DE1704322B2 - Vorrichtung zum verschweissen von thermoplastischen kunststoffen - Google Patents

Vorrichtung zum verschweissen von thermoplastischen kunststoffen

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DE1704322B2 DE19681704322 DE1704322A DE1704322B2 DE 1704322 B2 DE1704322 B2 DE 1704322B2 DE 19681704322 DE19681704322 DE 19681704322 DE 1704322 A DE1704322 A DE 1704322A DE 1704322 B2 DE1704322 B2 DE 1704322B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit einem durch elektrische Widerstandserhitzung beheizien Schweißwerkzeug in Balken-, Rollen- oder Sdieibenform.
Beim Verschweißen von thermoplastischen Kunst-■■;<Mleii hi'.ngt die erreichbare Festigkeit der Schweißvon der Einhaltung der dem jeweiligen Material eigenen Verarbeitungstemperatur ab, die sich meist nur über einen sehr engen Temperaturbereich erstreckt. Liegt die Schweißtemperatur zu niedrig, so kommt es zu einer schlechten Schweißstelle. Ist die Schweißtemperatur zu hoch, so können nicht reversible Strukturänderungen im Material auftreten, die sich nachteilig auf Elastizität und Festigkeit auswirken. Bei extrem hoher Überschreitung der Temperatur ist u. U. auch mit Brandgefahr zu
ίο rechnen.
Der Temperaturbereich, in dem zufriedenstellende E'gebnisse erzielt werden, schwankt erfahrungsgemäß um etwa ±5°/o um die eigentliche Verarbeitungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffes.
Zum Verschweißen von Körpern aus organischen Kunststoffen, wie z. B. Folien, dünnen Platten und Rohren oder Stäben, sind Schweißgeräte hinreichend bekannt. Diese Schweißgerät weisen wenigstens einen fremdbeheizlen Körper auf. der an den Kunststoff gerade so viel Wärme abgibt, daß eine Verschweißung erfolgt. Für die Einhaltung einer genauen Verarbeitungstemperatur weisen die bekannten Schweißgeräte entweder präzise arbeitende Bimetallregler oder aufwendige elektronische Regler auf.
Wegen der hohen Kosten ist einer weiten Verbreitung dieser bekannten Geräte eine Grenze gesetzt. Darüber hinaus ist bei den bekannten Schweißgeräten eine Überhitzung der fremdbeheizten Körper rieht mit hinreichender Sicherheit ausgeschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel anzugeben, die eine Überhitzung des Schweißelemenls ausschließen und die darüber hinaus eine erhöhte Sicherheit der Arbeitsweise gewährleisten und zusätzlich zu einer wesentlichen Vereinfachung der gesamten Apparatur und damit zur lenkung der Kosten des Schweißgerätes führen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadureh gelöst, daß das Schweißwerkzeug aus einem durch seinen eigenen elektrischen Widerstand erhitzbaren keramischen Halbleiter aus dotiertem ferroelektrischen Perowskimaterial gebildet ist, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich der Curictemperatur stark zunimmt.
Keramische Kaltleiter der angegebenen Art sind an F;ch bekannt. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist aber nicht nahegelegt, da es sich bei keramischen Kaltleitern und Kunststoff-Schweißmaschiso nen um zwei völlig verschiedene Sachgebiete handelt. Dies geht schon daraus hervor, daß keramische Kaltleiter bereits seit dem 4. 11. 1954 aus den ausgelegten Unterlagen, die später zum deutschen Patent 929 350 geführt haben, bekannt waren. Obgleich seit diesem Bekanntwerden sehr viele Anwendungen für keramische Kaltleiter bekannt wurden (vgl. z.B. die schweizerische Patentschrift 375 068, in der die Verwendung eines keramischen Kaltleiters als Heizelement beschrieben ist) und außerdem eine lange Zeitspanne seit dem Bekanntwerden der keramischen Kaltleiter verstrichen ist. haben diese jedoch keinen Eingang auf dem Gebiet der Kunststoffschweißmaschinen gefunden.
Keramische Kaltleiter zeichnen sich dadureh aus.
daß etwa von der Curietemperatur (7",.) ab eine starke Zunahme des Widerstandswertes bei Temperaturerhöhung eintritt. Im Bereich dieser starken Temperaturerhöhung lassen sich bestimmte, gewünschte
Teniperaturwerte sehr genau einhalten, weil eme relativ große Widerstandszunahme, z. B. um eine Zehnerpotenz. schon bei geringer Temperaturerhöhung eintritt. Umgekehrt bewirkt eine geringe Temperaturverringerung in diesem Widerstandsansiiegs-Temperaturbereich eine starke Verminderung des Widerstandswertes. Durch Änderung der angelegten Spannung ist es somit möglich, auf dem steilen Ast der Widerstands-Temperatur-Kurve dem keramischen Kaltleiter eine Temperatur zu verleihen, die nur in sehr engen Grenzen schwankt.
In F i g. 1 ist eine solche Widerslands-Temperatur-Kurve dargestellt. Auf der Abszisse ist die Temperatur in Grad Celsius eingetragen, während auf der Ordinate im logarithmischen Maßstab der spezifische Widerstand in Ω cm angegeben ist. Die Punkte T1 und T., weichen voneinander nur etwa um S C ab. ■.ier Widerstandstert ändert sich aber in diesem Be-■eicb von 200 auf 2000 <> cm.
Die in Fig. 1 angegebene Kurve gilt für einen
Kaltleiter, der eine Curietemperatur T1 von etwa i40 C hat. Fs ist bekannt, daß mit gitterfremden .-.tolTen doliertes Bariumtitanai eine Curietemperatur •on etwa 120 C hat. Durch Anteile von Blei. Blei- !itanat und Blei/irkonat kann d;e Curictemperatur : u höheren Werten verschoben werden, so daß auch Ciirielemperaturen bis 250 C und darüber möglich ind. Durch Zusätze von Strontium oder Calcium •der deren Titanate oder Stammte bzw. Zirkonate .aim die Curietemperatur zu tieferen Temperaturen erlegt werden.
Fernerhin ist es bekannt, daß die Steilheit der 'Viderslands-Temperatur-Kurve im Anstiegsbereich teiler oder flacher verlaufen kann. Der Temperaturbereich des Widerstandsanstiegs vom niedrigsten bis /um höchsten Widerstandswert (Äniicrunn um 4 bis 7 Zehiierpotenzen) beträgt bei sehr steilem Anstieg M) und bei weniger steilem Anstieg bis zu K)0'; C. Fs ist deshalb möglich je nach angelegter Spannung bei einem Ka'tleitcrtyp verschiedene Schweißtemperaturen auszunutzen. Beispielsweise würde zwischen 200 uiid 2001; Ω cm die Arbeitstemperatur zwischen 143 und 151°C liegen (Punkte T1 und T.I). Bei Widerstandswerten zwischen 8000 und etwa 10 500 Ω cm würde die Arbeitstemperatur zwischen 164 und 168 C liegen (Punkte T., und T4). Ähnliche Temperaturbereiche können mit anderen Kaltleitertypen erzielt werden.
Aus dem Diagramm der F i g. 2 geht hervor, daß ein weiterer Vorteil darin besteht, daß die Wiirmeentnahme für den Schweißvorgang relativ große Werte annehmen kann, bis die Temperatur unzulässig stark absinkt. Eine Wärmeentnahme von etwa 26 W ereibt einen Tempcraturrückuane von nur etwa 6 C.
In Fi g. 2 ist auf der Abszisse die Temperatur eingetragen, während auf der Ordinate die Leistung Λ' des Kaltleiters angegeben ist. Die dargestellte Kurve gilt für eine Betriebsspannung von 24 V. Eine Wärmeentnahme von 25.9 W zwischen den Punkten T., und T4 zeigt, daß die TemperaturdifTerenz nur etwa 6C C beträgt.
Besonders vorteilhaft ist es. wenn der keramische Kaltleiter als mit einer Drehachse versehene Scheibe ausgebildet ist. au! deren Stirnflächen gegenpolige Elektrodcnbclegungen angebracht sind.
Tr. Fig. 3 ist eine Vorrichtung mit solchen keramischen Kaltleiter!! im Prinzip gezeigt. Zwei Kaltleiterscheiben 1 und 2 sind so angeordnet, daß sie sich mit ihren äußeren Umfanysflächen nahezu berühren. Die Drehachsen 3 und 4 werden von einem Antriebsmotor einander entgegengesetzt angetrieben. Die Kaltleiterscheiben 1 und 2 sind an ihren Stirnflächen mit Elektrodenbelegungen 5 und 6 bzw. 7 und 8 versehen. Die Stromzuführung zu diesen Elektroden erfolgt durch Schleifkontakte 9 und 10 bzw. 11 und 12. Die obere Kaltleiterscheibe 1 im. wie der
ίο Pfeil A zeigt, nach oben und nach unten bewegbar gelagert, damit die zu verschweißenden Teile eingeführt werden können und der Schweißvorgang auch unterbrochen werden kann. Der Körper aus thermoplastischem Kunststoff ist im gezeigten Bei-
spiel das Ende eines Schlauches 13. der verschlossen werden soll.
k'.ne andere bevorzugte Ausführungsform isl in Fiy.4 dargestellt. Die als .,ärmeüefernde Elemente dienenden keramischen Kaltleiter sind ak langgestreckte Quader 14. 15 ausgebildet und an den großen Seitenflächen mit gegenpoligen Belegungen 16 und 17 bzw. 18 und 19 versehen. Die lange f.chmalseite der Quader 14. 15 dient zur Wärmeübertragung und hat etwa die Länge der Verbindungsstelle zwischen den Kunststoffgegenstände!!. An den Elektrodenbelegungen sind Stromzuführungen 20 und 21 bzw. 22 und 23 befestigt, z. B. angelötet. Entweder beide keramischen Kaltleiter 14. 15 oder nur einer davon ist senkrecht bewegbar angeordnet.
Hierfür dienen die Führungsstäbe 24 in den Lagerund Antriebsteilen 25. Die beiden miteinander /u verschweißenden Kunststoffolien 26 und 27 sind in der Zeichnung nur ausschnittweise dargestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform für eine Vorrichtung für die erfindungsgeniäße Anwendung ist in F i g. 5 gezeigt.
Der keramische Kallleiterkörper 29 ist an seinen gegenüberliegenden Flächen mit Elektrodenbelegungen 30 und 31 versehen. Diese Elektrodenbelegungen
4" können, wie auch bei den ander>:n Beispielen, entweder direkt mit dem keramischen Kaltleiterkörper durch an sich bekanntes Einbrennen einer Metallsuspension verbunden sein: es können aber auch Metallblechplatten an den keramischen Kaltleiterkörpern angepreßt werden.
An den Elektrodenbelegungen 30 und 31 sind Stromzuführungen 32 und 33 befestigt. /. B. angelötet. Der so ausgestattete Kaltleiterkörper ist zwischen i'wei Halteklemmen 34 und 35 angeordnet, die /um Halt von aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Rohre;) oder Stäben 36. 37 und /u deren Verschiebung in Richtung der Ffeile B und C dienen. Wenn die miteinander /u verschweißenden Stirnflächen 38 und 39 der beiden Kunststoffteile 36 und 37 durch den stromdurchflossenen und entsprechend erwärmten Kaltleiterkörper 29 so weit erhitzt sind. daß eine Verschweißung möglich isi. wird der KaItleiterkörpcr 29 schnell aus seiner Lage herausgehoben — er ist in Richtung des Pfeiles I) bewegbar angeordnet —. und die Halteklemmen 34 und 35 führen die beiden Rohrteile 36 und 37 schnell zusammen. Bei Anwendung eines entsprechenden Druckes erfolgt der Schweißvorgang.
Damit die zu verschweißenden Kunststoffteile nicht am Kaltlciterkürper festkleben, wird empfohlen, die Wärme übertragenden Berührungsflächen mit einer Schicht aus Polytctrafluoräthvlen zu versehen.
Durch die crfindüngsgemüHe Vorrichtung können
beispielsweise Folien oder Verbundfolien aus Polyäthylen, weichem Polyvinylchlorid, Polyamid-Polyäthylen, Zellglas-Polyäthylen und auch Körper aus diesen thermoplastischen Kunststoffen in Stab- oder
Rohrform geschweißt werden. Die Trennkraft bei 5 stelle.
Folien, die Zugkraft bei Rohren und das Dreli moment bei rohrförmigen Körpern liegen in de Größenordnung von etwa 3 daN bzw. 177daN bzv 80 bis 85 daN ■ cm, gemessen jeweils an der SchweiC
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit einem durch elektrische Widerstandserhitzung beheizten Schweißwerkzeug in Balken-, Rollen- oder Scheibenform, dadureh gekennzeichnet, daß das Schweißwerkzeug aus einem durch seinen eigenen elektrischen Widerstand erhitzbaren, keramischen Kaltleiter aus dotiertem ferroelektrischen Perowskitmaterial gebildet ist, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich der Curietemperatur stark zunimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadureh gekennzeichnet, daß der keramische Kaltleiter als mit einer Drehachse (3, 4) versehene Scheibe (1, 2) ausgebildet ist, auf deren Stirnflächen gegenpolige Elektrodenbelegungen (5. 6, 7. 8) angebracht sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadureh gekennzeichnet, daß der ker; mische Kaltleiter als langgestreckter Quader (14, 15) ausgebildet ist, auf dessen großen Seitenflächen gegenpolige Elektrodenbelcgungen(16, 17, 18, 19) angebracht sind und dessen eine lange Schmalseite zur Wärmeübertragung dient und etwa die Länge der Verbindungsstelle zwischen den Kunststoffgegenständen hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadureh gekennzeichnet, daß zwei keramische Kaltleiterscheiben (1. 2) mit ihren äußeren Umfangsflächen einander nahezu berührend angeordnet und gegenläufig drehbar befestigt sind, daß jede Kaltleitersclieibe (1, 2) an ihren Elektrodenbelegungen (5, 6, 7. 8) mit je einem Schleifkontakt (9, 10, 11, 12) als Stromzuführung versehen ist und daß an sich bekannte Mittel zum Hindurchführen wenigstens zwei miteinander zu verbindender Kunststoffolien vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadureh gekennzeichnet, daß zwei langgestreckte keramische Kaltleiter (14, 15) mit ihren schmalen Längsseiten einander nahezu berührend und gegeneinander bewegbar angeordnet sind und daß Stromzuführungen (20, 21. 22. 23) für die Elektrodenbelegungcn (16. 17, 18. 19) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der sorhergehenden Ansprüche, dadureh gekennzeichnet, dato ein an gegenüberliegenden Flächen mit Elektrodenbcletiungen (30, 31) und Stromzuführungen (32, 33) versehener keramischer KaItleilerkörper (29) schwenkbar zwischen zwei Halleklemmen (34. 35) angeordnet ist. die in Richtung auf den Kaltleiterkörper (29) bewegbar sind und zum Hai) von stab- oder rohrförmigen KunstslolTkörpern [id. 37) dienen.
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