DE102018211615A1 - Kunststoff - Schweißverfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Schweißverfahren zur Verbindung von mindestens zwei Halbzeugen (1A, 1B) aus thermoplastischen Kunststoffen. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoff-Schweißverfahren zu schaffen, das einfach ist und dabei ein hohes Maß an Sicherheit gegen Undichtigkeiten aufweist. Das crfindungsgemäße Verfahren weist mindestens folgende Arbeitsschritte auf:Zusammenlegung von Halbzeugen (1A, 1B) derart, dass die vorbestimmten Kantengeometrien korrespondierend zueinander zu liegen kommen und mindestens einen Verbindungsspalt (2) bilden, Einspritzen eines plastifizierten, thermoplastischen Zusatzmaterials (3) in den mindestens einen Spalt (2), wobei das thermoplastische Zusatzmaterial (3) für Laserstrahlen (4) transparent ist und an Grenzflächen (5) der Halbzeuge (1A, 1B) in dem Spalt das Material der Halbzeuge (1A, 1B) mindestens teilweise anschmilzt, wobei mindestens teilweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial (3) und dem angeschmolzenen Material der Halbzeuge (1A, 1B) erreicht wird, Bestrahlung des Spaltes (2) mit mindestens einem Laserstrahl (4), dabei Anschmelzung im wesentlichen der gesamten Grenzfläche (5) zwischen den Halbzeugen (1A, 1B) und dem Zusatzmaterial (3), wobei eine vollständige stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial (3) und dem angeschmolzenen Material der Halbzeuge (1A, 1B) erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Schweißverfahren, insbesondere zur Verbindung von mindestens zwei Halbzeugen aus thermoplastischen Kunststoffen zu einem Hohlkörper.
  • Hohlkörper, die mit derartigen Schweißverbindungen aufgebaut werden, sind an sich bekannt. So offenbart die US 2005/028 4562 A1 einen thermoplastischen Hohlkörper aus zwei halbschalenförmigen, aus thermoplastischen Platten tiefgezogenen Halbzeugen. Dabei weisen die Halbzeuge Flansche auf, die beim Übereinanderlegen der Halbzeuge gegeneinander zu liegen kommen. Die Flansche werden dann mithilfe von Rollelektroden zusammengeschweißt, wobei zur Unterstützung noch Klebstoffe zum Einsatz kommen können.
  • Diese Art der Verbindung ist jedoch auf Geometrien mit relativ geringer Wandstärke in den Flanschen beschränkt, da bei zu großer Dicke in die Verbindungszone nicht genug Wärme hinein zu transportieren ist, um diese sicher zu verbinden, ohne die weiter außen liegenden Bereiche der Flansche unzulässig anzuschmelzen. Da kein Schweißzusatzwerkstoff vorgesehen ist, müssen die Halbzeuge relativ genau aufeinander liegen, da sonst die Gefahr besteht, dass die Schweißnaht Undichtigkeiten aufweist.
  • Eine ähnliche Lösung mit weiteren Verbindungsarten der Schweißnaht sind in der EP 2 194 303 A1 offenbart. Da auch hier ohne Schweißzusatzwerkstoff gearbeitet werden soll, gilt auch hier, dass die Halbzeuge zur Vermeidung von Undichtigkeiten relativ genau zueinander passen müssen.
  • In der WO 2008/138709 A2 ist eine Verbindungsvorrichtung für Strömungsmedien offenbart, welche aus mindestens zwei thermoplastischen Komponenten aufgebaut ist, von denen mindestens eine Komponente aus einem für Laserstrahlen transparenten Material besteht. Die Komponenten sollen mittels Laserstrahl miteinander verschweißt werden.
  • Einerseits ist bei dieser Lösung die Auswahl der zur Verfügung stehenden Werkstoffe für die mindestens eine transparente Komponente eingeschränkt, außerdem gilt auch hier, dass die vorgefertigten Komponenten relativ genau zueinander passen müssen, um eine zuverlässige Schweißung zu erreichen (siehe dazu Seite 7, Abs. 3 der WO 2008/138709 A2 ). Da dies nicht immer gewährleistet ist, sind in dieser Schrift verschiedene Hilfslösungen genannt, wie zusätzliche Schichten, die durch den Laserstrahl quasi wie ein Zusatzwerkstoff aufschmelzbar sind (Seite 5, Abs. 3 der WO 2008/138709 A2 ) oder Hilfsdorne, die während des Schweißen für eine Pressung zwischen den zu verschweißenden Bauteilen sorgen sollen.
  • Alle diese Maßnahmen stellen jedoch einen zusätzlichen Aufwand dar, der gegebenenfalls dazu führen kann, dass ein solches Verbindungsverfahren nicht mehr wirtschaftlich einsetzbar ist.
  • Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoff-Schweißverfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das einfach ist und dabei ein hohes Maß an Sicherheit gegen Undichtigkeiten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Arbeitsschritte aufweist, nämlich
    • - Bereitstellung mindestens zweier Halbzeuge aus thermoplastischem Material mit vorbestimmter Kantengeometrie,
    • - Zusammenlegung der Halbzeuge derart, dass die vorbestimmten Kantengeometrien korrespondierend zueinander zu liegen kommen und mindestens einen Verbindungsspalt bilden,
    • - Einspritzen eines plastifizierten, thermoplastischen Zusatzmaterials in den mindestens einen Spalt, wobei das thermoplastische Zusatzmaterial für Laserstrahlen transparent ist und an den Grenzflächen der Halbzeuge in dem Spalt das Material der Halbzeuge mindestens teilweise anschmilzt, wobei mindestens teilweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial und dem angeschmolzenen Material der Halbzeuge erreicht wird,
    • - Bestrahlung des Spaltes mit mindestens einem Laserstrahl, dabei Anschmelzung im wesentlichen der gesamten Grenzfläche zwischen den Halbzeugen und dem Zusatzmaterial, wobei eine vollständige stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial und dem angeschmolzenen Material der Halbzeuge erreicht wird,
    • - Abkühlen und Entnahme des fertigen Kunstoffteiles.
  • Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass durch die Verwendung des Zusatzwerkstoffes Ungleichmäßigkeiten in dem Spalt zwischen den zusammengelegten Halbzeugen ausgeglichen werden können. Bereits beim Einspritzen des Zusatzmaterials entsteht eine provisorische Verbindung der Halbzeuge, so dass beim nachfolgenden Fertigungsschritten ein gewisser Zusammenhalt der Halbzeuge gegeben ist.
  • Die nachfolgende Bestrahlung der Grenzflächen zwischen dem Zusatzmaterial und den Halbzeugen durch Laserstrahlen, die durch die Lasertransparenz des Zusatzmaterials möglich ist, sorgt für eine zuverlässige und ausreichende Wärmezufuhr, so das ein sicheres und dichtes Verschweißen der Halbzeuge mit dem Zusatzwerkstoff erreicht wird.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Verbindungsspalt mindestens einen Hinterschnitt auf.
  • Hinterschnitte im Verbindungsspalte können durch das plastifizierte Zusatzmaterial umspritzt werden, sodass trotz der Hinterschnitte der Spalt vollständig mit Zusatzmaterial gefüllt werden kann. Beim verschweißen des Zusatzmaterials mit den Halbzeugen kann sich je nach Geometrie der Hinterschnitte aufgrund der Schrumpfung der Materialien beim Abkühlen eine Spannung in dem Spalt bilden, die für einen besonders guten Zusammenhalt der Bauteile sorgen kann.
  • Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Hohlkörpers, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, in einer prinzipiellen Darstellung. Der Ausschnitt zeigt den Bereich des Verbindungsspaltes.
  • Zwei Halbzeuge 1A und 1B sind aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt und bei diesem Verfahrensschritt bereits fertig. Die Halbzeuge 1A und 1B sind derart zueinander angeordnet, dass zwischen ihnen ein Verbindungsspalt 2 mit zwei Hinterschnitten 2A und 2B ausgebildet wird. Der Spalt 2 erstreckt sich in vorbestimmter Geometrie in der gezeigten Ebene sowie längs eines vorbestimmten Verlaufes senkrecht zur gezeigten Ebene, wobei der vorbestimmte Verlauf den Umrissen des hier nicht gezeigten vollständigen Hohlkörpers entspricht. Dabei ist die Länge des senkrecht zur gezeigten Ebene verlaufenden Spaltes 2 erheblich größer als die Breite des Spaltes 2 in der gezeigten Ebene.
  • Der Verbindungspalt 2 ist mit einem thermoplastischen Zusatzmaterial 3 angefüllt, wobei das Zusatzmaterial 3 für Laserstrahlen transparent ist. Das Zusatzmaterial 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Spritzvorgang in den Spalt 2 eingebracht worden.
  • Ein hier durch einen Doppelpfeil symbolisierter Laserstrahl 4 strahlt durch das Zusatzmaterial 3 und trifft auf Grenzflächen 5, die durch den Kontakt des Zusatzmaterials 3 mit den dem Spalt 2 zugeordneten Endflächen der Halbzeuge 1A und 1B gebildet werden. Durch das Auftreffen des Laserstrahls 4 werden die Grenzflächen 5 im Bereich des Auftreffens des Laserstrahls 4 erwärmt, wobei das thermoplastische Material sowohl der Halbzeuge 1A und 1B als auch das Zusatzmaterial 3 angeschmolzen werden, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial 3 und den Halbzeugen 1A und 1B entsteht. Der Laserstrahl 4 wird längs des Spaltes 2 senkrecht zur gezeigten Ebene, dem vorbestimmten Verlauf folgend fortbewegt, so das nacheinander alle Grenzflächen 5. Spaltes 2 angeschmolzen werden.
  • Wurde der Laserstrahl 4 weiterbewegt, kühlen die angeschmolzenen Bereiche der Grenzflächen 5 ab und erstarren dabei. Da sich das thermoplastische Material sowohl des Zusatzwerkstoffs 3 als auch der Halbzeuge 1A und 1B beim erwärmen ausdehnt, entsteht beim Abkühlen ein Schrumpf. Da die Grenzflächen 5 stoffschlüssig verbunden sind, werden durch diesen Schrumpf die Halbzeuge 1A und 1B sowohl gegeneinander als auch senkrecht zur gezeigten Ebene, also in Dickenrichtung zusammengezogen, was in Verbindung mit den Hinterschnitten 2A und 2B eine zuverlässige Verbindung unter hoher Sicherheit gegen Undichtigkeiten des nun verschweißen Spaltes 2 gewährleistet.
  • Bezugszeichenliste
  • (Teil der Beschreibung)
    • 1A, 1B
    Halbzeuge aus thermoplastischem Kunststoff
    2
    Verbindungsspalt
    2A, 2B
    Hinterschnitte des Spaltes 2
    3
    thermoplastisches, lasertransparentes Zusatzmaterial
    4
    Laserstrahl, Doppelpfeil
    5
    Grenzflächen zwischen Zusatzmaterial 3 und den Halbzeugen 1A und 1B
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2005/0284562 A1 [0002]
    • EP 2194303 A1 [0004]
    • WO 2008/138709 A2 [0005, 0006]

Claims (2)

  1. Kunststoff-Schweißverfahren, insbesondere zur Verbindung von mindestens zwei Halbzeugen (1A, 1B) aus thermoplastischen Kunststoffen zu einem Hohlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Arbeitsschritte aufweist, nämlich - Bereitstellung mindestens zweier Halbzeuge (1A, 1B) aus thermoplastischem Material mit vorbestimmter Kantengeometrie (2A, 2B), - Zusammenlegung der Halbzeuge (1A, 1B) derart, dass die vorbestimmten Kantengeometrien korrespondierend zueinander zu liegen kommen und mindestens einen Verbindungsspalt (2) bilden, - Einspritzen eines plastifizierten, thermoplastischen Zusatzmaterials (3) in den mindestens einen Spalt (2), wobei das thermoplastische Zusatzmaterial (3) für Laserstrahlen (4) transparent ist und an Grenzflächen (5) der Halbzeuge (1A, 1B) in dem Spalt das Material der Halbzeuge (1A, 1B) mindestens teilweise anschmilzt, wobei mindestens teilweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial (3) und dem angeschmolzenen Material der Halbzeuge (1A, 1B) erreicht wird, - Bestrahlung des Spaltes (2) mit mindestens einem Laserstrahl (4), dabei Anschmelzung im wesentlichen der gesamten Grenzfläche (5) zwischen den Halbzeugen (1A, 1B) und dem Zusatzmaterial (3), wobei eine vollständige stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zusatzmaterial (3) und dem angeschmolzenen Material der Halbzeuge (1A, 1B) erreicht wird, - Abkühlen und Entnahme des fertigen Kunstoffteiles.
  2. Kunststoff-Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsspalt (2) mindestens einen Hinterschnitt (2A, 2B) aufweist.
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WO2008138709A2 (de) 2007-05-11 2008-11-20 Voss Automotive Gmbh Verbindungsvorrichtung für strömungsmedien
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