-
Elektrisch beheizter Schweißstempel zum Schweißen von Kunststoffen
Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizten Schweißstempel zum Schweißen von
Kunststoffen, und zwar insbesondere in Folienform.
-
Es ist bekannt, daß eine große Anzahl von Kunststoffen bei bestimmten
Temperaturen weich werden und dabei mit einem zweiten Stück Kunststoff unter Druck
eine feste Verbindung eingehen, die man als ein Verschweißen bezeichnen kann.
-
So einfach das Verschweißen punktförmiger oder kurzer Stellen ist,
so schwierig wird einVerschweißen dann, wenn es sich um längere Verbindungsstellen
handelt, gleichgültig, ob diese geradlinig oder in Kurvenform sind. Da der Temperaturbereich,
in dem der Schweißvorgang stattfindet, verhältnismäßig klein ist und da bei zu langem
Schweißen das zu verschweißende Material wegfließt, ist man dazu übergegangen, ähnlich
wie beim Schweißen von Eisen eine Impulsschweißung vorzunehmen. Während es bei Impulsschweißungen
von Metall nur darauf ankommt, in den Stromkreis des Schweißtransformators ein Zeitrelais
zu schalten, besteht bei der Impulsschweißung von Kunststoffen dadurch eine Schwierigkeit,
daß die Kunststoffe Isolatoren sind und daß infolgedessen kein Stromübergang an
der Schweißstelle stattfindet. Es ist also nötig, den Schweißimpuls so zu wählen,
daß die an dem Stempel entwickelte Wärme gerade ausreichend ist, die beiden Kunststoffteile
so weit zu erhitzen, daß ein Verschweißen stattfindet. Es erübrigt sich, darauf
hinzuweisen, daß selbstverständlich während des Schweißvorganges die beiden zu verschweißenden
Teile unter einem bestimmten Druck zusammengepreßt werden. Handelt es sich um Schweißstellen
von Millimeterlänge bis etwa 1 oder 2 cm, so treten keinerlei Schwierigkeiten auf.
Anders wird die Situation jedoch, wenn es sich darum handelt, lange, ausgedehnte
Schweißstellen zu erhalten, gleichgültig, ob diese Schweißstellen geradlinig oder
in Kurvenform verlaufen, beispielsweise in Kreisform. Die Zuführung an den beiden
Enden reicht dann keineswegs aus, und man wird die Beobachtung machen, daß bei einer
Schweißnaht von beispielsweise 50 cm Länge die Schweißung über diese Länge nicht
gleichmäßig ist, sondern Stellen mit einwandfreier Schweißung abwechseln mit Stellen
ungenügender Schweißung oder iiberhitzter Schweißung.
-
Nach der Erfindung wird dieser Mangel behoben, und zwar bei einem
elektrisch beheizten Schweißstempel zum Schweißen von Kunststoffen, auf dessen Unterseite
eine beim Schweißvorgang kurzzeitig an Spannung gelegte und damit die Wärme für
den Schweißvorgang erzeugende Heizfolie aus Metall vorgesehen ist, erfindungsgemäß
dadurch, daß zwecks Erzeugung ausgedehnter Schweißstellen die sich über eine große
Fläche, insbesondere eine große Länge, er-
streckende Heizfolie mit mehreren abwechselnd
nach der einen und anderen Seite abgehenden, in Parallelschaltung gespeisten Stromanschlüssen
versehen ist und daß die Stromanschlußleitungen, auf alle Fälle in unmittelbarer
Nähe der Anschlußstelle, einen solchen elektrischen Widerstand und damit eine solcheWärmeerzeugung
aufweisen, daß die durch sie hervorgerufene Erhitzung zusammen mit derjenigen, die
durch den durch die Vielzahl der Anschlußstellen hervorgerufenen Stromfluß durch
die Heizfolie erfolgt, eine gleichmäßige Erhitzung in dieser hervorruft.
-
Nehmen wir an, daß es sich um die Schweißung einer 50 cm langen Naht
handelt, so wird man außer den Zuleitungen an den Enden noch weitere Zuleitungen
anbringen, beispielsweise vier Zuleitungspaare, d. h. etwa alle 10 cm ein Paar.
Versetzt man jetzt diese Zu- bzw. Ableitungen, indem män die Zuleitungen abwechselnd
nach der einen und nach der anderen Seite abgehen läßt, wobei sich jeweils die Zuleitungen
auf der entgegengesetzten Seite der Folie in der Mitte der beiden gegenüberlieguden
Zuleitungen befindet, so erhält man zwischen jeweils zwei Zuleitungen nur eine Strecke
von 5 cm. Es sei ausdrücklich bemerkt, daß die vorstehend genannten Längen rein
willkürlich gewählt sind daß beispielsweise der Abstand an Stelle von 5 cm auch
10 cm oder mehr betragen kann. Die Wahl des richtigen Abstandes ist ausschließlich
eine Sache des individuellen Falles, d. h., der die Schweißelektrode entwerfende
Konstrukteur kann je nach den vorliegenden Verhältnissen die Lage der einzelnen
Zuleitungspunkte
festlegen. Wenn beispielsweise die vorstehend
genannten 50 cm nicht geradlinig sind, sondern einen Kreis mit einem Durchmesser
von etwa 16 cm bilden, so wird man, wie die Praxis zeigt, die Zuführungen enger
legen als bei einer geradlinigen Folie. Zweckmäßigerweise wird zu beiden Seiten
der Folie eine Sammelschiene großen Querschnittes angebracht, zu der die einzelnen
Zuleitungen, die einen verhältnismäßig geringen Querschnitt besitzen und damit eine
ausreichende Erhitzung an den Zuführungsstellen aufweisen, führen. Bei einer großen
Länge der Sammelschiene kann es zweckmäßig sein, auch diesen Sammelschienen mehr
als eine Stromzuführung zu geben. Handelt es sich beispielsweise um einen kreisförmigen
Stempel, für eine Kreisnaht von etwa 60 cm Durchmesser, so ist die Gesamtlänge der
Folie 188,50 cm. Die beiden Stromschienen haben also je eine Länge von nahezu 2
m. Man wird daher diesen Stromschienen nicht nur an einer Stelle den Strom zuführen,
sondern an mehreren, beispielsweise zwei oder vier Stellen. Eine so konstruierte
Elektrode verhält sich tatsächlich wie eineGlühlampe. Der Schweißvorgang kann nun
in der Weise stattfinden, daß zunächst die beiden zu verschweißenden Folien auf
eine Unterlage aufgebracht werden, worauf man den Schweißstempel auf die beiden
Folien und Unterlage aufdrückt. Unter Druck wird jetzt der Strom eingeschaltet,
wobei die Dauer des Impulses von den jeweils ligen Verhältnissen abhängt. Es ist
selbstverständlich, daß man zum Verschweißen millimeterstarker Stücke wesentlich
größere Wärmemengen, also eine größere Impulsdauer, benötigt, als bei dem Verschweißen
hauchdünner Folien. Nach erfolgter Schweißung schaltet sich der Strom zweckmäßigerweise
automatisch ab.
-
Der Schweißstempel verbleibt nach erfolgter Schweißung noch eine
kurze Zeit unter Druck auf den Folien. In dieser Zeitspanne kühlt sich die Metallfolie
des Schweißstempels ab, und auch die zusammengeschweißten Folien kühlen sich so
weit ab, daß der Kunststoff wieder eine ausreichende Festigkeit bekommt. Es ist
auch hier selbstverständlich, daß diese »Abkühlzeit« eine Funktion der Folienstärke
usw. ist.
-
Am Rande sei bemerkt, daß es bei manchen Kunststoffen vorteilhafter
sein kann, die Schweißstempel mit der Metallfolie nicht unmittelbar auf die zu verschweißenden
Kunststoffstücke aufzusetzen, sondern eine Zwischenlage aufzulegen. Als Material
für diese Zwischenlage kann Papier, Textilgewebe, gegebenenfalls auch ein Kunststoff
dienen, dessen Erweichungstemperatur erheblich über der Schweißtemperatur liegen
muß. Es ist auch zweckmäßig, diese Unterlage mit Silikonen zu imprägnieren. Diese
Zwischenlage zwischen Schweißstempel und zu verschweißender Folie dient einmal dazu,
um eine möglichst gleichmäßige Schweißstelle zu bekommen und weiter, um zu verhindern,
daß die verschweißten Kunststoffe eine scharfe Prägkante erhalten, durch welche
die Festigkeit der Schweißstelle ungünstig beeinflußt würde.
-
Eine einwandfreie Schweißnaht ist dann vorhanden, wenn die Stromanschlußstellen
an der Schweißstelle nach erfolgter Schweißung nicht erkennbar sind.
-
An Hand der Figuren und der nachfolgenden Beschreibung sollen noch
weitere Einzelheiten der Erfindung an einigen Beispielen näher erläutert werden.
Es zeigt Fig. 1 eine gestreckte metallische Heizfolie, Fig. 2 eine Folie für einen
kreisförmigen Schweißstempel; Fig. 3 ist ein Schnitt nach II-I der Fig. 2;
Fig. 4
zeigt schematisch eine Heizfolie mit den beiden Stromschienen; Fig. 5 a und 5b zeigen
eine Form einer Heizfolie eines Schweißstempels, wie er zur Herstellung von Flüssigkeitsbehältern
aus Kunststoffen Verwendung findet, und Fig. 6 zeigt die Verbindungsstelle zweier
bandförmiger Heizfolienabschnitte.
-
Es gelten für alle Figuren für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
-
In der Fig. 1 hat die metallische Folie 1 auf jeder Seite vier Zuleitungen
2 bzw. 3 mit verhältnismäßig geringem Querschnitt. Die Zuleitungen 3 sind gegenüber
den Zuleitungen 2 versetzt, so daß sich eine Zuleitung 3 jeweils in der Mitte zwischen
zwei Zuleitungen 2 befindet. Die Zuleitungen 2 einerseits und die Zuleitungen 3
andererseits stehen mit nicht dargestellten Sammelschienen in leitender Verbindung,
wobei dann diesen Sammelschienen der Strom durch einen Transformator od. dgl. zugeführt
wird.
-
Bei dem Beispiel nach den Fig. 2 und 3 handelt es sich um eine Metallfolie
für einen Kreisstempel. Man erkennt hier, daß die Metallfolie nicht anderes ist
als eine entsprechend verlängerte Folie nach Fig. 1, die zu einem Kreis gebogen
ist. Dieser Kreis ist ein fortlaufender Leiter, dem sowohl von der Innenseite als
auch von der Außenseite durch die Zuführungen 2 bzw. 3 Strom zugeführt wird. Man
erkennt auch hier, daß die Zuleitungen 3 in der Mitte zwischen je zwei Zuleitungen
2 sitzen.
-
Der Schnitt nach Linie II-II der Fig. 2 läßt in Fig. 3 die Anordnung
der Metallfolie und der beiden Stromschienen, sowie die Art der Führung der schmalen
und damit ihre Anschlußstellen an die Folie genügend erhitzenden Zuleitungen 2 und
3 erkennen. Der eigentliche Schweißstempel besteht aus einem Ring 4 aus Isoliermaterial,
beispielsweise aus Hartgewebe. Auf der Stirnseite des Ringes 4 liegt beispielsweise
in der Figur nicht dargestellt in einer flachen Nut dieMetallfolie 1. Beiderseits
des Ringes 4 verläuft eine ebenfalls ringförmige innere Stromschiene 5 und eine
äußere Stromschiene 6. Die Befestigung dieser Stromschienen kann durch Schrauben
7 erfolgen. Wie man erkennt, sind die Zuleitungen 2 bzw. 3 an den Stellen 8 und
9 umgebogen und zwischen Isolierring 4 und Stromschiene 6 bzw. 5 geklemmt. Selbstverständlich
ist die in der Fig. 3 dargestellte Verbindung von Metallfoliei und den Stromschienen5
und 6 nur eine der vielen möglichen Ausfühiüffgsformen. Die Stromzuführungen 2 bzw.
3 brauchen durchaus nicht zwischen Ring4 und Schiene 5 bzw. 6 eingeklemmt zu sein,
sondern können beispielsweise schräg nach oben an die Schienen bzw. 6 herangeführt
sein, wobei es zweckmäßig ist, in den Ring 4 Nuten einzufeilen, in welchen dann
die Zuleitungen nach oben zu den Strom schienen 5, 6 verlaufen können. Wichtig ist
es, bei der Verlegung der Zuleitungen 2 bzw. 3 darauf zu achten, daß die Folie 1
an den Stellen, wo die Zuleitung 2, 3 abgeht, nicht durch ungenügendes Abbiegen
eine Verbreiterung erfährt. Bei einer richtig verlegten und in ihrem Widerstand
abgeglichenen Zuführungsleitung kann man an der Schweißnaht nicht erkennen, wo die
Stromzuführungen 2 bzw. 3 abgehen.
-
Die in der Fig. 4 schematisch dargestellte Anordnung eines Schweißstempels
in rechteckiger Form zeigt bei 1 die geschlossene Metallfolie mit ihren nach außen
gehenden Zuleitungen 3 bzw. 3 a. Diese Zuleitungen sind mit der Sammelschiene6 verbunden,
während die nach innen gehenden Zuleitungen 2 zu der inneren Sammelschiene 5 führen.
Es empfiehlt sich bei
Folien, die an irgendeiner Stelle eine scharfe
Richtungsänderung aufweisen, an diese Stelle eine Zuführung zu legen, wie dies aus
der Fig. 4 ersichtlich ist.
-
Die Fig. 5 a zeigt eine Folie, bei der der Querschnitt der Folie
nicht überall gleich ist, sondern Flächen wesentlich vergrößerten Durchmessers vorhanden
sind.
-
Beispielsweise, während die beiden Schenkel 10 der Folie gleichen
Querschnitt aufweisen, befindet sich in dem oberen Teil ein Gebiet 11 mit vergrößertem
Querschnitt. Wenn normalerweise der Anfang 12 bzw. 13 der beiden Schenkel 10 durch
die Zuleitungen 14 bzw.
-
15 zu der Sammelschiene 5 geht, ist das obere Ende 16 der Folie nur
durch die Zuleitung 17 mit der Sammelschiene 6 verbunden. Es leuchtet ein, daß das
mit Schraffur bezeichnete vergrößerte Gebiet 11 nicht in genügendem Maße beheizt
werden kann. Erfindungsgemäß ist daher eine besondere Zuführung 18 vorgesehen, die
bei 19 in das Gebiet 11 hineinführt. Hierdurch erreicht man, daß auch dieses Gebiet
11 eine genügende Aufheizung bekommt. Es ist selbstverständlich, daß die Zuführung
17 zu der Sammelschiene 6 entsprechend kräftig bemessen werden muß, da ja der Stromfluß
hier infolge der drei Zuleitungen 14, 15 und 18 größer sein wird. In Fällen, wo
eine einfache Zuführung 18 nicht mehr ausreicht, ist es möglich, den Querschnitt
kurz vor der Einmündungsstelle 19 soweit zu verringern, daß dieses Ende verminderten
Querschnittes als eine Art Heizwiderstand wirkt. Die Beheizung der Folie innerhalb
des vergrößerten Gebietes 11 ist also eine Kombination von direkter und indirekter
Heizung. Man kann natürlich auch noch einen Schritt weitergehen und, wie dies in
der Fig. 5b gezeigt ist, das letzte Stück kurz vor der Einmündung bei 19 als Heizwiderstand
ausbilden. Wenn im vorstehenden die Zuführungen 14, 15 und 17 als besondere Zuführungen
zu der Sammelschiene5 bzw. 6 dargestellt sind, so wird damit natürlich nicht ausgeschlossen,
daß man dieHeizfolie sowohl an dem oberen Ende als auch an den beiden unteren Enden
gleich breit läßt, so daß dann, mit anderen Worten gesagt, die Zuführungen 14, 15
und 17 nichts anderes sind als Verlängerungen des Folienheizbandes an seinen Enden.
-
Die im vorstehenden zu Fig. 5 a und 5b gemachten Ausführungen gelten
analog für sämtliche Heizfolien, bei denen nicht ein gleichbleibender Querschnitt
vorhanden ist, sondern Stellen vergrößerten Querschnitts mit Stellen geringeren
Querschnitts abwechseln. Man wird zu diesen Stellen vergrößerten Querschnitts so
viele zusätzliche Stromzuführungen hinleiten, wie notwendig sind, um eine homogene
Temperaturverteilung zu erhalten.
-
Da für die Schweißung immerhin nicht unerhebliche Temperaturen notwendig
sind, die bei den normalen Kunststoffen bis 2000 C liegen, so besteht bei Folien
größerer Längenausdehnung die Gefahr, daß die Folie sich wirft. Um derartige Rillungen
der Folie zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, die Heizfolie mechanisch in einzelne
Abschnitte oder Sektoren zu unterteilen, so daß die Wärmeausdehnung nicht mehr die
schädlichen Wirkungen hervorrufen kann. Wenn im vorstehenden ausdrücklich davon
gesprochen wird, daß die Metallfolie mechanisch unterteilt werden soll, so soll
damit zum Ausdruck gebracht werden, daß die Folie jedoch nach wie vor elektrisch
eine Einheit bildet. An Hand der Fig. 6 sei dies erläutert: Die beiden Folienenden
la und lb sind, wie man bei 20 erkennt, übereinandergelegt, wobei an der tberlappungsstelle
jede Folie nur halbe Dicke aufweist, so daß also die beiden übereinanderliegenden
Stücke 21
und 22 zusammen die gleiche Dicke haben, wie die Folielabzw. lb. Es ist
auch zweckmäßig, an die Enden der beiden sich überlappenden Folien je eine Zuleitung
2 ci bzw. 2 b zu legen, wobei dann die beiden Zuleitungen 2 ci und 2 b zusammen
gleichen Querschnitt haben wie eine normale Zuleitung. Die in der Fig. 6 dargestellten
Trennstellen bedeuten tatsächlich nur eine mechanische, nicht aber eine elektrische
Trennung, so daß sich die Folie zwar bei Wärmung ausdehnen kann, jedoch keine Beeinträchtigung
der Heizwirkung auftritt.
-
Es sei bemerkt, daß selbstverständlich eine Trennstelle, wie sie
in einem der möglichen Beispiele in Fig. 6 dargestellt ist, sowohl bei geradlinigen
Schweißstempeln als auch bei gebogenen oder geschlossenen Stempeln Anwendung finden
kann.
-
PATENTANSPOCHE: 1. Elektrisch beheizter Schweißstempel zum Schweißen
von Kunststoffen, auf dessen Unterseite eine beim Schweißvorgang kurzzeitig an Spannung
gelegte und damit die Wärme für den Schweißvorgang erzeugende Heizfolie aus Metall
vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzeugung ausgedehnter Schweißstellen
die sich über eine große Fläche, insbesondere eine große Länge, erstreckende Heizfolie
(1) mit mehreren abwechselnd nach der einen und anderen Seite abgehenden, in Parallelschaltung
gespeisten Stromschlüssen versehen ist und daß die Stromanschlußleitungen (2,3),
auf alle Fälle in unmittelbarer Nähe der Anschlußstelle, einen solchen elektrischenWiderstand
und damit eine solcheWärmeerzeugung aufweisen, daß die durch sie hervorgerufene
Erhitzung zusammen mit derjenigen, die durch den durch die Vielzahl der Anschlußstellen
hervorgerufenen Stromfluß durch die Heizfolie (1) erfolgt, eine gleichmäßige Erhitzung
in dieser hervorruft.