DE102020133920B4 - Verfahren zum thermischen Fügen thermoplastischer Kunststoffe - Google Patents

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    • B29C66/949—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the time characterised by specific time values or ranges

Abstract

Fügeverfahren zum thermischen Fügen wenigstens eines ersten, wenigstens an seiner Fügefläche (21) thermoplastischen Werkstücks (2) mit wenigstens einem zweiten, wenigstens an seiner Fügefläche (31) thermoplastischen Werkstück (3), bei dem das erste Werkstück (2) von einer ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung (4) und das zweite Werkstück (3) von einer zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung (5) gehalten werden, in einem Zwischenraum (6) zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück (2, 3) wenigstens eine Erwärmungseinrichtung (7) angeordnet wird, mit der in einem Anwärmschritt miteinander zu fügende Fügeflächen (21, 31) des ersten und des zweiten Werkstückes (2, 3) mindestens bis auf eine Fügetemperatur erwärmt werden, die Erwärmungseinrichtung (7) nachfolgend in einem Herausfahrschritt aus dem Zwischenraum (6) herausgefahren wird, danach in einem Zufahrschritt das erste und/oder das zweite Werkstück (2, 3) aufeinander zu bewegt werden, bis die Fügeflächen (21, 31) einander kontaktieren, und direkt daran anschließend in einem Fügeschritt die erwärmten Fügeflächen (21, 31) verbunden werden, wobei mit wenigstens einem mit einer der Werkstückaufnahmeeinrichtungen (4, 5) mechanisch gekoppelten und von Führungen (11, 12, 13) und Antrieben (14, 15, 16) entkoppelten Kraftsensor (10) Kraftmessungen während des Fügeverfahrens vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden, noch nicht erwärmten Werkstücke (2, 3) vor dem Anwärmschritt aufeinander zu bewegt werden, bis sie einander kontaktieren, woraufhin die Position der Werkstücke (2, 3) bei Kontakt zueinander gemessen wird und beim Fügeschritt als Referenz zur Ermittlung des Fügeweges verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum thermischen Fügen wenigstens eines ersten, wenigstens an seiner Fügefläche thermoplastischen Werkstücks mit wenigstens einem zweiten, wenigstens an seiner Fügefläche thermoplastischen Werkstück, bei dem das erste Werkstück von einer ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung und das zweite Werkstück von einer zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung gehalten werden, in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück wenigstens eine Erwärmungseinrichtung angeordnet wird, mit der in einem Anwärmschritt miteinander zu fügende Fügeflächen des ersten und des zweiten Werkstückes mindestens bis auf eine Fügetemperatur erwärmt werden, die Erwärmungseinrichtung nachfolgend in einem Herausfahrschritt aus dem Zwischenraum herausgefahren wird, danach in einem Zufahrschritt das erste und das zweite Werkstück aufeinander zu bewegt werden, bis die Fügeflächen einander kontaktieren, und direkt daran anschließend in einem Fügeschritt die erwärmten Fügeflächen verbunden werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind Fügemaschinen für das thermische Fügen von thermoplastischen Kunststoffen bekannt.
  • Aus der Druckschrift DE 20 2016 107 208 U1 ist eine Heizelementschweißeinheit mit einem an einer Halterung befestigten Werkzeugschlitten bekannt. Ein von dem Werkzeugschlitten gehaltenes, erwärmtes Werkstück wird an ein vorgelegtes Bauteil angedrückt. Mit dem Werkzeugschlitten und/oder einem Heizelementschlitten der Heizelementschweißeinheit ist ein jeweiliger Kraftsensor gekoppelt, um die von dem Werkzeugschlitten ausgeübte Druckkraft zu erfassen und in Signalform auszugeben. Der Vorschub des Werkzeugschlittens wird nach Maßgabe der jeweils erzeugten Druckkraft geregelt.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2017 202 894 A1 ist ein Verfahren zum thermischen Fügen von Kunststoffplatten bekannt, bei dem die Kunststoffplatten zueinander passgenau positioniert und unter sensorischer Überwachung des Anpressdruckes miteinander verbunden werden.
  • In der Druckschrift DE 10 2012 222 021 A1 ist ein Verfahren zum Heizelementstumpfschweißen von Kunststoff-Fügeteilen offenbart, bei dem die zu verschweißenden Teile durch ein Heizelement an Fügestellen erwärmt und anschließend zusammengefügt werden. Mittels eines Wärmestromsensors wird der von dem Heizelement erzeugte Wärmestrom gemessen. Das Messsignal wird zur Überwachung des Heizelementstumpfschweißens ausgewertet.
  • Beim thermischen Fügen werden einander gegenüber befindliche Fügeflächen der miteinander durch das Fügen zu verbindenden thermoplastischen Werkstücke mittels eines Erwärmungsmechanismus aufgeschmolzen, nachfolgend die Werkstücke aufeinander zu bewegt und nach Kontaktierung der Fügeflächen, d. h. während des eigentlichen Fügeschrittes, gegeneinander weiterbewegt oder mit einer Kraft beaufschlagt.
  • Um die Werkstücke aufeinander zu und voneinander weg bewegen zu können, nutzt man regelbare servomotorische oder pneumatische Antriebe, denen einmalig entweder ein während des Fügeschrittes zurückzulegender Weg oder eine während des Fügeschrittes auszuübende Kraft vorgegeben wird. Hierfür notwendige Weg- oder Kraftsensoren sind überwiegend an den verwendeten Antrieben montiert. Dadurch werden mittels der Weg- oder Kraftsensoren zusätzlich zudem eigentlich zu ermittelnden Werten auch sich durch die Führungen und daran entstehender Reibung ergebende Krafttoleranzen sowie sich durch elastische Verformungen an den Führungen ergebende Wegtoleranzen erfasst. Infolgedessen sind im Stand der Technik keine reproduzierbaren, gleich bleibenden thermischen Fügungen möglich. Entsprechend weisen die gefügten Werkstücke bzw. deren Dimensionen oft erhebliche Toleranzen auf. Im Stand der Technik erfolgt das Erstarren der Schmelze bei Wegsteuerung kraftlos.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum thermischen Fügen thermoplastischer Werkstücke zur Verfügung zu stellen, mit welchen das Fügen reproduzierbarer und genauer wird.
  • Während im Stand der Technik jeweils eines der Werkstücke mit voller Kraft in die Kunststoffschmelze des anderen Werkstücks hineinfährt, kann die angegebene Ausführungsform der Fügevorrichtung kurz das erste Werkstück kurz vor der Schmelze des zweiten Werkstücks anhalten oder abbremsen und dann den Fügedruck und/oder den Fügeweg definiert aufbauen.
  • Durch die jeweilige Mehrstufigkeit des Prozesses können beispielsweise Fehlstellen in der Fügeverbindung reduziert und damit die Qualität der gefügten Werkstücke gesteigert werden.
  • Vorzugsweise weist hierfür die Fügevorrichtung wenigstens einen von Führungen und Antrieben der Fügevorrichtung entkoppelten Wegsensor auf, mit dem der Fügeweg ermittelbar ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Fügevorrichtung sind ein erster Abstand zwischen der ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung und der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung und ein zweiter Abstand zwischen der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung und der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung jeweils dynamisch einstellbar.
  • Dabei ist es möglich, dass die wenigstens eine Erwärmungseinrichtung zwar in den Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung einfahren und aus diesem Zwischenraum ausfahren kann, aber während des Anwärmschrittes in der Fügeebene verbleibt und nicht relativ zu der ersten und der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung und damit nicht relativ zu dem ersten und dem zweiten Werkstück verstellt wird, aber die erste Werkstückaufnahmeeinrichtung und die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung relativ zu der während des Anwärmschrittes positionsfesten wenigstens einen Erwärmungseinrichtung insbesondere während des Anwärmschrittes verstellbar sind. Es ist auch möglich, dass eine der Werkstückaufnahmeeinrichtungen während des Anwärmschrittes positionsfest ist und die andere Werkstückaufnahmeeinrichtung und die wenigstens eine Erwärmungseinrichtung während des Anwärmschrittes in ihrer Position verstellt werden können. Auch können beide Werkstückaufnahmeeinrichtungen als auch die wenigstens eine Erwärmungseinrichtung so bewegbar sein, dass sie jeweils im Abstand zueinander verstellbar sind. Dadurch ist es möglich, dass seitenunabhängig, beispielsweise in mehreren Stufen oder über einen oder mehrere Gradienten, zeit- und/oder geschwindigkeitsdefiniert der jeweilige Abstand zwischen der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung und den Fügepartnern eingestellt und somit individuell über die jeweilige Erwärmungsdauer unmittelbar Einfluss auf den jeweiligen Wärmeenergieeintrag, unabhängig von der Trägheit der jeweils genutzten Erwärmungseinrichtung, in die Werkstücke genommen werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fügeverfahren zum thermischen Fügen wenigstens eines ersten, wenigstens an seiner Fügefläche thermoplastischen Werkstücks mit wenigstens einem zweiten, wenigstens an seiner Fügefläche thermoplastischen Werkstück gelöst, bei dem das erste Werkstück von einer ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung und das zweite Werkstück von einer zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung gehalten werden, in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück wenigstens eine Erwärmungseinrichtung angeordnet wird, mit der in einem Anwärmschritt miteinander zu fügende Fügeflächen des ersten und des zweiten Werkstückes mindestens bis auf eine Fügetemperatur erwärmt werden, die Erwärmungseinrichtung nachfolgend in einem Herausfahrschritt aus dem Zwischenraum herausgefahren wird, danach in einem Zufahrschritt das erste und/oder das zweite Werkstück aufeinander zu bewegt werden, bis die Fügeflächen einander kontaktieren, und direkt daran anschließend in einem Fügeschritt die erwärmten Fügeflächen verbunden werden, wobei mit wenigstens einem, mit einer der Werkstückaufnahmeeinrichtungen mechanisch gekoppelten und von Führungen und Antrieben entkoppelten Kraftsensor Kraftmessungen während des Fügeverfahrens vorgenommen werden, wobei die zu fügenden, noch nicht erwärmten Werkstücke vor dem Anwärmschritt aufeinander zu bewegt werden, bis sie einander kontaktieren, woraufhin die Position der Werkstücke bei Kontakt zueinander gemessen wird und beim Fügeschritt als Referenz zur Ermittlung des Fügeweges verwendet wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren ist der notwendige wenigstens eine Kraftsensor nicht an einer Führung oder einem Antrieb der verwendeten Fügevorrichtung vorgesehen, sondern in der Nähe der Fügeebene, wodurch über den wenigstens einen Kraftsensor die tatsächlich während des Fügens wirkenden Kräfte erfasst und auf diese Einfluss genommen werden kann. Durch die spezielle Anordnung des wenigstens einen Kraftsensors ist es möglich, die Qualität der Fügeverbindung bei sehr geringen Fertigungstoleranzen erheblich zu steigern.
  • Indem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zu fügenden, noch nicht erwärmten Werkstücke vor dem Anwärmschritt aufeinander zu bewegt werden, bis sie einander kontaktieren, woraufhin die Position der Werkstücke bei Kontakt zueinander gemessen wird und beim Fügeschritt als Referenz zur Ermittlung des Fügeweges verwendet wird, kann ein Versatzausgleich zwischen den zu fügenden Werkstücken erzielt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren nimmt vor dem Anwärmschritt eine Vorwegnahme von Elementen des Fügeprozesses vor, indem die zu fügenden Werkstücke im ursprünglichen, nicht aufgeschmolzenen Zustand zusammengeführt, die Position der Werkstücke zueinander gemessen und als Information zumindest temporär gespeichert wird. Diese Position dient später als Referenz zur Ermittlung des Fügeweges bzw. zur Nullung einer Ausgangsposition. Eine intelligente Steuerung der verwendeten Fügevorrichtung kann dann auf Bauteiltoleranzen angepasste Fügeparameter berechnen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Fügeschrittes mehrstufig ein Weg der sich aufeinander zu bewegenden Werkstücke und/oder eine Kraft der aufeinander wirkenden Werkstücke gesteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann weggesteuert, kraftgesteuert oder kraftweggesteuert ausgeführt werden. So kann beispielsweise nach erfolgter Werkstückerwärmung das erste Werkstück an das zweite Werkstück bis auf Werkstückkontakt bei einer ersten Geschwindigkeit heranfahren, woraufhin das erste Werkstück mit einer zweiten Geschwindigkeit relativ zu dem zweiten Werkstück weiterbewegt wird. Es ist auch möglich, das erste Werkstück an das zweite Werkstück bis auf Kontakt heranzufahren, woraufhin ein Kraftaufbau an der Fügefläche erfolgt.
  • Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Weg der sich aufeinander zu bewegenden Werkstücke von einem von Führungen und Antrieben entkoppelten Wegsensor gemessen wird.
  • Unterschiedliche Gestaltungen der Fügeflächen der Werkstücke und/oder der Erwärmungseinrichtung erfordern eine zeitlich veränderte Wärmeenergiezufuhr. Die Erwärmungseinrichtung selbst kann eine schnelle Änderung der Wärmeenergie nicht realisieren. In einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher wenigstens in dem Anwärmschritt ein erster Abstand zwischen der ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung und der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung und ein zweiter Abstand zwischen der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung und der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung jeweils dynamisch eingestellt. Hierbei kann entweder wenigstens ein starres ebenes Erwärmungseinrichtung mit beidseitig der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung vorgesehenen, angetriebenen Werkstückaufnahmeeinrichtungen oder auch nur eine einseitig der wenigstens einen, in diesem Fall positionsverstellbaren Erwärmungseinrichtung vorgesehene positionsverstellbare Werkstückaufnahmeeinrichtung bei gleichzeitig positionsfester anderer Werkstückaufnahmeeinrichtung verwendet werden.
  • Das Verfahren ist an einer Fügevorrichtung zum thermischen Fügen wenigstens eines ersten, wenigstens an seiner Fügefläche thermoplastischen Werkstücks mit wenigstens einem zweiten, wenigstens an seiner Fügefläche thermoplastischen Werkstück ausführbar, wobei die Fügevorrichtung wenigstens eine erste und eine zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung, wobei die erste und die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, und wenigstens eine in einen/aus einem Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung ein- und ausfahrbare Erwärmungseinrichtung aufweist, und wobei wenigstens eine der Werkstückaufnahmeeinrichtungen mit wenigstens einem Kraftsensor mechanisch gekoppelt ist, der von Führungen und Antrieben der Fügevorrichtung entkoppelt ist,
  • Bei der vorliegenden Erfindung befindet sich der wenigstens eine, in die Steuerung der Relativbewegung zwischen dem wenigstens einen ersten und dem wenigstens einen zweiten Werkstück einbezogenen Kraftsensor nicht, wie im Stand der Technik, an wenigstens einem der Antriebe zum Bewegen der Werkstück, sondern ist von diesen Antrieben oder von Führungen, entlang die Werkstücke bewegt werden, mechanisch entkoppelt. Der Kraftsensor kann beispielsweise als Messplatte ausgebildet oder Bestandteile einer Messplatte sein, die selbst nicht an einer Führung geführt ist und an welcher oder auf welcher eine der Werkstückaufnahmeeinrichtungen montiert ist.
  • Dadurch ist es möglich, die beim Fügen aufgebrachte Kraft zwischen allen gegeneinander beweglichen Werkstückaufnahmeeinrichtungen mit einer sehr hohen Genauigkeit, die einem adäquaten Fügedruck entspricht, zu messen und diese Kraft auch bei folgenden Fügeprozessen erneut anzuwenden, wodurch eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Fügeergebnisse erreicht wird.
  • Favorisierte, bei der Fügevorrichtung zum Einsatz kommende Erwärmungseinrichtungen sind Infrarotstrahler oder Stahlplatten mit integrierten Heizpatronen. Es können jedoch auch jegliche andere Erwärmungsmechanismen, nach denen die wenigstens eine Erwärmungseinrichtung arbeitet, wie Vibration, Ultraschall, Reibschweißen, Heißgas, oder eine Kombination der genannten Erwärmungsmechanismen bzw. Erwärmungseinrichtungen verwendet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Fügevorrichtung sind ein Weg der sich aufeinander zu bewegenden Werkstücke und/oder eine mit dem wenigstens einen Kraftsensor ermittelbare Kraft, mit der diese Werkstücke aufeinander einwirken, in mehreren Stufen einstellbar.
  • Bei dieser Ausführungsform der Fügevorrichtung ist es möglich, die zu fügenden Werkstücke mehrstufig mit zeitlich definierten Weg- und/oder Kraftparametern zu fügen. Hierfür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Beispielsweise können die zu fügenden Werkstücke mehrstufig, mit jeweils pro Stufe speziell eingestellter Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsänderung aufeinander zu bewegt werden, bis ein definierter Fügeweg erreicht ist. An dieser Stelle können die Werkstücke bei definierter Fügekraft verbleiben, bis die Schmelze an der Fügefläche erstarrt ist. In einer anderen Variante können die zu fügenden Werkstücke mit zeitlich definierten mehrstufigen Fügekräften bis zum Erstarren der Schmelze an der Fügefläche belastet werden. Ferner ist es möglich, mit dieser Ausführungsform der Fügevorrichtung die zu fügenden Werkstücke bis zu einem definierten Fügeweg aufeinander zu zu bewegen. Bei Erreichen des Fügeweges kann daraufhin beispielsweise die Fügevorrichtung auf Kraftsteuerung umschalten. Die dann auf die zu fügenden Werkstücke einwirkende Kraft kann zeitlich definiert bis zum vollständigen Erstarren der an der Fügefläche ausgebildeten Schmelze aufrecht erhalten werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
    • 1 schematisch Elemente einer Fügevorrichtung zur Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vorderansicht zeigt;
    • 2 schematisch Elemente einer Fügevorrichtung zur Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Seitenansicht zeigt;
    • 3 beispielhaft eine erfindungsgemäß realisierbare Verfahrensabfolge zum Druck-Zeit-gesteuerten Fügen zeigt; und
    • 4 beispielhaft eine erfindungsgemäß realisierbare Verfahrensabfolge zum Weg-Zeit-Druck-gesteuerten Fügen zeigt.
  • Die 1 und 2 zeigen schematisch Elemente jeweils einer Ausführungsform einer Fügevorrichtung 1 zur Ausführung jeweils einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vorderansicht bzw. einer Seitenansicht.
  • Die Fügevorrichtung 1 weist in einem unteren Vorrichtungsabschnitt eine erste Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 zur Aufnahme eines ersten Werkstücks 2 und in einem oberen Vorrichtungsabschnitt eine zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 5 zur Aufnahme eines zweiten Werkstücks 3 auf. Die erste und die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 sind einander gegenüber angeordnet. Die erste und die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 sind mittels nicht gezeigter, parallel und/oder einseitig zu einer Vertikale Y verlaufender Führungen aufeinander zu und voneinander weg bewegbar.
  • Bei der dargestellten Fügevorrichtung 1 verläuft die Richtung, in welcher sich die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 aufeinander zu und voneinander weg bewegen, entlang bzw. parallel zu der Vertikale Y. In anderen, nicht gezeigten Fügevorrichtungen 1 kann die Richtung, in welcher sich die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 aufeinander zu und voneinander weg bewegen, auch entlang bzw. parallel zu einer Horizontale X verlaufen.
  • Die erste und die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Spannvorrichtungen, können jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch Klemmvorrichtungen oder andere Aufnahmeeinrichtungen sein. Das erste Werkstück 2 ist entsprechend in der ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 eingespannt, während das zweite Werkstück 3 entsprechend in der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung 5 eingespannt ist. Die verwendeten Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 können je nach zu haltendem bzw. einzuspannendem Werkstück 2, 3 unterschiedlich ausgebildet sein.
  • Die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 eignen sich für einen oder eine Mehrzahl von Fügeprozess(en). Mit den Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 sind große Druckkräfte übertragbar, ohne dass dabei unkontrollierte relative Lageänderungen innerhalb der Fügevorrichtung 1 entstehen. Beispielsweise kann mit ihnen jeweils ein Fügedruck von bis zu 4 MPa aufgebracht werden.
  • Vorzugsweise weisen die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 jeweils eine Verliersicherung auf, durch die eine Trennung zwischen dem jeweils eingelegten Werkstück 2, 3 und der jeweiligen Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 beim Handling im Zuführ- und im Fügeschritt verhindert wird.
  • Die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 sind in ihrer Bewegung und/oder Position so steuerbar, dass sie bei Aufbringung einer Fügekraft sich potentiell unterschiedlich einstellende Fügewege z. B. in verschiedenen Nestern ausgleichen können.
  • Die erste Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 als auch die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 5 sind selbst nicht geführt. Stattdessen sitzt die erste Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 auf einer Messplatte 18, die auf einem unteren Maschinentisch 8 montiert ist, während die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 an einer oberen Maschinentisch 9 montiert ist, wobei der untere und der obere Maschinentisch 8, 9 an vertikalen Führungen 11, 12 geführt sind.
  • Die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 5 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf den oberen Maschinentisch 9 aufgepratzt, d. h. mit Hilfe wenigstens eines Haltehakens daran befestigt.
  • Der untere und der obere Maschinentisch 8, 9 werden entlang der Führungen 11, 12 mittels separater Antriebe 14, 15 bewegt.
  • Die Messplatte 18 ist von den Führungen 11, 12 als auch von den Antrieben 14, 15 mechanisch entkoppelt.
  • Die Messplatte 18 weist einen Kraftsensor 10 auf. Darüber hinaus ist in der Messplatte 18 ein Wegsensor 20 integriert.
  • Der Wegsensor 20 kann beispielsweise ein optischer Sensor sein. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Wegsensor 20 auch an wenigstens einer der Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 angeordnet sein.
  • In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung können auch mehrere Kraftsensoren 10 und/oder mehrere Wegsensoren 20 verwendet werden.
  • Vorzugsweise kommt als Kraftsensor 10 wenigstens eine Kraftmessdose zum Einsatz. Als Kraftsensor 10 kann auch ein sich definiert deformierendes elastisches Federelement mit Wegmessung verwendet werden. Zur Kraftmessung kann auch die beim Fügen aufgebrachte Kraft über eine Stromaufnahme eines elektromagnetischen Fügeantriebs, den hydraulischen Druck in einem Hydraulikantrieb der Fügevorrichtung 1 und/oder eine Kombination der genannten Kraftmessmethoden ermittelt werden.
  • In einem Zwischenraum 6 zwischen der ersten und der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 ist eine Erwärmungseinrichtung 7 vorgesehen. Die Erwärmungseinrichtung 7 ist in der gezeigten Ausführungsform ein wenigstens einen Infrarotstrahler aufweisendes Heizelement, kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch auf einem anderen Erwärmungsmechanismus basieren.
  • Die Erwärmungseinrichtung 7 ist entlang horizontaler Führungen 13 in den Zwischenraum 6 hinein fahrbar und aus dem Zwischenraum 6 heraus fahrbar. Hierfür kommt wenigstens ein Antrieb 16 zum Einsatz, der hier ein horizontaler Linearantrieb ist.
  • Die in der Fügevorrichtung 1 zum Einsatz kommenden Führungen 11, 12, 13 können jeweils einseitig des jeweils zu führenden Elementes angeordnet sein oder Parallelanordnungen von mindestens zwei Führungselementen, z. B. in einer C- oder O-Anordnung, sein. Vorzugsweise kommen Linearführungen zum Einsatz.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Antriebe 14, 15, 16 servomotorische Spindelantriebe. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können als Antriebe 14, 15, 16 für die Maschinentische 8, 9 und das Erwärmungseinrichtung 7 auch pneumatische oder hydraulische Antriebe verwendet werden.
  • Die Erwärmungseinrichtung 7 dient dazu, Fügeflächen 21, 31 der Werkstücke 2, 3 bis auf eine Fügetemperatur zu erwärmen, vorzugsweise zu schmelzen.
  • Durch die Bewegbarkeit der ersten und der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 ist der Zwischenraum 6 so verringerbar, dass ein Abstand zwischen in den Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 aufgenommenen Werkstücken 2, 3 zu Null bzw. sogar negativ wird.
  • Der Kraftsensor 10 ist von den Führungen 11, 12, 13 und den Antrieben 14, 15, 16 der Fügevorrichtung 1 mechanisch entkoppelt. Darüber hinaus ist bei der gezeigten Ausführungsform der Wegsensor 20 von allen Führungen 11, 12, 13 und Antrieben 14, 15, 16 der Fügevorrichtung 1 mechanisch entkoppelt.
  • Die Fügevorrichtung 1 weist ferner eine Steuerung 17 auf. Die Steuerung 17 ist vorzugsweise eine SPS-Steuerung. Die Steuerung 17 ist mit den Antrieben 14, 15, 16, dem Erwärmungseinrichtung 7, dem Kraftsensor 10 und dem Wegsensor 20 gekoppelt. Die Steuerung 17 ist vorzugsweise mit wenigstens einem Regler zum Regeln der Antriebe 14, 15, 16 und/oder der Erwärmungseinrichtung 7 verbunden.
  • Die Fügevorrichtung 1 weist zudem einen mit der Steuerung 17 verbundenen, hier nicht extra dargestellten Schaltkasten auf.
  • An wenigstens einer Seitenwand und/oder einer Decke der Fügevorrichtung 1 ist vorzugsweise ein Konvektionsschutz angebracht.
  • Die Fügevorrichtung 1 weist vorzugsweise ein Säulengestell, das beispielsweise zwei Säulen aufweist, oder ein Gerüst aus Linearführungen, wie beispielsweise aus I-Trägern, auf. Zwischen den Säulen oder Gerüstträgern sind vorzugsweise Verkleidungen angebracht. Die Fügevorrichtung 1 kann jedoch auch ein kastenförmiges, geschlossenes Gehäuse oder ein Säulengestell mit mehr als zwei Säulen aufweisen.
  • Die Fügevorrichtung 1 besitzt eine relativ geringe Masse, aber eine hohe Steifigkeit und einen starken Fügeantrieb, sodass das Fügen der Werkstücke 2, 3 bis zum Berühren der aufgeschmolzenen Fügeflächen 21, 31 sehr schnell, beispielsweise in einem Zeitraum < 2 Sekunden, erfolgen kann.
  • Um zwei wenigstens an ihren Fügeflächen 21, 31 aus thermoplastischem Material bestehende Werkstücke 2, 3 mittels der Fügevorrichtung 1 zu fügen, wird beispielsweise folgender Verfahrensablauf angewendet:
    • Zunächst werden das erste Werkstück 2 in die erste Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 und das zweite Werkstück 3 in die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 5 derart eingespannt, dass ihre Fügeflächen 21, 31 einander gegenüber sind.
  • Danach werden die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 und damit auch die darin aufgenommenen Werkstücke 2, 3 aufeinander zu bewegt, indem die Maschinentische 8, 9 entlang der vertikalen Führungen 11, 12 aufeinander zu bewegt werden.
  • Wenn die Werkstücke 2, 3 einander an ihren Fügeflächen 21, 31 kontaktieren, wird die Position der Werkstücke 2, 3 gemessen und als Referenzposition in der Steuerung 17 gespeichert, um darauf basierend einen Versatzausgleich vornehmen zu können.
  • Daraufhin wird in einem Einfahrschritt die Erwärmungseinrichtung 7 entlang einer horizontalen Führung 13 in den Zwischenraum 6 zwischen den Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 hinein gefahren. Befindet sich die Erwärmungseinrichtung 7 zwischen den Werkstücken 2, 3, erfolgt ein Anwärmschritt, in dem die Erwärmungseinrichtung 7 angeschaltet und die Fügeflächen 21, 31 werden durch die Erwärmungseinrichtung 7 bis auf eine Fügetemperatur erwärmt, d. h. geschmolzen.
  • Um eine optimale Erwärmung der Fügeflächen 21, 31 zu gewährleisten, sind in dem Anwärmschritt ein Abstand s1 zwischen der ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung 4 und der Erwärmungseinrichtung 7 sowie ein Abstand s2 zwischen der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung 5 und der Erwärmungseinrichtung 7 dynamisch variierbar.
  • In der gezeigten Ausführungsform sind hierfür die erste und die zweite Werkstückaufnahmeeinrichtung 4, 5 höhenverstellbar. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kann auch nur eine der Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 und die Erwärmungseinrichtung 7 höhenverstellbar sein. Die jeweilige Höhe kann beispielsweise kontinuierlich oder in Stufen einstellbar sein. Zudem kann die Zeit und/oder die Geschwindigkeit, in bzw. mit der die Höhe jeweils verstellt wird, einstellbar sein. Die Höhe der Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 und/oder der Erwärmungseinrichtung 7 kann zeitlich definiert verstellt werden. Durch den jeweiligen Abstand zur Erwärmungseinrichtung 7 und die Erwärmungsdauer kann gezielt Einfluss auf den jeweiligen Wärmeenergieeintrag genommen werden.
  • Wenn die Erwärmung der Fügeflächen 21, 31 entsprechend der Verfahrensvorgaben bis in den Schmelzbereich der thermoplastischen Kunststoffe erfolgt ist, wird die Erwärmungseinrichtung 7 in einem Herausfahrschritt von den Fügeflächen 21, 31 weg, also aus dem Zwischenraum 6, welcher einen Bewegungsraum für die spätere Fügebewegung bildet, heraus bewegt. Diese Bewegung erfolgt sehr schnell, vorzugsweise schneller als in 3 Sekunden, damit sich in dieser Zeit der Schmelzzustand der Fügeflächen 21, 31 nicht stark ändert.
  • Wenn die Erwärmungseinrichtung 7 den Zwischenraum 6 ausreichend weit verlassen hat, werden die Werkstücke 2, 3 in einem Zuführschritt schnell, vorzugsweise in einem Zeitraum < 4 Sekunden, aufeinander zu bewegt, bis die erwärmten Fügeflächen 21, 31 einander kontaktieren.
  • Der Kontaktbeginn der Werkstücke 2, 3 wird sensorisch erfasst. Die Kontakterkennung kann beispielsweise durch Kraftmessung, kapazitiv, optisch oder taktil erfolgen.
  • Die Bewegung der auf- oder angeschmolzenen Werkstücke 2, 3 stoppt zeitlich definiert unmittelbar, positionsdefiniert vor dem ersten Kontakt der zu fügenden Werkstücke 2, 3. Die Steuerung 17 schaltet zu diesem Zeitpunkt auf ein gewähltes Fügeprogramm um.
  • Parallel dazu werden durch den Kraftsensor 10 und den Wegsensor 20 für den Fügeschritt zu steuernde Prozesskräfte und Wege erfasst. Die Messung erfolgt jeweils in der Nähe der Fügezone im Kraftpfad.
  • In dem nun erfolgenden Fügeschritt können unterschiedliche Füge-Modi zum Einsatz kommen.
  • In einem Fügeweg-Modus werden die zu fügenden Werkstücke 2, 3 mit den schmelzflüssigen Fügeflächen 21, 31 mehrstufig, mit jeweils pro Stufe definierter Geschwindigkeit, gegeneinander bewegt, bis ein definierter Fügeweg erreicht ist. Dabei werden durch den Kraftsensor 10 die auftretenden Fügekräfte erfasst und den Werkstücken 2, 3 zugeordnet. Dieser Vorgang wird zeitlich aufrecht erhalten, bis die Schmelze erstarrt. Durch die mehrstufig eingestellten Prozessgeschwindigkeiten kann insbesondere bei niedrigviskosen Werkstoffen der Werkstücke 2, 3 erreicht werden, dass mehr Restschmelze in der Fügezone verbleibt.
  • In einem Fügekraft-Modus werden die zu fügenden Werkstücke 2, 3 mit den schmelzflüssigen Fügeflächen 21, 31 mit zeitlich definierten mehrstufigen Fügekräften bzw. Fügedrücken bis zum Erstarren der Schmelze belastet. Durch den Wegsensor 20 werden die auftretenden Fügewege in den Fügezone erfasst, gespeichert und dem jeweiligen Werkstück 2, 3 zugeordnet.
  • In einem Fügekraft-Fügeweg-Modus werden die zu fügenden Werkstücke 2, 3 mit den schmelzflüssigen Fügeflächen 21, 31 zunächst ein- oder mehrstufig mit jeweils definierter Geschwindigkeit bis zu einem definierten Fügeweg gefügt. Bei Erreichen des vorgegebenen Fügeweges schaltet die Fügevorrichtung 1 auf Kraftsteuerung um. Die Kraft wird zeitlich definiert bis zum vollständigen Erstarren der Schmelze aufrecht erhalten. Die auftretenden Kraftwerte werden durch den Kraftsensor 10 und die auftretenden Wegwerte werden durch den Wegsensor 20 erfasst, an die Steuerung 17 übermittelt und in dieser gespeichert sowie dem jeweiligen Werkstück 2, 3 zugeordnet. Durch diese Vorgehensweise wird eine definierte Endlage der Werkstücke 2, 3 zueinander durch die Kraftsteuerung erreicht.
  • Je nach gewähltem Füge-Modus kann das Fügen über einen vorgegebenen Weg-Zeit-Verlauf vorzugsweise bis zu einem Fügedruck von 4 MPa mit einer Fügegeschwindigkeit in einem Bereich von 0,1 bis 15,0 mm/s erfolgen.
  • Die jeweils aufgebrachte relative Lageänderung der Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 zueinander, also der Fügeweg, wird vorzugsweise mit einer Genauigkeit < 0,2 mm gemessen, zumindest temporär in der Steuerung 17 gespeichert und optional durch die Steuerung 17 begrenzt.
  • Ferner wird in Abhängigkeit von dem jeweils gewählten Füge-Modus die beim Fügeschritt aufgebrachte Kraft zwischen allen gegeneinander beweglichen Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 mit einer Genauigkeit, die einem adäquaten Fügedruck von < 0,2 MPa entspricht, gemessen und zumindest temporär in der Steuerung 17 gespeichert.
  • Vorzugsweise wird bei der Steuerung des Fügeschrittes eine dem als Parameter vorgegebenen Fügedruck, der vorzugsweise kleiner als 4 MPa ist, entsprechende Fügekraft über einen einstellbaren Zeitraum Z von < 120 Sekunden kontrolliert und nachgeregelt. Dafür kann eine gegebenenfalls erforderliche Nachstellung des Fügeweges vorgenommen werden. Nach dem Zeitraum Z kann die Fügekraft sehr schnell wieder auf Null gesetzt werden, um eine zügige Entnahme der verschweißten Werkstücke 2, 3 gewährleisten zu können.
  • Während des Fügeschrittes kann mittels der Steuerung 17 durch stärkere oder geringere Ansteuerung der Fügeantriebe der Weg-Zeit-Verlauf der Verpressung der Werkstücke 2, 3 bestimmt und eine möglichst geringe gewichtete Abweichung von einer Vorgabe erreicht werden, bis der maximale Fügedruck gemäß Vorgabe sensiert wurde.
  • Während der Erstarrungsphase kann mittels der Steuerung 17 durch stärkere oder geringere Ansteuerung der Fügeantriebe der Kraft-Zeit-Verlauf der Verpressung der Werkstücke 2, 3 bestimmt und eine möglichst geringe gewichtete Abweichung von einer Vorgabe erreicht werden, bis eine Haltezeit gemäß Vorgabe erreicht wurde.
  • In einem dem Fügeschritt und der Erstarrungsphase nachfolgenden Auswerfschritt wird ein aus den verbundenen Werkstücken 2, 3 erzeugtes Bauteil aus den Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 gelöst und die Werkstückaufnahmeeinrichtungen 4, 5 fahren auseinander. Das erzeugte Bauteil wird aus der Fügevorrichtung 1 entnommen.
  • 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäß realisierbare Verfahrensabfolge zum Druck-Zeit-gesteuerten Fügen.
  • 4 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäß realisierbare Verfahrensabfolge zum Weg-Zeit-Druck-gesteuerten Fügen.

Claims (4)

  1. Fügeverfahren zum thermischen Fügen wenigstens eines ersten, wenigstens an seiner Fügefläche (21) thermoplastischen Werkstücks (2) mit wenigstens einem zweiten, wenigstens an seiner Fügefläche (31) thermoplastischen Werkstück (3), bei dem das erste Werkstück (2) von einer ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung (4) und das zweite Werkstück (3) von einer zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung (5) gehalten werden, in einem Zwischenraum (6) zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück (2, 3) wenigstens eine Erwärmungseinrichtung (7) angeordnet wird, mit der in einem Anwärmschritt miteinander zu fügende Fügeflächen (21, 31) des ersten und des zweiten Werkstückes (2, 3) mindestens bis auf eine Fügetemperatur erwärmt werden, die Erwärmungseinrichtung (7) nachfolgend in einem Herausfahrschritt aus dem Zwischenraum (6) herausgefahren wird, danach in einem Zufahrschritt das erste und/oder das zweite Werkstück (2, 3) aufeinander zu bewegt werden, bis die Fügeflächen (21, 31) einander kontaktieren, und direkt daran anschließend in einem Fügeschritt die erwärmten Fügeflächen (21, 31) verbunden werden, wobei mit wenigstens einem mit einer der Werkstückaufnahmeeinrichtungen (4, 5) mechanisch gekoppelten und von Führungen (11, 12, 13) und Antrieben (14, 15, 16) entkoppelten Kraftsensor (10) Kraftmessungen während des Fügeverfahrens vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden, noch nicht erwärmten Werkstücke (2, 3) vor dem Anwärmschritt aufeinander zu bewegt werden, bis sie einander kontaktieren, woraufhin die Position der Werkstücke (2, 3) bei Kontakt zueinander gemessen wird und beim Fügeschritt als Referenz zur Ermittlung des Fügeweges verwendet wird.
  2. Fügeverfahren nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fügeschrittes mehrstufig ein Weg der sich aufeinander zu bewegenden Werkstücke (2, 3) und/oder eine Kraft der aufeinander wirkenden Werkstücke (2, 3) gesteuert werden.
  3. Fügeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg der sich aufeinander zu bewegenden Werkstücke (2, 3) von einem von Führungen (11, 12, 13) und Antrieben (14, 15, 16) entkoppelten Wegsensor (20) gemessen wird.
  4. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in dem Anwärmschritt ein erster Abstand (s1) zwischen der ersten Werkstückaufnahmeeinrichtung (4) und der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung (7) und ein zweiter Abstand (s2) zwischen der zweiten Werkstückaufnahmeeinrichtung (5) und der wenigstens einen Erwärmungseinrichtung (7) jeweils dynamisch eingestellt werden.
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