozesse an den Schweißflächen mit variierendem Durchmesser und großen Oberflächen nicht möglich, da sie zu einer ungleichmäßigen Schweißverbindungsqualität aufgrund der Anforderung einer variierenden Kraft des Prozesses führen würden, wenn in einem größeren oder einem kleineren Abstand von der Drehachse gearbeitet wird. Falls ferner die Komponenten gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, z. B. nicht komplementäre oder asymmetrische konzentrische Teile, in spezialisierten Rotationsschweißmaschinen mit hoher Drehzahl (die eine höhere Drehzahl über 3.500 min^–1 und höhere ausgeübte Kräfte aufweisen) verwendet würden, während die gleiche sichtbare verschweißte Oberfläche gebildet werden kann, weil die Drehzahl konstant gehalten würde, würde die erreichte Schweißverbindungsqualität überall potentiell inkonsistent sein. Folglich könnte die Schweißverbindung schwach und anfällig für Störungen sein. Weil außerdem das während des Prozesses erzeugte überfließende Material in einer herkömmlichen Rotationsschweißmaschine nicht von der verschweißten Oberfläche weggeschoben würde, wenn der Prozess weitergeht, könnte in der Schweißnaht wahrscheinlich Luft eingeschlossen werden, wobei deshalb schwächere und unvorhersehbare Schweißverbindungen erzeugt werden.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen ist für die Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt worden. Sie ist nicht vorgesehen, um vollständig zu sein oder um die Offenbarung einzuschränken. Die einzelnen Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese spezielle Ausführungsform eingeschränkt, sondern sind austauschbar, wo es anwendbar ist, und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn es nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben ist. Dieselbe kann außerdem in verschiedenen Weisen variiert werden. Derartige Variationen sollen nicht als eine Abweichung von der Offenbarung betrachtet werden, wobei vorgesehen ist, dass alle derartigen Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung enthalten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0122262 [0042]
US 2013/0272780 [0042]
WO 2012/117593 [0042]
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WO 2012/105389 [0042]
WO 2012/105717 [0042]
WO 2012/108446 [0042]
WO 2012/140793 [0042]
WO 2012/105080 [0042, 0045]

Claims

Reibschweißanordnung, die umfasst: eine erste Polymerkomponente, die eine erste Schweißfläche umfasst, die eine erste Form definiert und mehrere Oberflächenmerkmale umfasst, wobei jedes jeweilige Oberflächenmerkmal konkav oder konvex ist; eine zweite Polymerkomponente, die eine zweite Schweißfläche umfasst, die eine zweite Form definiert, wobei eine der ersten Form oder der zweiten Form konvex ist, während die andere der ersten Form oder der zweiten Form konkav ist; und eine Reibschweißverbindung, die zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche ausgebildet ist, wobei eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente an einem feststehenden Werkzeug stationär bleibt, während die andere der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente während des Reibschweißens, das die Reibschweißverbindung bildet, an einem sich drehenden Werkzeug drehbar ist.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Polymerkomponente aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist, der ein thermoplastisches Polymer und ein Verstärkungsmaterial umfasst.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Oberflächenmerkmale optional umfassen: (i) mehrere Nuten, wobei jede Nut der mehreren Nuten eine Orientierung senkrecht zu einer Richtung der Drehung aufweist und sich von einem Mittenbereich der ersten Schweißfläche zu einem äußeren Umfang der ersten Schweißfläche erstreckt; und/oder (ii) konvexe Oberflächenmerkmale, die als Energierichtungsgeber dienen, wobei die konvexen Oberflächenmerkmale aus der Gruppe ausgewählt sind, die umfasst: rund geformte Vorsprünge, Buckel, Noppen, Rippen und Kombinationen daraus.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Oberflächenmerkmale mehrere Nuten umfassen, die größer als oder gleich etwa 3 bis kleiner als oder gleich etwa 182 Nuten auf der ersten Schweißfläche umfassen.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Oberflächenmerkmale mehrere Nuten umfassen, die erste mehrere Nuten, die eine erste Länge definieren, und zweite mehrere Nuten, die eine zweite Länge definieren, die kleiner als die erste Länge ist, umfassen, wobei die mehreren Nuten optional ferner dritte mehrere Nuten umfassen, die eine dritte Länge definieren, die kleiner als sowohl die erste Länge als auch die zweite Länge ist.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Oberflächenmerkmale mehrere Nuten umfassen, wobei jede Nut der mehreren Nuten eine Breite, die größer als oder gleich etwa 0,5 mm bis kleiner als oder gleich etwa 3 mm ist, und eine Tiefe, die größer als oder gleich etwa 0,5 mm bis kleiner als oder gleich etwa 3 mm ist, aufweist und wobei jede Nut der mehreren Nuten eine Form auf der ersten Schweißfläche definiert, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die umfasst: ein Dreieck, ein Rechteck, ein Viereck und Kombinationen daraus.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Form und die zweite Form in Bezug aufeinander komplementär sind und wobei die erste Form und die zweite Form optional im Wesentlichen runde Formen sind.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche eine der Reibschweißverbindung entsprechende Oberfläche aufweist, die größer als oder gleich etwa 3.000 mm² (4,7 Zoll²) ist, wobei die Oberfläche optional größer als oder gleich etwa 3.225 mm² (5 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) ist und die Oberfläche optional größer als oder gleich etwa 6.500 mm² (10 Zoll²) bis kleiner als oder gleich etwa 16.200 mm² (etwa 25,1 Zoll²) ist.
Reibschweißanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Form eine Halbkugelform ist und die zweite Form eine Ellipsoidform ist.
Verfahren zum Reibschweißen, um eine Reibschweißanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu bilden, das umfasst: Drehen der ersten Polymerkomponente, die die erste Schweißfläche aufweist, die die erste Form definiert, mit einer Drehzahl, die größer als oder gleich etwa 200 Umdrehungen pro Minute (min^–1) bis kleiner als oder gleich etwa 3.500 min^–1 ist; und In-Kontakt-Bringen der ersten Schweißfläche der ersten Polymerkomponente mit der zweiten Schweißfläche einer zweiten Polymerkomponente, die stationär gehalten ist, während sich die erste Polymerkomponente dreht, um eine Schweißverbindung zwischen der ersten Polymerkomponente und der zweiten Polymerkomponente zu erzeugen, wobei das In-Kontakt-Bringen unter einem ausgeübten Druck stattfindet, der größer als oder gleich etwa 1 MPa bis kleiner als oder gleich etwa 4 MPa ist, und eine der ersten Schweißfläche der ersten Polymerkomponente oder der zweiten Schweißfläche der zweiten Polymerkomponente einen konkaven Bereich definiert, während die andere der ersten Schweißfläche oder der zweiten Schweißfläche einen konvexen Bereich definiert, wobei das Drehen und das In-Kontakt-Bringen während einer Dauer, die größer als oder gleich etwa 1 Sekunde bis kleiner als oder gleich etwa 10 Sekunden ist, stattfinden.