DE10359909A1

DE10359909A1 - Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE10359909A1
Application number: DE10359909A
Authority: DE
Inventors: Hermann van Dipl.-Ing. Laak
Original assignee: Plasticon Germany GmbH
Current assignee: Plasticon Germany GmbH
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE10359909B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung 1, 16, insbesondere zur Herstellung einer Schweißnaht für Folien 3, bestehend aus einer Folienführungseinrichtung mit zumindest einem Andruckelement 4, 9, 10, 17 und einem Strahlungskopf. Um eine kontinuierliche Schweißverbindung für Folien 3 herzustellen, die gleichzeitig dauerhaft gas- und flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer gattungsgemäßen Schweißvorrichtung 1, 16 die Folienführungseinrichtung mit zumindest einem Andruckelement 4, 9, 10, 17, welches unter- oder oberhalb der Folienränder angeordnet ist, versehen ist, wobei durch die Folienführungseinrichtung beide Folienränder erfasst und in einer zu verbindenden Position für die Dauer der Verschmelzung und der anschließenden Abkühlphase gehalten sind und wobei der Fügebereich durch einen elektromagnetischen Strahlungskopf beaufschlagbar ist. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass anstelle herkömmlicher Schweißmethoden ein elektromagnetischer Strahlungskopf verwendet wird, der einen lokal nur geringen Energieeintrag erzeugt und somit ein kontinuierliches Verschweißen der Folienränder mit einer geringen Schmelze ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung, insbesondere zur Herstellung einer Schweißnaht für Folien, bestehend aus einer Folienführungseinrichtung mit zumindest einem Andruckelement und einem Strahlungskopf.
Gattungsgemäße Schweißvorrichtung werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo Bauteile wie Behälter, Container, Gaskanäle, Wärmetauscher oder dergleichen mit einer Folie nachträglich ausgekleidet werden müssen. Hierbei bestehen die Bauteile in der Regel aus einem Material, welches den statischen Anforderungen entspricht, jedoch korrosiven Medien ungeschützt ausgesetzt ist. Die Bauteilauskleidungen werden beispielsweise dort eingesetzt, wo metallische oder aus preiswerteren Kunststoffmaterialien bestehende Bauteile verwendet werden, die korrosive Gase oder Flüssigkeiten aufnehmen sollen. Die korrosiven Gase oder Flüssigkeiten stammen in der Regel von Mikrochipfabriken, Chemikalienproduzenten und -distributoren sowie Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und zahlreichen industriellen Prozessanlagen. Aufgrund der Größe der auszukleidenden Bauteile und der hohen Anforderungen an die Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit werden an die vorzusehenden Schweißnähte extrem hohe Anforderungen gestellt.
Beispielsweise wird zum Verbinden der Folienränder das Warmgasziehschweißen oder das Fusionsschweißen mit relativ großen Schmelzquerschnitten eingesetzt, welche zu einer zeit- und kostenintensiven Verarbeitung führen. Durch die großen Schmelzquerschnitte sind hierbei exakte Schweißnahtvorbereitungen und eine lange Schweißnahtfixierung zum Schweißen und während der Abkühlung erforderlich, sodass derartige Schweißverfahren für das Folienschweißen wirtschaftlich weniger interessant sind.
Ein für Standardthermoplaste handelsübliches Heizelementkontaktschweißen ist hingegen bei vollfluorierten Thermoplasten, wie zum Beispiel PFA, FEP, MFA wegen niedriger Viskosität der Schmelze und geringer Wanddicken in der Regel nicht anwendbar. Das vorgenannte Schweißverfahren kann prinzipiell auch auf modifiziertes PTFE übertragen werden, da es in der Regel mit bezüglich der chemischen Struktur ähnlichen PFA verschweißt wird. Es bestehen jedoch Nachteile durch das Kleben der Schmelze auf den Materialoberflächen und der korrosive Angriff durch das Fluor. Daher sind Oberflächen und der korrosive Angriff durch das Fluor. Daher sind teuere hochlegierte Werkzeuge für die Herstellung notwendig und erhöhen die Fertigungskosten. Die bei vollfluorierten Thermoplasten hohen Schweißtemperaturen bewirken bei völliger Plastifizierung des Folienquerschnitts ferner eine extrem hohe Wärmeausdehnung der zu verschweißenden Folienränder. Alle vorgenannten Schweißverfahren weisen daher den Nachteil auf, dass eine aufwändige Fixierung der zu verbindenden Teil notwendig ist, um eine Faltenbildung beim Schweißen und ein Verzug in der Abkühlphase zu vermeiden. Aus diesem Grunde sind aufgrund der großen Schmelzvolumen relativ große Zykluszeiten zum Aufheizen, Verbinden und Abkühlen notwendig, um beispielsweise Folien ab cirka 1,5 mm Dicke zu verschweißen. Ferner sind einige der vorgenannten Schweißtechniken für extrem dünne Folien nicht einsetzbar, da die Folien sehr leicht beschädigt werden. Mit Hilfe eines handelsüblichen Heißluftschweißgerätes ist daher extrem sorgfältiges Arbeiten erforderlich, wobei aufgrund der ebenfalls großen Schmelze mit einem hohen Wärmeeintrag die zu verbindenden Folien wesentlich länger fixiert werden müssen und damit die Verarbeitungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißvorrichtung aufzuzeigen, mit welcher dünne Folien bei in der Regel langen und variierenden Nahtlängen automatisierbar mit hoher Geschwindigkeit verschweißt werden können und somit eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird, wobei gleichzeitig sichergestellt sein soll, dass die miteinander zu verbindenden Folien dauerhaft gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabenstellung vorgesehen, dass bei einer gattungsgemäßen Schweißvorrichtung die Folienführungseinrichtung mit zumindest einem Andruckelement, welches unter- und/oder oberhalb der Folienränder angeordnet ist, versehen ist, wobei durch die Folienführungseinrichtung beide Folienränder erfasst und in einer zu verbindenden Position für die Dauer der Verschmelzung und der anschließenden Abkühlphase gehalten sind und wobei der Fügebereich durch einen elektromagnetischen Strahlungskopf beaufschlagbar ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung soll zu einer wesentlichen Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit führen und darüber hinaus eine betriebssichere gas- und flüssigkeitsdichte Schweißnaht ausbilden. Aus diesem Grunde weist die Folienführungseinrichtung zumindest ein Andruckelement auf, welches unter und/oder oberhalb der Folienränder angeordnet ist. Beide Folienränder werden durch die Folienführungseinrichtung erfasst und zunächst in einer zu verbindenden Position für die Dauer der Schweißarbeiten und der anschließenden Abkühlphase gehalten. Um die Abkühlzeit so gering wie möglich zu halten wird erfindungsgemäß ein elektromagnetischer Strahlungskopf verwendet, welcher einen nur geringen, aber ausreichenden Energieeintrag im Bereich der Folienränder erzeugt. Hierdurch wird die Wärmeausdehnung der Folienränder minimiert, da diese nur zu cirka 0,1 bis 0,2 mm aufschmelzen. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass die Folien entweder direkt durch einen CO₂-Laser miteinander verbunden werden oder es wird ein Schweißzusatzstoff verwendet. Durch die Verwendung eines CO₂-Lasers kann auf Additive verzichtet werden und somit können die Folienränder direkt miteinander verbunden werden. Beispielsweise kann auf diese Weise transparentes PFA zum Verbinden von modifizierten PTFE mittel CO₂-Laser verwendet werden. Alternativ können Schweißzusatzstoffe mit Additiven verwendet werden, die elektromagnetische Strahlung absorbieren und zu einer Aufschmelzung der Kunststoffmaterialien führen, sodass beide Folienränder durch die erzeugte Schmelze miteinander verbunden werden. Die Absorbtionseigenschaften des Schweißzusatzstoffes können hierbei an die Eigenschaften des verwendeten elektromagnetischen Strahlungskopfes angepasst werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchdringt elektromagnetische Strahlung das lasertransparente Halbzeug oder den Schweißzusatzstoff bis zur absorbierenden Schicht und es wird durch die Wärmeeinwirkung in der mit entsprechenden Additiven versehenen Schicht die zugeführte Wärme absorbiert, sodass durch die in der Beschichtung und dem Schweißzusatzstoff erzeugte Wärme ein dünner Schmelzfilm entsteht, der eine Verbindung zwischen den Folien und/oder dem Schweißzusatzstoff bewirkt. Der Schmelzfilm weist typischerweise eine Dicke von beispielsweise 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,2 mm, auf, der zur Verbindung der Folien ausreicht. Bei der Verwendung von Schweißzusatzstoffen werden die durch die lokale Wärmeentwicklung in Kontakt mit dem Schweißzusatzstoff befindlichen Folien ebenfalls erwärmt und an der Oberfläche mit geringer Tiefe angeschmolzen, sodass die Oberflächen miteinander verschmelzen und nach der Abkühlung sehr fest miteinander verbunden sind. Die an den Oberflächen beziehungswei se Kontaktflächen gebildete Schmelzmasse ist so gering, das gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren eine wesentlich reduzierte Aufwärmphase, Schweiß- und Abkühlzeit erforderlich ist. Die elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise durch einen Laser oder ein Infrarotlicht erzeugt werden. Der Zeitaufwand für den Schweißvorgang reduziert sich um mehr als die Hälfte der beim Warmgasziehschweißen benötigten Zeit. Durch die reduzierten Bearbeitungszeiten ist somit eine schnelle Verarbeitung möglich. Ferner wird die Belastung des Kontaktbereichs beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren durch Minimierung der Eigenspannung bei unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten der miteinander verbundenen Folien und des Schweißzusatzstoffes wesentlich verringert. Die erhöhte Schweißgeschwindigkeit aufgrund des geringen Schmelzvolumens ist für alle Thermoplaste besonders vorteilhaft und anwendbar. Durch die kleinere Wärmeeinflusszone ergibt sich somit eine wesentlich kürzere Schweißnahtfixierung, wodurch die Produktionsrate erhöht wird und die Fertigungskosten gesenkt werden können. Eine besondere Schweißnahtvorbereitung ist beim Herstellen der Verbindung nicht erforderlich, sodass die Kosten insgesamt verringert und die Handhabung vereinfacht wird. Durch die Verringerung der Abkühlzeiten können ferner größere Schweißnahtlängen wirtschaftlich hergestellt und einem Automatisierungsprozess mit einer hohen Reproduzierbarkeit zugeführt werden.
Zur Vereinfachung des Schweißverfahrens ist ferner vorgesehen, dass die Folienführungseinrichtung eine Verbindungszone und in der Regel eine Nachbehandlungszone aufweist, in welcher eine gezielte thermische Nachbehandlung durch Kühlung, Isolierung oder Beheizung gegebenenfalls mit Temperaturüberwachung des Fügebereiches erfolgt. Somit können unmittelbar während und nach erfolgter elektromagnetischer Bestrahlung die zu verbindenden Folienränder unter Aufbringung eines Anpressdrucks bis zum Erstarren der Schmelze zusammengehalten werden, wobei in vorteilhafter Weise aufgrund des geringen Wärmeeintrags die Abkühlzeiten erheblich reduziert sind und somit ein kontinuierlicher Bearbeitungsprozess halb- oder vollautomatisch durchführbar ist. Beispielsweise kann die Schweißvorrichtung an einer Lineareinheit befestigt sein, welche entlang der Folienkanten ausgerichtet und horizontal und/oder vertikal verfahrbar angeordnet ist. Die Anordnung des Strahlungskopfes kann hierbei mittig oder seitlich versetzt zur Schweißvorrichtung angeordnet sein, um die Folienränder zu beaufschlagen.
Um eventuelle Ungenauigkeiten oder Zuschnitte der Folienränder sauber zu verschweißen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Strahlungskopf selbsttätig senkrecht zur Folienkante nachführbar ausgebildet ist, sodass eine seitliche schwimmende Ausgleichsbewegung gegenüber der verfahrbaren Lineareinheit und Folienkante möglich ist, wobei die Ausgleichsbewegung im Wesentlichen nur gegenüber der den Schweißkopf aufnehmenden Schweißvorrichtung erfolgt. Soweit die Schweißvorrichtung mit der Hand geführt wird, kann auf eine schwimmende Lagerung verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann für die stationäre Fertigung von Längsnähten im Werk die Schweißvorrichtung schwimmend gelagert sein, wobei diese an dem mit verschiedenen Geschwindigkeiten verfahrbaren Schlitten einer Lineareinheit angebaut wird. Die zu verschweißenden Folienränder werden mit Hilfsmitteln unter dem Verfahrweg der Schweißvorrichtung temporär zum Verschweißen fixiert, sodass eine gleichbleibende hohe Schweißqualität im Werk erstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist für das lineare Verschweißen von Folienrändern bei Baustellenauskleidungen vorgesehen, dass der Strahlungskopf durch eine oberhalb angeordnete horizontale Führungseinheit mit einem Führungsschlitten in jede horizontale Position verfahrbar ist und in vertikaler Position über einen Seilzug abgehängt ist, welcher ebenfalls elektromotorisch angetrieben den Strahlungskopf in horizontaler und/oder vertikaler Richtung bewegt. Hierbei besteht beispielsweise die Möglichkeit das gegenüberliegende Ende des Seilzuges mit einem Gegengewicht zu beschweren, damit der Antrieb auch bei vertikaler Bewegung relativ klein dimensioniert werden kann. Durch die aufgezeigte Vorrichtung besteht somit die Möglichkeit den Strahlungskopf sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung mit Hilfe einer Führungseinheit zu verfahren, um sowohl vertikale als auch horizontale Folienränder miteinander zu verbinden.
Ferner kann eine spezielle Seilzugsteuerung durch eine Steuerungseinheit vorgesehen werden, die die Schweißvorrichtung aufgrund der vertikalen und horizontalen Bewegbarkeit in jede beliebige Position verfahren kann, sodass nicht nur exakt gradlinige Schweißnähte herstellbar sind, sondern auch leicht welligen Konturen gefolgt werden kann. Hierbei können Sensoren die Krafteinleitung durch die Folienränder an der Schweißvorrichtung messen. Bei horizontalen Nähten kann somit die Seillänge und bei vertikalen Nähten die Position auf der horizontalen Führungseinheit nachjustiert werden, sodass sich die von den Folienrändern ausgeübten Kräfte an der Schweißvorrichtung aufheben, was eine automatisierte Mittenjustierung der Schweißvorrichtung garantiert.
In einer speziellen Ausführungsvariante kann die Schweißvorrichtung über Sensoren zur Abtastung der Folienränder gesteuert werden, wobei die Schweißvorrichtung über zwei Seilzüge verfahrbar ist. Durch zusätzliche Last- oder Kraftsensoren kann diese Steuerung aufgrund auftretender Kräfte optimiert werden, sodass beispielsweise die beiden Seilzüge über ein PC-Programm steuerbar sind. Die Folienführungseinrichtung kann zum Verschweißen der Auskleidungsfolie ferner an einem stationären Gerüst oder einem Wand- oder Dachelement befestigt sein.
In besonderer Ausgestaltung ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Strahlungskopf über eine mitlaufende Magnethalterung zusätzlich an der Behälterwandung gehalten ist, wobei zwischen Magnethalterung und Auskleidungsfolie eine über zwei Rollen umlaufende Kunststofffolie angeordnet ist. Durch die verschiebbare Magnethalterung kann der Strahlungskopf über die Magnethalterung zusätzlich an ferromagnetischen Behälterwandungen befestigt werden, wobei zwischen Magnethalterung und Auskleidungsfolie der Behälterwandung gegebenenfalls die zusätzliche umlaufende Kunststofffolie angeordnet ist, auf welcher die Magnethalterung leichter verschiebbar ist und trotzdem eine ausreichende Haltekraft entwickelt.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere unter Berücksichtigung der zu verschweißenden Kunststoffmaterialien, kann dem Strahlungskopf ein Schweißzusatzstoff kontinuierlich von einer Vorratsrolle zugeführt werden, welcher auf oder unterhalb der Folien oder zwischen den Folien zu liegen kommt. Der Schweißzusatzstoff ist zumindest teilweise absorbierend ausgebildet, sodass durch die Folienränder oder dem Schweißzusatzstoff hindurch eine elektromagnetische Bestrahlung mit Hilfe des Strahlungskopfes erfolgen kann. Die elektromagnetische Strahlung des Strahlungskopfes kann hierbei aus Sicherheitsgründen innerhalb einer geschlossenen Wandung oder gegebenenfalls über einen Lichtleiter dem Fügebereich der Folien zugeführt werden.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strahlungskopf oder der Strahl schräg oder quer gegenüber dem Fügebereich hin- und her bewegbar ausgebildet ist, sodass auch ein bei korrosionsbeanspruchten Anwendungen üblicher breiter Fügebereich mit einem einzelnen Strahlungskopf vollflächig beaufschlagt werden kann. Diese Art der Bewegung ermöglicht auch die Verwendung eines relativ engen Strahlenbündels mit einem nur geringen Energieeintrag, der jedoch die gesamte Fläche des Fügebereiches bestreichen kann und ist unabhängig von einer seitlichen Ausgleichsbewegung des Strahlungskopfes entlang der Folienränder zu sehen. Als elektromagnetische Strahlungsquelle kommt hierbei ein Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser oder eine Infrarotlichtquelle, beispielsweise eine Xenon-Kurzbogenlampe in Frage, welche eine elektromagnetische Strahlung aussenden, die entweder, wie bereits ausgeführt, von den Folienrändern oder von dem Schweißzusatzstoff absorbiert wird, sodass zwischen den Folienrändern eine Schmelze entsteht, die zu einer Verbindung der Folienränder gegebenenfalls mittels des Schweißzusatzstoffes führt.
Die Bewegung der Folienführungseinrichtung ist wie bei bekannten Schweißvorrichtung manuell mit einer entsprechenden Geschwindigkeitskontrolle möglich oder aber es wird ein halb- oder vollautomatisches Verfahren gewählt, wobei die Folienführungseinrichtung mit einem elektromotorischem Antrieb versehen wird. Die Folienführungseinrichtung kann somit einerseits als Handgerät eingesetzt werden, daneben besteht aber die Möglichkeit im werkstattmäßigen Gebrauch eine Verwendung über eine Lineareinheit vorzusehen, während auf der Baustelle vor Ort horizontale und vertikale Nähte über die Bewegung der Führungseinheit beziehungsweise über einen Seilzug herstellbar sind. In der besonderen Ausführungsform mit zwei Seilzügen wird die Schweißkopfgeschwindigkeit durch die Bewegung der Seilzüge gesteuert.
Nach dem der Fügebereich durch den Strahlungskopf mit elektromechanischer Strahlung beaufschlagt wurde und zu einer Schmelze der Folienränder führte, können diese in der Nachbehandlungszone beispielsweise durch zusätzliche Druckerzeugung auf die Folienränder so lange fixiert werden, bis die Schmelze erstarrt ist. Gegebenenfalls besteht hierbei die Möglichkeit zusätzliche Kühlungsmaßnahmen oder im Bedarfsfall ein langsames Abkühlen durch Isolierung und Nachheizen der Schmelze vorzusehen.
Zur Druckerzeugung und zum Halten der Seitenränder weist die Folienführungseinrichtung ein Andruckelement beispielsweise mit besonderer Gummibeschichtung auf, welches im einfachsten Fall aus einem Niederhalter bestehen kann, der die beiden Folien gegen eine Wand- oder Bodenfläche drückt oder als Rolle zum Transport der Folien vorgesehen sein kann. Als Niederhalter wird ein Andruckelement in einer ersten Ausführungsform verwendet, der beispielsweise aus einer elektromagnetisch transparenten Andruckscheibe besteht.
In weiterer Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass dem Niederhalter wenigstens ein Gegenhalter zugeordnet ist, sodass die Folien zwischen Nieder- und Gegenhalter geführt werden können. Der Gegenhalter kann beispielsweise durch einen Schenkel der Schweißvorrichtung gebildet werden, sodass die Schweißvorrichtung die notwendigen Andruckkräfte innerhalb der Vorrichtung kompensiert und keine Abstützung gegenüber Wand- oder Bodenflächen erforderlich ist und somit keine Kräfte nach außen entstehen. Vorzugsweise werden jedoch mehrere Nieder- und/oder Gegenhalter vorgesehen, von denen zumindest ein erstes Paar zum Erfassen und Halten der noch nicht verbundenen Folienränder bis zu deren Verbindung verwendet wird und ein zumindest ein zweites Paar den notwendigen Anpressdruck erzeugt, bis die entstandene Schmelze erstarrt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Nieder- oder Gegenhalter als Andruckrolle ausgebildet, welche elektromotorisch bewegbar den Transport der Folien oder bei ortsfesten Folien den Transport der Vorrichtung steuert. Alternative besteht die Möglichkeit zusätzliche Antriebs- oder Transportrollen vorzusehen. Hierbei ist ferner vorgesehen, dass die Nieder- und/oder Gegenhalter durch ein Anschlusselement in Richtung auf die zu verbindenden Folienränder vorgespannt sind, um einen ausreichend bemessenen Druck auf die Folienränder als Fügekraft während der Verschmelzung und der anschließenden Erstarrung auszuüben. Als Andruckelement kommen Druckfedern, pneumatische oder hydraulische Zylinder oder elektromagnetische Elemente infrage.
Soweit ein Schweißzusatzstoff zur Verbindung der Folienränder zum Einsatz kommt, ist vorgesehen, dass dieser im Wellenlängenbereich von 300 bis 2.500 nm, insbesondere 500 bis 1.500 nm oder 800 bis 1.000 nm, absorbierende Eigenschaften aufweist, damit der Schweißzusatzstoff als Fügeelement durch das entstehende Schweißvolumen die beiden Folien miteinander verbindet. Vorzugsweise besteht der Schweißzusatzstoff aus einer Schweißfolie von 1,0 bis 3,0 mm, vorzugsweise 1,5 bis 2,00 mm Dicke und besteht aus einem laser- oder infrarottransparenten Kunststoffmaterial mit absorbierenden Partikeln in einem bestimmten Wellenlängenbereich, wobei die Schweißfolie beispielsweise unterhalb der transparenten Folie zur Verschweißung angeordnet wird. Alternativ kann eine Durchstrahlschweißfolie geringerer Dicke als Aufheizfolie zur Verbindung der Folien verwendet werden, wobei diese zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig in eine Schmelze übergeht und zudem aufgrund der Wärmeentwicklung zumindest die angrenzenden Flächen der zu verbindenden Folienränder in die Schmelze mit einbezieht. Die Durchstrahlschweißfolie kann bevorzugt zwischen den Folien eingesetzt werden.
Der Schweißzusatzstoff kann in weiterer Ausgestaltung aus einem Trägermaterial mit einer zumindest partiell ausgeführten additiven Beschichtung bestehen, wobei das Trägermaterial im Wellenlängenbereich von 300 bis 2.500 Nanometer nicht absorbierend ausgebildet ist und die Beschichtung im Wellenlängenbereich von 150 bis 2.500 Nanometer, vorzugsweise 500 bis 1.500 Nanometer, besonders bevorzugt von 800 bis 1.000 Nanometer absorbierend ist. Die Beschichtung kann hierbei auf einer Fläche, Kante oder gegebenenfalls auf einem Teilumfang ausgebildet sein, um die erforderliche Wirkung zu erzielen. Soweit ein Trägermaterial als Schweißzusatzstoff verwendet wird, kann dieses eine Dicke von 0,8 bis 5,0 mm aufweisen, während die Beschichtung eine Schichtdicke von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 mm und besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,3 mm aufweist. Dieser Schweißzusatzstoff wird beispielsweise auf die Folienränder mit seiner beschichteten Seite aufgelegt und die Verschweißung durch den Schweißzusatzstoff hindurch ausgeführt. Soweit der Schweißzusatzstoff als Aufheizmittel zur Verbindung der Folien verwendet wird, ist vorgesehen, dass die Beschichtung des Trägermaterials elektromagnetische Strahlung absorbierende, thermostabile Additive enthält, wobei die Additive aus organischen oder anorganischen Materialien mit einer Mindesttemperaturstabilität bestehen, wobei die Temperatur den Verarbeitungstemperaturen der verwendeten Kunststoffmaterialien entspricht und die Additive in Abhängigkeit des Wärmeeinwirkungsverfahrens, beispielsweise aus Farbmitteln in Form von Farbstoffen oder Farbpigmenten, wie Rußteilchen oder Glimmer mit Zinn-Antimonbeschichtung, bestehen.
Zusammenfassend ist somit festzustellen, dass durch die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung eine qualitativ hochwertige gas- und flüssigkeitsdichte Schweißnaht an Folienrändern hergestellt werden kann, die zudem weitestgehend maschinell ausgeführt wird. Insbesondere wird durch die Verwendung eine elektromagnetischen Schweißkopfes mit hoher Intensität eine nur lokal begrenzte Schicht der zu verbindenden Folienränder erwärmt, sodass bereits mit einem geringen Wärmeeintrag eine zur Verbindung ausreichende Schmelze entsteht. Hierdurch besteht im Weiteren der Vorteil, dass aufgrund der geringen Schmelze die Abkühlzeiten erheblich reduziert werden und somit ein kontinuierlicher Fertigungs- beziehungsweise Schweißprozess halb- oder vollautomatisch möglich wird.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren nochmals erläutert.
Es zeigt
1 in einer schematischen Seitenansicht eine erste erfindungsgemäße Schweißvorrichtung,
2 in einer schematischen Seitenansicht eine zweite erfindungsgemäße Schweißvorrichtung und
3 in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Führungseinheit.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 1, bestehend aus einem U-förmig geformten Haltebügel 2 und einem nicht dargestellten elektromagnetischen Strahlungskopf. Die Schweißvorrichtung 1 ist vorzugsweise mit Hilfe der Durchstrahllichttechnik zum Verschweißen von Folien 3 durch Herstellung einer Längsschweißnaht vorgesehen. Die Folien 3 werden mit ihren Folienrändern nebeneinander oder übereinander liegend zusammengeführt und durch die Schweißvorrichtung 1 mittels einem Niederhaltern in Form einer Andruckrolle 4 gehalten und sofern ein elektromotorischer Antrieb der Andruckrolle 4 vorgesehen ist für einen Transport der Schweißvorrichtung 1 oder aber der Folie 3 verwendet. Durch einen elektromagnetischen Strahlungskopf wird während der Relativbewegung zwischen Schweißvorrichtung 1 und Folien 3 die Folienränder insoweit beaufschlagt, dass es zu einer Verschweißung der Folienränder alleine oder mit Hilfe eines Schweißzusatzstoffes 5, der von einer nicht dargestellten Vorratsrolle abgewickelt und der Schweißnaht zugeführt, kommt.
Der nicht dargestellte elektromagnetische Strahlungskopf kann hierzu beispielsweise auf dem oberen Schenkel 6 des Haltebügels befestigt werden, wobei die elektromagnetische Strahlung im Inneren eines Strahlungsrohres 7 der Schweißnaht zugeführt wird, welches oberhalb der zu verbindenden Folien 3 endet, sodass die elektromagnetische Strahlung unmittelbar auf die zu verschweißenden Flächen einwirken kann. Das Strahlungsrohr 7 dient bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Führungselement für eine Feder 8, welche Druck auf einen weiteren Niederhalter 9 ausübt, der beispielsweise aus einer für elektromagnetischen Strahlung transparenten Andruckscheibe 9 besteht, sodass über den Niederhalter 9 die beiden Folienränder und gegebenenfalls ein Schweißzusatzstoff 5 unter einem vorbestimmten Anpressdruck verschweißbar sind. Nach erfolgter Verschweißung wird der Schweißzusatzstoff 5 zusammen mit den Folien 3 über einen weiteren Niederhalter 10 zusammengedrückt, bis die entstandene Schmelze erstarrt ist und die Folien miteinander verbunden sind. Der Niederhalter 10 wird ebenfalls durch eine Feder 11 beaufschlagt, die auf einer Führung 12 gelagert ist. Somit liegend die beiden Federn 8, 11 einerseits an den Niederhaltern 9, 10 an und stützen sich andererseits gegenüber dem ersten Schenkel 6 des Haltebügels 2 ab.
Der untere Schenkel 13 des Haltebügels 2 dient in diesem Fall als Gegenhalter, auf dem zunächst die Folie 3 mit dem Schweißzusatzstoff 5 aufliegt und durch die Andruckrolle 4 transportiert werden kann, wobei während der Verschweißung der Niederhalter 9 einen notwendigen Anpressdruck erzeugt, der so bemessen ist, dass die entstehenden Kräfte einen ausreichenden Fügedruck erzeugen. Durch den Gegenhalter in Form des unteren Schenkels wird dieser Fügedruck kompensiert, sodass keine Kräfte nach außen entstehen. Hierbei besteht im Weiteren die Möglichkeit den Niederhalter 10 aufheizbar zu gestalten oder aber zur Beschleunigung des Schweißverfahrens mit einer Kühleinrichtung für die Schweißnaht zu versehen. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass der nicht dargestellte Strahlungskopf gegenüber dem Haltebügel 2 rechtwinklig zur Schweißnaht über eine Halterung 15 bewegbar ausgebildet ist, sodass gegebenenfalls über Sensoren der Strahlungskopf gegenüber der Folienkante seitlich schwimmend nachführbar ist.
Somit besteht die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 1 im Wesentlichen aus dem Haltebügel 2 mit einem oberen Schenkel 6 und einem unteren Schenkel 13 zwischen denen die Folie 3 zusammen mit dem Schweißzusatzstoff 5 verpresst werden können. Durch einen Führungskanal 14 wird hierbei der Schweißzusatzstoff 5 kontinuierlich zugeführt, wobei der Schweißzusatzstoff 5 wahlweise oberhalb oder unterhalb oder zwischen den beiden Folienrändern eingebettet werden kann.
Mit Hilfe der schematisch angedeuteten Schweißvorrichtung 1 besteht somit die Möglichkeit Folien 3 in einem kontinuierlichen Schweißprozess miteinander zu verbinden, wobei aufgrund des verwendeten elektromagnetischen Strahlungskopfes ein nur geringer Energieeintrag auf den Schweißzusatzstoff 5 beziehungsweise die Folien 3 erfolgt und sich eine relativ kleine Schmelze ausbildet, die nach kurzer Abkühlzeit erstarrt und eine qualitativ hochwertige Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit zwischen den Folien 3 gewährleistet. Damit die Folien 3 im erwärmten Zustand der Schmelzphase nicht auseinander gerissen werden, ist der weitere Niederhalter 10 vorgesehen, der die Folien 3 zumindest so lange fixiert, bis die Schmelze erstarrt ist. Alternativ können anstelle der gezeigten Niederhalter 9, 10 andere kufenförmige Vorrichtungen oder Rollen vorgesehen werden, die gegebenenfalls ebenfalls durch weitere unterhalb der Folie 3 angeordnete Gegenhalter unterstützt werden. Soweit Andruckrollen verwendet werden, kann darüber hinaus ein elektromotorischer Antrieb einzelner Andruckrollen erfolgen, sodass die Folien 3 gegebenenfalls zusammen mit dem Schweißzusatzstoff 5 kontinuierlich durch die Schweißvorrichtung 1 hindurch gezogen und miteinander verbunden werden.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 16, bestehend aus den bereits aus 1 bekannten U-förmig geformten Haltebügel 2, der über Halterungen 15 schwimmend gelagert ist, sodass eine seitliche Ausgleichsbewegung gegenüber dem Folienrand selbsttätig erfolgen kann. Auf den Einsatz eines Schweißzusatzstoffes wird bei dieser Schweißvorrichtung 16 verzichtet und stattdessen eine Strahlungsquelle 18, beispielsweise ein CO₂-Laser verwendet, der unmittelbar die zu verschweißende Folie 3 mit einer überlappenden Folie oder einem aufgelegten Folienband 19 verbindet. Durch den CO₂-Laser können ebenso die überlappenden Folienränder unmittelbar miteinander verbunden werden. Das Folienband 19 wird über eine Andruckrolle 17 auf die Folie 3 gedrückt, während gleichzeitig der CO₂-Laser die elektromagnetische Energieeinstrahlung in den sich ausbildenden Spalt zwischen Folie 3 und Folienstreifen 19 vornimmt. Durch die Andruckrolle 17 wird nach erfolgter Aufschmelzung ein Fügedruck erzeugt, der durch den kontinuierlichen Weitertransport im Folgenden durch einen Niederhalter 10 aufrechterhalten wird, bis die Schmelze erstarrt ist. Um einen ausreichenden Fügedruck zu erzeugen wird wie bei der Schweißvorrichtung gemäß 1 durch Federkraft der Federn 8, 11 ein Anpressdruck gegen den Gegenhalter in Form des unteren Schenkel 13 erzeugt.
3 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine mögliche Montage der Schweißvorrichtung 1, welche durch einen Würfel angedeutet ist, ohne auf die technischen Ausgestaltungen einzugehen. Die Schweißvorrichtung 1 kann entsprechend 1 aufgebaut und in einem Rahmenelement aufgenommen sein, welches über ein Seil 20 eine Höhenverstellung ermöglicht. Die Führungseinheit 21 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Hohlprofil 22, in dem Führungsrollen 23 horizontal bewegbar sind. Das Hohlprofil 22 weist einen Schlitz 24 auf, durch den hindurch eine Haltekonsole 25 mit den Führungsrollen 23 verbunden ist. Die Haltekonsole nimmt im Weiteren zwei Seilrollen 26, 27 auf, über die ein Seil 20 einerseits mit der Schweißvorrichtung 1 und andererseits mit einem angedeuteten Gegengewicht 28 verbunden ist. Die Führungsrollen 26, 27 können ebenfalls mit einem elektromotorischen Antrieb versehen sein, sodass beispielsweise die Schweißvorrichtung 1 vertikal verlagert werden kann.
Die Führungseinheit 21 ist wahlweise im gezeigten Ausführungsbeispiel an einem Gerüst 29 über Haltelaschen 30 befestigt oder kann unmittelbar an der Innenwand 31 befestigt werden, wobei zwischen der Behälterwandung 31 und der Führungseinheit 21 die zu verschweißenden Folien 3 angeordnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Folienbahnen horizontal, sodass eine horizontale Trennfuge 32 entsteht, die mittels einer Schweißnaht 33 zu einer Verbindung der benachbarten Folien 3 führt.

1: Schweißvorrichtung
2: Haltebügel
3: Folie
4: Andruckrolle
5: Schweißzusatzstoff
6: Schenkel
7: Strahlungsrohr
8: Feder
9: Niederhalter/Andruckscheibe
10: Niederhalter
11: Feder
12: Führung
13: Schenkel
14: Führungskanal
15: Halterung
16: Schweißvorrichtung
17: Andruckrolle
18: Strahlungsquelle
19: Folienband
20: Seil
21: Führungseinheit
22: Hohlprofil
23: Führungsrolle
24: Schlitz
25: Haltekonsole
26: Seilrolle
27: Seilrolle
28: Gegengewicht
29: Gerüst
30: Haltelasche
31: Innenwand/Behälterwandlung
32: Trennfuge
33: Schweißnaht

Claims

Schweißvorrichtung (1, 16), insbesondere zur Herstellung einer Schweißnaht für Folien (3), bestehend aus einer Folienführungseinrichtung mit zumindest einem Andruckelement (4, 9, 10, 17), welches unter- und/oder oberhalb der Folienränder angeordnet ist, wobei durch die Folienführungseinrichtung beide Folienränder erfasst und in einer zu verbindenden Position für die Dauer der Verschmelzung und der anschließenden Abkühlphase gehalten sind und wobei der Fügebereich durch einen elektromagnetischen Strahlungskopf beaufschlagbar ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienführungseinrichtung eine Verbindungszone und eine Nachbehandlungszone aufweist, in welcher eine gezielte thermische Nachbehandlung gegebenenfalls durch Kühlung, Isolierung oder Beheizung mit Temperaturüberwachung des Fügebereiches, erfolgt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese an einer Lineareinheit befestigt ist, welche entlang der Folienkanten ausgerichtet und horizontal und/oder vertikal verfahrbar ist und dass der Strahlungskopf mittig oder seitlich zur Schweißvorrichtung (1, 16) versetzt angeordnet ist und die Folienränder beaufschlagt.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskopf selbsttätig senkrecht zur Folienkante nachführbar ausgebildet ist, sodass eine seitliche Ausgleichsbewegung gegenüber der verfahrbaren Lineareinheit und Folienkante erfolgt.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskopf durch eine oberhalb angeordnete horizontale Führungseinheit (21) mit einem Führungsschlitten in Form einer Haltekonsole (25) in horizontaler Position verfahrbar ist und in vertikaler Position über einen Seilzug abgehängt ist, welcher elektromotorisch angetrieben den Strahlungskopf in vertikaler Richtung bewegt, wobei das dem Strahlungskopf gegenüberliegende Ende des Seilzuges mit einem Gegengewicht (28) beschwert ist oder dass der Strahlungskopf durch zwei Seilzüge bewegbar ausgebildet ist und durch Last- und Kraftsensoren und/oder Tastsensoren an den Folienrändern steuerbar ist.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskopf über eine mitlaufende Magnethalterung zusätzlich an der Behälterwandung (31) gehalten ist, wobei zwischen Magnethalterung und Auskleidungsfolie (3) eine weitere über zwei Rollen umlaufende Kunststofffolie angeordnet ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinheit (21) an einem Gerüst (29) oder einem Wand- oder Dachelement (31) befestigt ist.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahlungskopf ein Schweißzusatzstoff (5) kontinuierlich zuführbar ist, welcher auf- oder unterhalb der Folien (3) oder zwischen den Folien (3) zu liegen kommt.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung des Strahlungskopfes innerhalb einer geschlossenen Wandung oder über einen Lichtleiter dem Fügebereich zuführbar ist.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskopf oder der Strahl in einer Pendelbewegung schräg oder quer gegenüber dem Fügebereich hin- und her bewegbar ausgebildet ist.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlungsquelle ein Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser oder eine Infrarotlichtquelle, beispielsweise eine Xenon-Kurzbogenlampe, verwendbar ist oder dass ein CO₂-Laser verwendbar ist.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Folienführungseinrichtung manuell mit Geschwindigkeitskontrolle oder halb- oder vollautomatisch mit elektromotorischem Antrieb erfolgt.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nachbehandlungszone auf die Folienränder zusätzlicher Druck einwirkt.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Andruckelement (4, 9, 10, 17) aus einem Niederhalter (9, 17), vorzugsweise einer elektromagnetisch transparenten Andruckschreibe (4), besteht.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Niederhalter (9, 10) wenigstens ein Gegenhalter zugeordnet ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nieder- (9, 10, 17) und/oder Gegenhalter vorgesehen sind, von denen zumindest ein Nieder- (9, 10, 17) und/oder Gegenhalter zum Erfassen und Halten der noch nicht verbundenen Folienränder bis zu deren Verbindung einsetzbar ist und zumindest ein weiterer Nieder- (9, 10, 17) und/oder Gegenhalter den notwendigen Fügedruck erzeugt, bis die entstandene Schmelze erstarrt ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nieder- (9, 10, 17) und/oder Gegenhalter durch Andruckelemente in Richtung auf die zu verbindenden Folienränder vorgespannt sind, wobei die Andruckelemente den notwendigen Fügedruck erzeugen.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (9, 10, 17) oder Gegenhalter gleichzeitig als Mitnehmer ausgebildet sind, die eine begrenzte Bewegung in Richtung des Fügebereichs zusammen mit den Folien (3) vorsehen.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 14, 15, 16, oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Niederhalter (9, 10, 17) und/oder Gegenhalter als Andruckrolle (17) ausgebildet ist, welche elektromotorisch bewegbar den Transport der Folien (3) oder bei ortsfesten Folien (3) den Transport der Vorrichtung steuert.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zu verbindenden Folien (3) ein im Wellenlängenbereich von 300 bis 2500 nm, insbesondere 500 bis 1500 nm oder 800 bis 1000 nm, absorbierender Schweißzusatzstoff (5) verwendet wird, welcher als Fügeelement durch das entstehende Schweißvolumen die beiden Folien (3) miteinander verbindet.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement aus einer Durchstrahlschweißfolie von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,3 mm Dicke besteht.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchstrahlschweißfolie aus einem laser- oder infrarottransparenten Kunststoffmaterial mit absorbierenden Partikeln in einem bestimmten Wellenlängenbereich besteht.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzstoff (5) beziehungsweise die Durchstrahlschweißfolie als Aufheizfolie zur Verbindung laser- oder infrarottransparenter Folien (3) verwendbar ist.
Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzstoff (5) aus einem Trägermaterial mit einer zumindest partiell ausgeführten Beschichtung besteht, wobei das Trägermaterial im Wellenlängenbereich von 300 bis 2.500 Nanometer nicht absorbierend ausgebildet ist und die Beschichtung Licht im Wellenlängenbereich von 150 bis 2.500 Nanometer, vorzugsweise 500 bis 1.500 Nanometer, besonders bevorzugt von 800 bis 1.000 Nanometer absorbiert.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einer Fläche, Kante und/oder einem Teilumfang ausgebildet ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial des Schweißzusatzstoff (5) eine Dicke von 0,8 bis 5,0 mm aufweist, während die Beschichtung eine Schichtdicke von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 mm und besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,3 mm aufweist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Trägermaterials elektromagnetische Strahlung absorbierende, thermostabile Additive enthält, wobei die Additive aus organischen oder anorganischen Materialien mit einer Mindesttemperaturstabilität bestehen, wobei die Temperatur den Verarbeitungstemperaturen der verwendeten Kunststoffmaterialien entspricht und in Abhängigkeit des Wärmeeinwirkungsverfahrens, beispielsweise aus Farbmitteln in Form von Farbstoffen oder Farbpigmenten, wie Rußteilchen oder Glimmer mit Zinn-Antimonbeschichtung bestehen.