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Die Erfindung betrifft ein Schweißwerkzeug zum Herstellen eines, insbesondere fluidbefüllbaren, Blasensystems mittels Hochfrequenz-Schweißen und ein Verfahren zum Herstellen eines fluidbefüllbaren Blasensystems mittels des Schweißwerkzeugs.
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Fluidbefüllbare Blasen und Mehrkammer-Blasensysteme finden häufig im Automobilbereich Anwendung und umfassen üblicherweise mit Luft befüllbare Folienblasen. Derartige Blasen werden auch als Luftblasen oder Luftkissen oder Luftkammern bezeichnet. Die flexiblen Folienblasen werden beispielsweise mittels einer Druckluftversorgung befüllt, wobei der Luftdruck variabel einstellbar sein kann, um zum Beispiel in einem Sitz, insbesondere in einem Fahrzeugsitz, unterschiedlich harte und unterschiedlich stark ausgeprägte Stützkonturen und/oder eine Massagefunktion zu realisieren. Hierzu sind die Blasen in den Sitz, insbesondere Fahrzeugsitz, eingebaut.
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Das Befüllen oder Entlüften der Blasen wird üblicherweise mit Hilfe von Ventilen und einer pneumatischen Pumpe bewerkstelligt. Durch die Menge der in die Blasen gefüllten Luft wird deren Härte bzw. Form und somit die Kontur des Sitzes beeinflusst. Dadurch lassen sich beispielsweise eine Lordosenstütze und/oder ein Seitenhalt eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes, an die individuellen Sitzbedürfnisse des jeweiligen Benutzers anpassen und anschließend während der Nutzung des Sitzes, also beispielsweise während der Autofahrt, beibehalten. Zur Ausführung einer Massagefunktion werden die in den Sitz integrierten Luftkissen zyklisch be- und entlüftet, so dass die Kontur des Sitzes punktuell und dynamisch verändert wird.
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Die fluidbefüllbaren Blasen sind in der Regel mittels zweier Kunststofffolien gebildet, die an ihren Rändern unter Ausbildung einer Schweißnaht zusammengeschweißt sind. Dies ist beispielsweise aus
DE 10 2005 032 549 A1 bekannt.
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Für vielen Anwendungen, beispielsweise zur Erzeugung eines größeren Hubes, ist das Vorsehen nur einer Blase nicht ausreichend. Hier kommt ein Mehrkammer-Blasensystem zum Einsatz, bei dem zwei oder mehrere Blasen übereinander angeordnet sind. Üblicherweise weist ein Mehrkammer-Blasensystem eine erste Blase auf, in die eine Druckluftversorgung mündet. Eine zweite Blase und gegebenenfalls weitere Blasen des Mehrkammer-Blasensystems sind über einen Fluidkanal, auch Überströmkanal genannt, mit der ersten Blase verbunden, entweder direkt oder indirekt über weitere zwischengeschaltete Blasen. Dadurch werden die zweite Blase und gegebenenfalls weitere Blasen ebenfalls mit Druckluft versorgt. Aus
US 4 965 899 ,
US 6 122 784 und
DE 10 2011 089 749 B4 sind unterschiedliche Arten von Mehrkammer-Blasensystemen bekannt, wobei die einzelnen Blasen miteinander verbunden sind und je zwei benachbarte Blasen an oder im Bereich ihrer Fügestellen einen Überströmkanal aufweisen, so dass Luft zwischen diesen benachbarten Blasen überströmen kann.
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Das Zusammenfügen der benachbarten Blasen zum Mehrkammer-Blasensystem erfolgt mittels Hochfrequenz-Schweißen (HF-Schweißen). Hochfrequenz-Schweißen ist das Fügen von Werkstoffen, beispielsweise Kunststoffen, im vorliegenden Anwendungsfall zweier übereinanderliegenden Folien, durch ein elektromagnetisches Feld. Die Hochfrequenzenergie des elektromagnetischen Felds erhitzt den Werkstoff, eine Wärmezufuhr von außen ist nicht erforderlich. Unter Hitze und Druck beginnen die aneinander liegenden Werkstoffe zu schmelzen. Sie verschmelzen miteinander. Beim Abkühlen bildet sich eine Schweißnaht, mittels der die beiden Werkstoffe, im vorliegenden Anwendungsfall die beiden Folien, fest und fluiddicht miteinander verbunden sind.
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Beim diesem HF-Schweißen entstehen Schweißwülste entlang der Schweißnähte, typischerweise auch Schweißwülste, die den jeweiligen Überströmkanal vollumfänglich umgeben. Diese können beim Anliegen gegenüberliegenden Folien der Blasen Dichtlippen oder Dichtkanten bilden, die Fluid, insbesondere Luft, am vorbeiströmen hindern. Mehrkammer-Blasensysteme, welche aus zwei oder mehreren Luftblasen bestehen, neigen teilweise dazu, dass sich die zweite und gegebenenfalls weitere Blasen über den oder die Überströmkanäle bei einem Druckaufbau in der ersten Kammer durch diesen Effekt nicht öffnen. Wird auf das Mehrkammer-Blasensystem eine senkrechte Kraft ausgeübt, beispielsweise durch eine auf einem Fahrzeugsitz mit diesem Mehrkammer-Blasensystem sitzende Person, drückt die gegenüberliegende Folien auf die durch die Schweißung verursachte Schweißwulst, die dadurch als Dichtlippe oder Dichtkante wirkt und ein Einströmen des Fluids, insbesondere der Luft, in die nachfolgenden Luftblase verhindert.
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Beim Füllvorgang führt dieser Effekt dazu, dass sich die zweite und die weiteren Blasen, die auf die erste Blase, die als erstes befüllt wird, folgen, nicht öffnen, bis ein Grenzdruck in der ersten Blase überschritten wird. Wird der Grenzdruck überschritten, füllen sich die verschlossene zweite und/oder weitere Blasen ruckartig und es entsteht ein Geräusch, beispielsweise ein Plopp-Geräusch, das von Benutzern beispielsweise des Fahrzeugsitzes als störend empfunden wird. Dieses Geräusch gilt es somit zu vermeiden. Hinzu kommt, dass die plötzliche Volumenänderung ein unangenehmes Gefühl bei einem Benutzer bei der Anwendung des Mehrkammer-Blasensystem, beispielsweise als Stellelement in einem Fahrzeugsitz, hervorrufen kann. Ferner hat das ruckartige Öffnen auch negative Auswirkungen auf die Langzeitstabilität der Blase.
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Es gilt somit, die abdichtende Wirkung der Schweißwülste im entlüfteten Zustand des Mehrkammer-Blasensystems zu verhindern.
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Hierzu ist aus
DE 10 2012 218 440 B4 und
US 9 630 532 B2 bekannt, durch eine spezielle Formgebung einer die Längsachse des Überströmbereichs (Überströmkanals) umgebenden Schweißverbindung einen sich vollumfänglich um den Überströmbereich erstreckenden Kontakt zwischen übereinanderliegenden Folien im entlüfteten Zustand zu verhindern, durch den andernfalls der Überströmbereich zunächst blockiert wäre. Hierzu weist die Schweißverbindung einen Verlauf auf, der zumindest zwei unterschiedliche Abstände zur Längsachse aufweist. Durch diese Formgebung und damit durch diesen Verlauf der Schweißverbindung wird verhindert, dass die Folien so in Kontakt miteinander sind, dass eine pneumatische Kommunikation durch den Überströmbereich verhindert wird. Der Verlauf der Schweißverbindung kann beispielsweise kreuzförmig oder sternförmig sein.
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Eine alternative Lösung ist aus
DE 10 2019 214 576 A1 bekannt, in einer den Fluidkanal (Überströmkanal) zwischen erster und zweiter Blase umgebenden Konturenzone zwei oder mehrere Bereiche unterschiedlicher Materialdicke der die Blasen bildenden Folie auszubilden. Durch das Ausbilden von Bereichen unterschiedlicher Materialdicke in einer den Fluidkanal umgebenden Konturenzone sind dort Unebenheiten vorhanden und beispielsweise die obere Folie der zweiten Blase kann nicht mehr plan auf dem den Fluidkanal umgebenden Folienbereich der zweiten Blase aufliegen und somit den Fluidkanal nicht mehr vollständig abdichten. Somit kann die Luft bereits ab Beginn des Befüllvorgangs oder bei geringem Grenzdruck aus der ersten Blase über den Fluidkanal in die zweite Blase überströmen. Damit kann der Fülldruck der Luft auf die gesamte innere Fläche der zweiten Blase wirken und diese kontinuierlich anheben. Eine ruckartige Expansion der zweiten Blase wird somit verhindert.
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Aus
DE 10 2019 214 576 A1 ist ein Schweißwerkzeug zur Herstellung eines fluidbefüllbaren Mehrkammer-Blasensystems bekannt, das einen Schweißstempel umfasst, welcher aus einem ein elektrisches Hochfrequenz-Wechselfeld leitenden Material gebildet ist. Der Schweißstempel weist eine mittige Ausnehmung auf und das Schweißwerkzeug umfasst des Weiteren einen innerhalb der Ausnehmung angeordneten Innenstempel, welcher aus das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendem Material gebildet und an einer Unterseite konturiert ist. Der Schweißstempel, welcher beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann, stellt die Verbindung der Folie der ersten Blase und der Folie der zweiten Blase mittels Hochfrequenzschweißen her. Durch das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld werden die beiden Folien erhitzt und durch Andrücken des Schweißstempels gegen eine Widerlagerfläche werden die dazwischenliegenden Folien materialschlüssig verbunden. Das am inneren Rand des Schweißstempels in die mittige Ausnehmung hineintretende verdrängte Material wird dabei von dem Innenstempel, welcher beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt sein kann, und dessen Konturen geformt. So können die Gesamtform des Wulstes gesteuert und Konturen als Unterbereiche unterschiedlicher Materialhöhe ausgeformt werden. Dadurch kann das gewünschte Überströmverhalten beim Befüllen des Mehrkammer-Blasensystems erreicht werden.
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Der Schweißstempel kann in einem umgebenden Außenstempel angeordnet sein, welcher ein das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendes Material aufweist. So kann auch ein an dem Außenumfang des Schweißstempels entstehender Schweißwulst geformt und konturiert werden, um das Überströmverhalten der Luft bzw. des Füllgases von der ersten Blase in die zweite Blase vorteilhaft zu beeinflussen.
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DE 10 2019 214 576 A1 beschreibt weiter, dass sich mittels dieses Schweißwerkzeugs ein fluidbefüllbares Mehrkammer-Blasensystems dadurch herstellen lässt, dass zunächst zwei übereinander angeordneten Folien bereitgestellt werden, wobei die erste Folie zumindest teilweise zur Bildung einer ersten Blase und die zweite Folie zumindest teilweise zur Bildung einer zweiten Blase vorgesehen ist. Anschließend werden die beiden Folien verschweißt und eine Schweißnaht ausgebildet, indem das Schweißwerkzeugs aufgedrückt und mit einem Hochfrequenz-Wechselfeld beaufschlagt wird. Nach dem Schweißprozess kann mittig der Fluidkanal aus den beiden Folien ausgestanzt werden. Alternativ dazu kann jede der Folien die Ausnehmung, welche dem Fluidkanal entspricht, bereits vor dem Schweißen haben und die Folien können den Fluidkanal betreffend deckungsgleich übereinandergelegt werden.
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Nachteilig bei dieser aus
DE 10 2019 214 576 A1 bekannten Lösung ist, dass die an die Außenseite der vom Außenstempel gebildete Schweißwulst angrenzenden Folienabschnitte sich nicht in einer Ebene mit den verschweißten Folienabschnitten erstrecken, sondern sich aufgrund der Kräfte und Verformungen beim Schweißen im Vergleich zur Schweißnaht schräg von der Schweißwulst weg in die Blase hinein erstrecken und somit eine Rundung in die Blase hinein ausbilden. Diese Rundung in die Blase hinein kann eine abdichtende Auflage für die gegenüberliegende Folie der Blase im entlüfteten Zustand bilden, die den Fluidkanal (Überströmkanal) umgibt somit das Durchströmen von Fluid, insbesondere Luft, durch den Fluidkanal verhindert, insbesondere bei einer zusätzlichen äußeren Kraft beispielsweise durch einen auf einem Sitz sitzenden Person, bis ein Grenzdruck überschritten ist, was die eingangs beschriebenen Problemen beim Befüllen mit sich bringt.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich das beim Schweißen verdrängte Material auch außerhalb des Schweißwerkzeugs ausbreiten kann und somit nicht zur Ausbildung vorgesehener Konturen im Bereich des Schweißwerkzeugs zur Verfügung steht. Dies kann dazu führen, dass vorgesehene Konturen des Schweißwerkzeugs beim Schweißen nicht oder zumindest nicht vollständig mit dem verdrängten Material gefüllt werden und somit die vorgesehenen Schweißwülste nicht oder nicht vollständig gebildet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißwerkzeug zum Herstellen eines fluidbefüllbaren Blasensystems und ein Verfahren zum Herstellen eines fluidbefüllbaren Blasensystems mittels des Schweißwerkzeugs anzugeben, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile zumindest weitgehend überwunden sind. Insbesondere soll ein Schweißwerkzeug und ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich ein Blasensystem mit einem verbesserten Aufblasverhalten herstellen lässt.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Schweißwerkzeugs gelöst durch ein Schweißwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Schweißwerkzeug zum Herstellen eines Blasensystems mittels Hochfrequenz-Schweißen umfasst einen Schweißstempel aus einem ein elektrisches Hochfrequenz-Wechselfeld leitenden Material mit einer in einer vorgesehenen Schweißrichtung frontseitig angeordneten Unterseite, welche die Schweißfläche des Schweißstempels bildet. Das Schweißwerkzeug umfasst ferner einen den Schweißstempel umgebenden Außenstempel aus einem das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitenden Material mit einer in der vorgesehenen Schweißrichtung frontseitig angeordneten Unterseite.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Unterseite des Außenstempels plan ausgebildet ist. Ferner ist der Außenstempel mittels einer Federung derart beweglich und gefedert relativ zum Schweißstempel gelagert, dass die Unterseite des Außenstempels bei Druck entgegen der Federkraft der Federung und entgegen der vorgesehenen Schweißrichtung gegenüber der Unterseite des Schweißstempels versetzt wird. Die Unterseite des Außenstempels liegt im unbelasteten Zustand der Federung in der vorgesehenen Schweißrichtung vor oder in einer Ebene mit der Unterseite des Schweißstempels.
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Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass der Außenstempel mit seiner planen Unterseite bereits vor und/oder bei Beginn der Schweißung gegen die zur Bildung des Blasensystems vorgesehenen, zu schweißenden Folien gedrückt wird, wodurch das Ausbreiten von beim Schweißen verdrängtem Folienmaterial in den Bereich vor der Unterseite des Außenstempels und damit auch in Bereiche außerhalb des Außenstempels verhindert wird. Das verdrängte Material steht somit zumindest im Wesentlichen vollständig zur Ausbildung vorgesehener Konturen im Bereich des Schweißwerkzeugs zur Verfügung. Dadurch lässt sich bei entsprechender Abstimmung der Volumina der Konturen auf das Volumen des beim vorgesehenen Schweißen verdrängten Folienmaterials sicherstellen, dass die vorgesehenen Konturen des Schweißwerkzeugs beim Schweißen vollständig mit dem verdrängten Material gefüllt werden und somit die vorgesehenen Schweißwülste vollständig gebildet werden. Beim Verschweißen von zwei Folien begrenzt somit die plane Unterseite des Außenstempels die vom restlichen Schweißwerkzeug gebildete Konturenzone.
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Weiter sorgt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schweißwerkzeugs dafür, dass die plane Unterseite des Außenstempels bereits vor und/oder zu Beginn des Schweißens an der Folie anliegt und der Außenstempel, insbesondere dessen plane Unterseite, somit bereits zu Beginn des Schweißens und während des Schweißens als Niederhalter für die Folie wirkt, so dass die Folie von Anfang an in der gewünschten Form verbleibt. Somit ist beim Schweißvorgang einschließlich Abkühlung sichergestellt, dass die Folie im Bereich der Unterseite des Außenstempels in einer Ebene mit der Erstreckung der angrenzenden Konturenzone liegt und die Folie somit nach der Verschweißung an der Außenseite der Konturenzone nicht schräg absteht.
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Die Lagerung des Außenstempels mittels Federung sorgt dafür, dass die Unterseite des Außenstempels beim Drücken der Unterseite des Schweißstempels gegen die Folie beim Schweißvorgang den Druck und die Bewegung des Schweißstempels in das Folienmaterial hinein nicht behindert, da die Unterseite des Außenstempels relativ zur Unterseite des Schweißstempels zurückversetzt werden kann und hierbei dennoch immer an der Folie anliegt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Federung an einer der Unterseite des Außenstempels gegenüberliegenden Rückseite des Außenstempels angeordnet ist.
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Die Unterseite des Schweißstempels kann plan ausgebildet sein. Zweckmäßig im Hinblick auf die Ausbildung einer Konturenzone ist allerdings, wenn die Unterseite des Schweißstempels konturiert ist.
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Der Außenstempel kann unmittelbar am Schweißstempel anliegen. Eine Weiterbildung sieht alternativ hierzu vor, dass zwischen Schweißstempel und Außenstempel ein den Schweißstempel umgebender Zwischenstempel aus einem das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitenden Material mit einer in der vorgesehenen Schweißrichtung frontseitig angeordneten Unterseite angeordnet ist Die Unterseite des Zwischenstempels ist konturiert und liegt in der vorgesehenen Schweißrichtung hinter der Unterseite des Schweißstempels, so dass beim Schweißen verdrängtes Material in den Bereich vor der Unterseite des Zwischenstempels vordringen kann. Mit anderen Worten: Die Unterseite des Zwischenstempels ist gegenüber der Unterseite des Schweißstempels zurückversetzt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Zwischenstempel in und/oder entgegen der vorgesehenen Schweißrichtung relativ zum Schweißstempel verstellbar angeordnet ist, wobei eine eingestellte Position für den Schweißvorgang fixierbar ist, so dass der Zwischenstempel während eines Schweißvorgangs positionsfest mit dem Schweißstempel verbunden ist. Dadurch lässt sich das Volumen der an der Unterseite des Zwischenstempels bereitgestellten Konturierung und damit das von dieser Konturierung aufzunehmende Volumen an verdrängtem Folienmaterial einstellen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist eine der Unterseite des Zwischenstempels gegenüberliegende Rückseite des Zwischenstempels über mindestens einen auswechselbaren Zwischenring an einem Vorsprung des Schweißstempels gelagert, wobei die Position des Zwischenstempels relativ zum Schweißstempels durch Auswechslung des oder der Zwischenringe verstellbar ist. Hierfür können Zwischenringe unterschiedlicher Höhe bereitgestellt werden und die Position des Zwischenstempels relativ zum Schweißstempel in der vorgesehenen Schweißrichtung lässt sich durch Auswahl und Verwenden eines oder mehrere Zwischenringe der gewünschten Höhe einstellen.
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Die Position des Zwischenstempels relativ zum Schweißstempel kann derart eingestellt sein oder werden, dass das beim vorgesehenen Schweißen verdrängte Materialvolumen zumindest im Wesentlichen dem Volumen aller für die Aufnahme dieses verdrängten Materials vorgesehenen Konturen des Schweißwerkzeugs entspricht.
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Der Schweißstempel, welcher beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann, stellt die Schweißverbindung der Folie der ersten Blase und der Folie der zweiten Blase mittels Hochfrequenzschweißen her. Durch das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld werden die beiden Folien erhitzt und durch Andrücken des Schweißstempels gegen eine Widerlagerfläche werden die dazwischenliegenden Folien materialschlüssig verbunden, wobei erweichtes Folienmaterial aufgrund des Andrückens verdrängt wird. Liegt der Außenstempel unmittelbar am Schweißstempel an, verhindert der Außenstempel durch das Anliegen seiner planen Unterseite an der Folie, dass das verdrängte Folienmaterial am äußeren Rand des Schweißstempels in den Bereich vor der Unterseite des Außenstempels vordringen kann. Das verdrängte Material steht somit zum Füllen der Konturen zur Verfügung. Ist ein Zwischenstempel vorgesehen, dringt das verdrängte Folienmaterial unter anderem am äußeren Rand des Schweißstempels in den Bereich vor der Unterseite vor und wird dabei von der konturierten Unterseite des Zwischenstempels, das heißt durch die Konturen der Unterseite des Zwischenstempels, geformt. Ein weiteres Vordringen des verdrängten Folienmaterials in den Bereich vor der Unterseite des Außenstempels wird aufgrund der planen, an der Folie anliegenden Unterseite des Außenstempels verhindert. Das verdrängte Folienmaterial steht somit unter anderem zum Füllen der Konturen der Unterseite des Zwischenstempels und der Konturen der Unterseite des Schweißstempels zur Verfügung. So kann die Form des oder der gebildeten Schweißwülste gesteuert und Konturen unterschiedlicher Form und Höhe ausgeformt werden. Hierbei ist durch das Verhindern des Vordringens von verdrängtem Folienmaterial in den Bereich vor der Unterseite des Außenstempels und darüber hinaus ein zumindest im Wesentlichen vollständiges Füllen der am Schweißwerkzeug ausgebildeten Konturen sichergestellt, insbesondere sofern der Schweißvorgang, beispielsweise der ausgeübte Druck, und das damit einhergehende verdrängte Materialvolumen auf das Volumen der Konturen abgestimmt ist. Dadurch kann das gewünschte Überströmverhalten beim Befüllen des Blasensystems erreicht werden.
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Der Außenstempel kann beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt sein.
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Der Schweißstempel kann in seinem Querschnitt an einer äußeren Umfangsseite kreisförmig sein. In diesem Fall ist auch der Außenstempel und/oder der Zwischenstempel in seinem Querschnitt an seinem inneren Umfang kreisförmig. Auch der äußere Rand der Unterseite des Schweißstempels und der innere Rand der Unterseite des Außenstempels und/oder der Unterseite des Zwischenstempels sind in diesem Fall kreisförmig. Auch der Querschnitt des Zwischenstempels an einer äußeren Umfangsseite und entsprechend der äußere Rand der Unterseite des Zwischenstempels können kreisförmig sein.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schweißstempel eine mittige Ausnehmung aufweist und innerhalb der Ausnehmung ein Innenstempel angeordnet ist, welcher aus das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendem Material gebildet und an einer Unterseite konturiert ist.
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Das am inneren Rand des Schweißstempels in die mittige Ausnehmung hineintretende verdrängte Folienmaterial wird somit von dem Innenstempel, welcher beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt sein kann, und dessen Konturen geformt. So kann die Form des Wulstes gesteuert und Konturen unterschiedlicher Form und Höhe ausgeformt werden. Dadurch kann das gewünschte Überströmverhalten beim Befüllen des Blasensystems erreicht werden.
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Der Schweißstempel kann in seinem Querschnitt an einer inneren Umfangsseite kreisförmig sein. In diesem Fall ist auch der Innenstempel in seinem Querschnitt an seinem äußeren Umfang kreisförmig. Auch der innere Rand der Unterseite des Schweißstempels und der äußere Rand der Unterseite des Außenstempels sind in diesem Fall kreisförmig
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Die konturierte Unterseite des Innenstempels bildet somit einen inneren Bereich der beim Schweißen entstehenden Konturenzone, der an eine Ausnehmung in den Folien angrenzt, die den Fluidkanal zwischen den herzustellenden Blasen ausbildet, und diese Ausnehmung umgibt.
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Die Unterseite des Innenstempels kann eine zentrale Ausnehmung aufweisen, die radial von der konturierten Unterseite des Innenstempels umgeben ist.
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In die zentrale Ausnehmung kann ein Zentrierstift eingesetzt sein, der über die Unterseite des Innenstempels hervorsteht. Dieser Zentrierstift ist vorzugsweise starr in die Ausnehmung eingesetzt. Dieser Zentrierstift dient der exakten Positionierung der zu schweißenden Folien vor dem Schweißen, die bereits eine ausgestanzte Ausnehmung für den zu bildenden Fluidkanal aufweisen. Ferner ist dieser Zentrierstift bestimmt für das Zusammenwirken des beschriebenen Schweißwerkzeugs, das ein erstes Schweißwerkzeug bildet, mit einem weiteren, zweiten Schweißwerkzeugs, das dem ersten Schweißwerkzeug derart gegenüberliegend angeordnet ist, dass die jeweiligen Unterseiten einander zugewandt sind. Das zweite Schweißwerkzeug ist bis auf den eingesetzten Zentrierstift wie das erste Schweißwerkzeug ausgebildet. Nach Anordnung der zu schweißenden Folien zwischen erstem und zweitem Schweißwerkzeug greift der Zentrierstift des ersten Schweißwerkzeugs in die zentrale Ausnehmung des zweiten Schweißwerkzeugs und positioniert somit zusätzlich zu den Folien auch das erste und das zweite Schweißwerkzeug für das Schweißen relativ zueinander, so dass die weitere Bewegung der Schweißwerkzeuge aufeinander zu geführt erfolgt. Erstes und zweites Schweißwerkzeug bilden ein Schweißwerkzeug-System.
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Alternativ kann in die zentrale Ausnehmung auch ein Zentrierstift eingesetzt sein, der relativ zum Innenstempel entlang einer vertikalen Erstreckung der zentralen Ausnehmung beweglich und mittels einer Feder gefedert in der zentralen Ausnehmung gelagert ist, wobei der Zentrierstift bei unbelasteter Feder über die Unterseite des Innenstempels hervorsteht. Eine Unterseite des Zentrierstifts kann konturiert sein.
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Auch dieser Zentrierstift dient zunächst der exakten Positionierung der zu schweißenden Folien vor dem Schweißen, die bereits eine ausgestanzte Ausnehmung für den zu bildenden Fluidkanal aufweisen. Ferner ist dieser Zentrierstift bestimmt für das Zusammenwirken des beschriebenen Schweißwerkzeugs, das ein erstes Schweißwerkzeug bildet, mit einem weiteren, zweiten Schweißwerkzeugs, das dem ersten Schweißwerkzeug derart gegenüberliegend angeordnet ist, dass die jeweiligen Unterseiten einander zugewandt sind. Das zweite Schweißwerkzeug ist bis auf den eingesetzten Zentrierstift und dessen Federung wie das erste Schweißwerkzeug ausgebildet. Statt des gefedert gelagerten Zentrierstifts weist das zweite Schweißwerkzeug einen Gegenlagerstift auf, der in die zentrale Ausnehmung eingesetzt ist und dessen Unterseite zumindest im Wesentlichen in einer Ebene mit der Unterseite des Innenstempels liegt.
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Diese Unterseite des Gegenlagerstifts kann konturiert sein, wobei vorzugsweise - sofern vorhanden - die Konturierungen der Unterseite des Zentrierstifts und der Unterseite des Gegenlagerstifts miteinander korrespondieren. Nach Anordnung der zu schweißenden Folien zwischen erstem und zweitem Schweißwerkzeug drückt der federnd gelagerte Zentrierstift mit seiner Unterseite gegen die Unterseite des Gegenlagerstifts und wird beim weiteren Zusammenfahren von erstem und zweitem Schweißwerkzeug gegen die Federkraft in die zentrale Ausnehmung gedrückt, bis seine Unterseite zumindest im Wesentlichen in einer Ebene mit der Unterseite des Innenstempels liegt. Auf diese Weise können durch die Konturierung der Unterseite des Zentrierstifts und/oder der Unterseite des Gegenlagerstifts auch im Bereich des Zentrierstifts Hohlräume bereitgestellt werden, in die beim Schweißen das durch den Druck auf das Schweißwerkzeug verdrängte erweichte Material der Folie eindringen kann. Somit muss das beim Schweißen verdrängte Materialvolumen nicht exakt auf das Hohlraumvolumen, das die Konturierung der Unterseiten von Innenstempel, Schweißstempel und Außenstempel bereitstellen, abgestimmt sein, vielmehr kann weiteres Material in die Konturierung im Bereich des Zentrierstiftes und des Gegenlagerstifts vordringen und gegebenenfalls im Nachgang entfernt werden. Erstes und zweites Schweißwerkzeug bilden auch in dieser Ausführungsvariante ein Schweißwerkzeug-System.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Blasensystems mittels des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs umfasst die Schritte:
- Bereitstellen von zwei übereinander angeordneten Folien, wobei die erste Folie zumindest teilweise zur Bildung einer ersten Blase und die zweite Folie zumindest teilweise zur Bildung einer zweiten Blase vorgesehen ist,
- Verschweißen der beiden Folien und Ausbilden einer Schweißnaht durch Aufdrücken des Schweißwerkzeugs und Beaufschlagen des Schweißwerkzeugs mit einem Hochfrequenz-Wechselfeld, und
- Formen mindestens einen sich durch das Verschweißen bildenden Schweißwulstes aus Folienmaterial zur Ausbildung einer Konturenzone der beiden verschweißten Folien.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die plane Unterseite des Außenstempels bereits vor und/oder bei Beginn des Verschweißens und während des Verschweißens an einer der beiden Folien anliegt.
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Dadurch wird das Vordringen von beim Verschweißen durch den Schweißstempel verdrängtem Folienmaterial in den Bereich vor der Unterseite des Außenstempels und damit auch in Bereiche außerhalb des Außenstempels verhindert. Das verdrängte Material steht somit zumindest im Wesentlichen vollständig zur Ausbildung vorgesehener Konturen im Bereich des Schweißwerkzeugs zur Verfügung. Gemäß einer Weiterbildung ist daher vorgesehen, dass beim Schweißen verdrängtes Folienmaterial nicht in den Bereich vor der Unterseite des Schweißstempels vordringt, sondern zur Füllung von Konturen des Schweißwerkzeugs verwendet wird.
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Ferner wird die Folie durch die plane Unterseite des Außenstempels niedergehalten und/oder gegen die weitere Folie gedrückt. Somit werden die beiden Folien durch das Schweißwerkzeug und dessen beim Schweißen vorhandenes Gegenstück beim Verschweißen gegeneinandergedrückt und können sich damit nicht schräg stellen oder verformen. Auch nach dem Schweißen erstrecken sich somit die Folien auch im die Konturenzone umgebenden Bereich zumindest im Wesentlichen in einer Ebene mit der Konturenzone und bilden somit keine exponierten, gegebenenfalls abdichtenden Anlageflächen für darüberliegende Folien.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht die Verwendung eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs mit dem beschriebenen Zwischenstempel vor. Die Position des Zwischenstempels wird relativ zum Schweißstempel derart eingestellt, dass das beim vorgesehenen Schweißen verdrängte Materialvolumen zumindest im Wesentlichen dem Volumen aller für die Aufnahme dieses verdrängten Materials vorgesehenen Konturen des Schweißwerkzeugs entspricht.
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Das erfindungsgemäße Schweißwerkezug und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen die Ausbildung einer Konturenzone, durch die die eingangs beschriebenen Nachteile beim Befüllen eines Mehrkammer-Blasensystems zumindest weitgehend vermieden werden. Insbesondere kann die Konturierung der Unterseiten von Schweißstempel und/oder Zwischenstempel und/oder Innenstempel derart gestaltet werden, dass die Konturenzone Bereiche und/oder Wülste unterschiedlicher Form und/oder Materialstärke, also Höhe, aufweist. Dadurch ergeben sich Unebenheiten, die einer Abdichtwirkung in Verbindung mit einer darüber liegenden Folie entgegenwirken, da diese nicht mehr plan auf einem gleichmäßig hohen, den Fluidkanal umgebenden Folienbereich aufliegen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich die Wülste in der Konturenzone kreisförmig um den Fluidkanal erstrecken, wobei entlang der jeweiligen Kreislinien Unterbrechungen der Wülste für die Durchführung von Fluid, insbesondere Luft, vorgesehen sind. Beispielsweise können radiale Fluidführungen in der Konturenzone ausgebildet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen
- 1 in einer perspektivischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs,
- 2 eine Draufsicht auf eine Unterseite des Schweißwerkzeugs nach 1,
- 3 in einer perspektivischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs, hier ein mit dem ersten Schweißwerkzeug korrespondierendes zweites Schweißwerkzeug,
- 4 einen ersten Verfahrensschritt bei der Herstellung eines Blasensystems unter Verwendung des ersten Schneidwerkzeugs nach 1 und des zweiten Schneidwerkzeugs nach 3,
- 5 einen auf den ersten Verfahrensschritt nach 4 folgenden zweiten Verfahrensschritt,
- 6 schematisch ein Blasensystem,
- 7 eine Draufsicht auf Schweißnaht und Konturenzone eines erfindungsgemäß hergestellten Blasensystems,
- 8 eine perspektivische Ansicht der in 7 gezeigten Schweißnaht und Konturenzone,
- 9 eine seitliche Schnittdarstellung von Schweißnaht und Konturenzone gemäß 7 und 8, und
- 10 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung von Schweißnaht und Konturenzone aus 9.
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Einander entsprechende Teile und Komponenten in den Figuren sind, auch über verschiedenen Ausführungsbeispiele hinweg, mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs 10 zum Herstellen eines Blasensystems 50 mittels Hochfrequenz-Schweißen. Das Schweißwerkzeug 10 umfasst einen Schweißstempel 11 mit einer die Schweißfläche bildenden Unterseite 12, welcher aus einem ein elektrisches Hochfrequenz-Wechselfeld leitenden Material gebildet ist. Die Unterseite 12 ist in einer vorgesehenen Schweißrichtung S, schematisch angedeutet durch einen Pfeil, frontseitig angeordnet. Die Unterseite 12 weist eine Konturierung 12a auf und ist somit konturiert ausgebildet.
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Weiter umfasst das Schweißwerkzeug 10 einen den Schweißstempel 11 umgebenden Außenstempel 13, welcher aus das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendem Material gebildet ist. Der Außenstempel 13 weist eine in der vorgesehenen Schweißrichtung S frontseitig angeordneten Unterseite 14 auf, die plan ausgebildet ist. Der Außenstempel 13 ist mittels einer Federung 17, die an einer der Unterseite 14 des Außenstempels 13 gegenüberliegenden Rückseite 18 des Außenstempels 13 angeordnet ist, derart beweglich und gefedert relativ zum Schweißstempel 11 gelagert, dass die Unterseite 14 des Außenstempels 13 bei Druck entgegen der Federkraft der Federung 17 und entgegen der vorgesehenen Schweißrichtung S gegenüber der Unterseite 12 des Schweißstempels 11 versetzt wird. Die Unterseite 14 des Außenstempels 13 liegt im unbelasteten Zustand der Federung 17 in der vorgesehenen Schweißrichtung S vor oder in einer Ebene mit der Unterseite 12 des Schweißstempels 11.
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Zwischen Schweißstempel 11 und Außenstempel 13 ist ein den Schweißstempel 11 umgebender Zwischenstempel 15 aus einem das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitenden Material mit einer in der vorgesehenen Schweißrichtung S frontseitig angeordneten Unterseite 16 angeordnet. Die Unterseite 16 des Zwischenstempels 15 ist konturiert, das heißt sie weist eine Konturierung 16a auf. Die Unterseite 16 des Zwischenstempels 15 liegt in der vorgesehenen Schweißrichtung S hinter der Unterseite 12 des Schweißstempels 11, so dass beim Schweißen verdrängtes Material in den Bereich vor der Unterseite 16 des Zwischenstempels 15 vordringen kann.
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Eine der Unterseite 16 des Zwischenstempels 15 gegenüberliegende Rückseite 23 des Zwischenstempels 15 ist über einen auswechselbaren Zwischenring 29 an einem Vorsprung 30 des Schweißstempels 11 gelagert. Die Position des Zwischenstempels 15 relativ zum Schweißstempels 11 ist durch Auswechslung des Zwischenringe 29 durch einen anderen Zwischenring mit unterschiedlicher Höhe verstellbar. Durch die Auswahl des Zwischenrings 29 und dessen Einbau in das Schweißwerkzeug 10 ist der Zwischenstempel 15 in und/oder entgegen der vorgesehenen Schweißrichtung S relativ zum Schweißstempel 11 verstellbar, wobei eine dadurch eingestellte Position durch den eingebauten Zwischenring 29 für den Schweißvorgang fixiert ist. Somit ist der Zwischenstempel 15 während eines Schweißvorgangs positionsfest mit dem Schweißstempel 11 verbunden. Die Position des Zwischenstempels 15 relativ zum Schweißstempel 11 ist insbesondere derart eingestellt, dass das beim vorgesehenen Schweißen verdrängte Materialvolumen zumindest im Wesentlichen dem Volumen aller für die Aufnahme dieses verdrängten Materials vorgesehenen Konturen 12a, 16a, 21a, 26a des Schweißwerkzeugs entspricht.
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Der Schweißstempel 11 weist eine mittige Ausnehmung 19 auf. Innerhalb der Ausnehmung 19 ist ein Innenstempel 20 angeordnet, welcher aus das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendem Material gebildet ist und an einer Unterseite 21 eine Konturierung 21a zeigt und somit konturiert ist.
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Die Unterseite 21 des Innenstempels 20 weist eine zentrale Ausnehmung 22 auf, die radial von der konturierten Unterseite 21 des Innenstempels 20 umgeben ist. In die zentrale Ausnehmung 22 ist ein Zentrierstift 24 eingesetzt, der relativ zum Innenstempel 20 entlang einer vertikalen Erstreckung der zentralen Ausnehmung 22 beweglich und mittels einer Feder 25 gefedert in der zentralen Ausnehmung 22 gelagert ist, wobei der Zentrierstift 24 bei unbelasteter Feder 25 über die Unterseite 21 des Innenstempels 20 hervorsteht. Beim Herstellen eines Blasensystems 50 wird der Zentrierstift 24 durch bereits vorhandene Ausstanzungen für die Ausbildung eines Fluidkanals der beiden zu verschweißenden Folien gesteckt und die beiden Folien dadurch für das Verschweißen relativ zum Schweißwerkzeug 10 positioniert.
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Eine Unterseite 26 des Zentrierstifts 24 weist eine Konturierung 26a auf und somit konturiert.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs 10 zum Herstellen eines Blasensystems 50 mittels Hochfrequenz-Schweißen. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein zweites Schweißwerkzeug 10b, das mit dem vorstehend anhand von 1 und 2 gezeigten ersten Schweißwerkzeug 10a beim Verschweißen der Folien bei der Herstellung eines Blasensystems zusammenwirkt, wie beispielhaft in 4 und 5 gezeigt.
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Das Schweißwerkzeug 10 umfasst auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel einen Schweißstempel 11 mit einer die Schweißfläche bildenden Unterseite 12, welcher aus einem ein elektrisches Hochfrequenz-Wechselfeld leitenden Material gebildet ist. Die Unterseite 12 weist eine Konturierung 12a auf und ist somit konturiert ausgebildet.
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Weiter umfasst das Schweißwerkzeug 10 einen den Schweißstempel 11 umgebenden Außenstempel 13, welcher aus das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendem Material gebildet ist. Der Außenstempel 13 weist eine plane Unterseite 14 auf. Zwischen Schweißstempel 11 und Außenstempel 14 ist ein Zwischenstempel 15 mit einer Unterseite 14 angeordnet, die eine Konturierung 15a aufweist und ist somit konturiert ausgebildet ist.
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Der Außenstempel 13 ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wie beim ersten Ausführungsbeispiel derart beweglich und gefedert mittels einer Federung 17 gegenüber dem Schweißstempel 11 gelagert, dass die plane Unterseite 14 des Außenstempels 13 bei Druck gegen die Federkraft der Federung 17 gegenüber der Unterseite 12 des Schweißstempels 11 zurückversetzt wird. Im unbelasteten Zustand kann die Unterseite 14 des Außenstempels 13 zumindest im Wesentlichen in einer Ebene mit der Unterseite 12 des Schweißstempels 11 liegen. Die Federung 17 ist an einer der Unterseite 14 gegenüberliegenden Rückseite 1 des Außenstempels 13 angeordnet, analog zur Ausbildung beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Der Schweißstempel 11 des zweiten Ausführungsbeispiels weist wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine mittige Ausnehmung 19 auf. Innerhalb der Ausnehmung 19 ist allerdings bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ein Gegenlagerstift 27 angeordnet, welcher aus das elektrische Hochfrequenz-Wechselfeld nichtleitendem Material gebildet ist und an einer Unterseite 28 eine Konturierung 28a zeigt und somit konturiert ist. Die Konturierung 28a ist entsprechend der Konturierung 26a der Unterseite 26 des Zentrierstifts 24 ausgebildet, so dass beim aneinanderlegen von erstem Schweißwerkzeug 10a und zweitem Schweißwerkzeug 10b bei der Herstellung der Folienblase, wie in 4 und 5 gezeigt, durch die Konturierungen 26a und 28a gemeinsame Hohlräume zur Ausbildung von Schweißwülsten 56 bei der Verdrängung des erweichten Folienmaterials beim Schweißen gebildet werden. Die Unterseite 28 des Gegenlagerstifts 27 bildet beim Schweißen ein Gegenlager für den federnd gelagerten zweiten Zentrierstift 24.
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4 und 5 zeigen zwei Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Blasensystems 50 unter Verwendung des vorstehend beschriebenen ersten Schweißwerkzeugs 10a und des vorstehend beschriebenen zweiten Schweißwerkzeugs 10b. Im in 9 gezeigten ersten Verfahrensschritt werden eine erste Folie 51 und eine zweite Folie 52, die durch dieses Verfahren verschweißt werden sollen und jeweils bereits eine Ausstanzung für einen zu bildenden Fluidkanal 59 (Überströmkanal) aufweisen, mittels diesen Ausstanzungen auf den Zentrierstift 24 gesteckt, so dass sie in gewünschter Weise relativ zum ersten Schweißwerkzeug 10a positioniert sind. Im in 10 gezeigten zweiten Verfahrensschritt sind das erste Schweißwerkzeug 10a und das zweite Schweißwerkzeug 10b zusammengefahren und das Schweißen wird durch Beaufschlagung eines oder beider Schweißstempel 11 mit einem Hochfrequenz-Wechselfeld und unter Druck durchgeführt. Der federnd gelagerte Zentrierstift 24 wird hierbei durch den Gegenlagerstift 27 in die Ausnehmung 19 des Schweißstempels 11 des ersten Schweißwerkzeugs 10a gedrückt.
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6 zeigt schematisch ein Blasensystem 50, wie es mittels der erfindungsgemäßen Schweißwerkzeuge 10 und des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird. Es handelt sich hierbei um ein Mehrkammer-Blasensystem, das im vorliegenden Fall eine erste Blase 53 und eine zweite Blase 54 umfasst. Diese Blasen 53, 54 sind typischerweise jeweils aus zwei übereinander gelegten und an den Rändern verschweißten Folien gebildet, was in den Figuren nicht dargestellt ist. Zu erkennen sind die erste Folie 51 und die zweite Folie 52, deren Verschweißung beispielhaft vorstehend anhand von 4 und 5 erläutert wurde. Zu erkennen ist der aus den vorgestanzten Ausstanzungen der beiden Folien 51, 52 gebildete Fluidkanal 59 (Überströmkanal), der von einer Konturenzone 57 umgeben ist, in der die von den Konturierungen der Unterseiten der Schweißwerkzeuge ausgebildeten Schweißwülste angeordnet sind. Die erste Blase 53 weist eine Druckluftversorgung 58 auf. Hierüber der ersten Blase 53 zugeführte Druckluft gelangt über den Fluidkanal 59 in die zweite Blase 54.
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7, 8, 9 und 10 zeigen die beiden miteinander verschweißten Folien 51, 52. Das Verschweißen kann hierbei mit den Schweißwerkzeugen 10a, 10b gemäß erstem und zweitem Ausführungsbeispiel erfolgt sein. Zu erkennen ist eine durch das Schweißen gebildete Schweißnaht 55 und eine Konturenzone 57, in der die von den Konturierungen der Unterseiten der Schweißwerkzeuge 10 ausgebildeten Schweißwülste 56 angeordnet sind. Hierbei wird jede Ansammlung von beim Schweißen verdrängtem Material der Folien als Schweißwulst 56 bezeichnet, unabhängig von deren konkreter Form.
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Zu erkennen ist insbesondere in 9 und 10, dass sich die beiden Folien 51, 52 nach dem Verschweißen an der Außenseite der Konturenzone 57 parallel zueinander von der äußersten Schweißwulst 56 weg erstrecken und hierbei in einer Ebene mit der Erstreckung der Konturenzone 57 liegen. Die plane Unterseite 14 des Außenstempels 13 der erfindungsgemäßen Schweißwerkezuge 10, 10a, 10b wirkt somit als Niederhalter für die Folien 51, 52 beim Schweißen und sorgt dafür, dass diese an der Außenseite der Konturenzone 57 nicht schräg abstehen.
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Bezugszeichen liste
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- 10
- Schweißwerkzeug
- 10a
- erstes Schweißwerkzeug
- 10b
- zweites Schweißwerkzeug
- 11
- Schweißstempel
- 12
- Unterseite des Schweißstempels 11
- 12a
- Konturierung der Unterseite 12
- 13
- Außenstempel
- 14
- Unterseite des Außenstempels 13
- 15
- Zwischenstempel
- 16
- Unterseite des Zwischenstempels 15
- 16a
- Konturierung der Unterseite 16
- 17
- Federung
- 18
- Rückseite des Außenstempels 13
- 19
- Ausnehmung des Schweißstempels 11
- 20
- Innenstempel
- 21
- Unterseite des Innenstempels 20
- 21a
- Konturierung der Unterseite 21
- 22
- zentrale Ausnehmung der Unterseite 21 des Innenstempels 20
- 23
- Rückseite des Zwischenstempels
- 24
- Zentrierstift
- 25
- Feder
- 26
- Unterseite des Zentrierstifts 24
- 26a
- Konturierung der Unterseite 26
- 27
- Gegenlagerstift
- 28
- Unterseite des Gegenlagerstifts 27
- 28a
- Konturierung der Unterseite 28 des Gegenlagerstifts 27
- 29
- Zwischenring
- 30
- Vorsprung des Schweißstempels 11
- 50
- Blasensystem
- 51
- erste Folie
- 52
- zweite Folie
- 53
- erste Blase
- 54
- zweite Blase
- 55
- Schweißnaht
- 56
- Schweißwulst
- 57
- Konturenzone
- 58
- Druckluftversorgung
- 59
- Fluidkanal (Überströmkanal)
- S
- vorgesehene Schweißrichtung
