DE19815763C2 - Verfahren zum thermischen Verschweißen von Folien und Werkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum thermischen Verschweißen von Folien und Werkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum ther­ mischen Verschweißen von Folien. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Werkzeug zur Durchführung dieses Ver­ fahrens.
Unter dem thermischen Verschweißen von Folien ist nachfol­ gend das Warmpressen von Folien, insbesondere Kunststofffo­ lien zu verstehen. Bearbeitungsvorgänge, bei denen als ein Verfahrensschritt das Warmpressen vorgesehen ist, sind ins­ besondere das Fügen/Verbinden (z. B. Schweißen, Laminieren, Siegeln), das Trennen (z. B. Schneiden, Trennschweißen, Schmelzen) und das Umformen (z. B. Prägen, Ziehen, Kerben).
Das Wärmeimpulsschweißen ist aus der Folienschweißtechnik bekannt. Dazu wird ein Werkzeug mit einer Heizeinrichtung eingesetzt, die im wesentlichen einen Schienenkörper mit einem darauf befestigten Heizband umfasst. Zwischen dem Schienenkörper und dem Heizband ist eine thermische Isola­ tion vorgesehen. Die Heizeinrichtung wird fest auf die zu verschweißenden Folien gedrückt, worauf das Heizband über einen Impulsgeber mit einem Stromimpuls beaufschlagt und aufgeheizt wird. Dadurch werden die Folien erwärmt und mit­ einander verschweißt.
Die für das Warmpressen erforderlichen Temperaturen im Er­ weichungs- und/oder Schmelzbereich der Folie führen unter Einwirkung des Arbeitsdruckes dazu, dass die Folie auf der Oberfläche der Heizeinrichtung haftet bzw. anklebt. Dieser physikalisch bedingte Effekt hat zur Folge, dass es beim Öffnen des Werkzeugs zu einer plastischen Deformation der Folie und damit zum Produktausschuss kommt. Ferner können anklebende Folienstückchen zur Verschmutzung des Werkzeugs und damit zum Ausfall der ganzen Maschine führen. Dieser Effekt ist daher höchst unerwünscht und muss vermieden wer­ den.
Aus der Folienschweißtechnik ist ein die Oberfläche des Werkzeugs bzw. der Heizeinrichtung abdeckender, wärmebe­ ständiger Antihaftbelag bekannt, der das Anhaften der Folie an der Heizeinrichtung verhindert. Eine solche typische An­ ordnung weist jedoch einige Nachteile prinzipieller Art auf. Derartige Antihaftbeläge bestehen im allgemeinen aus Teflon oder einem teflonhaltigen Werkstoff, z. B. Teflon- Glasgewebe. Diese Werkstoffe, insbesondere Teflon- Glasgewebe, unterliegen einem sehr starken, thermisch und mechanisch bedingten Verschleiß. Die Standzeit derartiger Beläge bei durchgehendem Schichtbetrieb liegt typischerwei­ se im Bereich einiger Tage bis Wochen; im Einzelfall be­ trägt sie nur wenige Stunden. Die Beläge müssen deshalb im­ mer wieder, zum Teil in sehr kurzen Abständen erneuert wer­ den. Dazu ist es jedoch erforderlich, die Maschinen bzw. Anlagen abzuschalten, so dass es häufig zu einer Produkti­ onsunterbrechung kommt. Außerdem weisen derartige Beläge, vor allem PTFE-Glasgewebe, eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit auf, so dass insbesondere bei Wärmeimpulsver­ fahren die thermische Dynamik stark verringert wird. Mit anderen Worten, die beim Wärmeimpulsschweißen erwünschten schnellen Aufheiz- und Abkühlraten der Heizeinrichtung, die scharf voneinander abgesetzte Wärmeimpulse bilden und eine hohe Maschinentaktzahl im Dauerbetrieb erlauben, sind nur eingeschränkt zu realisieren. Hohe Maschinentaktzahlen, z. B. mehr als 120 Takte/min, werden somit erschwert oder gar unmöglich.
Aus der DE 17 04 147 A ist ein Verfahren zum thermischen Be­ arbeiten von Folien bekannt, bei dem die Folie nach der Be­ arbeitung auf eine unterhalb ihrer Erweichungstemperatur liegende Temperatur abgekühlt wird, und anschließend das Werkzeug geöffnet wird. Das Verfahren dient zur Herstellung von Nahtverbindungen zwischen mehreren aus thermoplasti­ schen Materialien bestehenden Kunststofffolien. Das einge­ setzte Wärmeimpuls-Schweißprinzip ist derart realisiert, dass die Wärmezufuhr von deckungsgleich ausgebildeten, im­ pulsbeheizten Heizbändern von beiden Seiten der Naht aus unter gleichzeitiger Druckausübung erfolgt, und die Nahtzo­ ne anschließend unter Druck abgekühlt wird.
Aus der DE 23 45 476 A1 ist ein Verfahren zum Impulsschwei­ ßen von Doppelquernähten an mit Flüssigkeit gefüllten Schläuchen bekannt, bei welchem ein Schweißband bereits vor Eintreten der Berührung mit der Schweißstelle durch einen Stromimpuls erhitzt wird, der durch ein thermisch geregel­ tes Schweißgerät eingestellt wird. Hierbei ist es vorgese­ hen, dass bei Berührung des Schweißbandes mit der Schweiß­ stelle der Impulsstrom abgeklungen ist, und wieder ein­ setzt, bevor sich die Schweißbacken von der Schweißstelle an dem Packstockschlauch entfernen. Mittels dieses Verfah­ rens kann ein Ankleben der Folien an den Schweißbänder verhindert werden.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, ein Verfahren und ein Werkzeug der o. g. Art bereitzustellen, welches eine schnelle Ablösung der ther­ misch bearbeiteten Folie von der Werkzeugoberfläche bei ho­ hen Standzeiten ermöglicht und gleichzeitig hohe Maschinen­ taktzahlen und Standzeiten erlaubt.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in einem Werkzeug mit den Merkmalen des An­ spruchs 4.
Mit dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, dass die Oberfläche der Folie kurzzeitig ein zweites Mal erwärmt wird, so dass sie sich ohne Deformation oder Beschädigung der Schweißnaht von der Oberfläche der Heizeinrichtung löst. Dabei ist die Folie zunächst durch eine bestimmte Haftkraft mit der Oberfläche der Heizein­ richtung verbunden, die beim Öffnen des Werkzeugs eine Querkraft erzeugt, welche jedoch viel geringer als die Haftkraft ist. Wird unmittelbar nach Erreichen dieses Zu­ standes ein zweiter Wärmestrom eingeleitet, verringert sich die Haftkraft ihrem Betrag nach so, dass sie schließlich geringer als die Querkraft wird. Von diesem Moment an wird die Folie von der Oberfläche der Heizeinrichtung abgelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierbei vor, dass zur Unterstützung des Ablösens der Folien während der Beauf­ schlagung mit dem zusätzlichen Wärmeimpuls eine zusätzliche mechanische Beeinflussung erfolgt, mit der die Querkraft verstärkt wird. Dies wird durch Einwirkung eines in das Werkzeug eingebrachten Niederhalters, z. B. in Form üblicher Klemmbacken, realisiert.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann derart ausgebildet sein, dass die Heizeinrichtung keinen Antihaftbelag mehr auf­ weist. Durch den Verzicht auf den Antihaftbelag wird eine höhere Standzeit des Werkzeugs erreicht. Ferner können scharf abgegrenzte Wärmeimpulse mit steilen Aufheiz- und Abkühlraten verwirklicht werden, so dass hohe Maschinen­ taktzahlen im Dauerbetrieb möglich sind.
In besonders vorteilhafter Weise wird der zweite Stromim­ puls und damit die der Folie zugeführte Wärme so einge­ stellt, dass gerade die Folienoberfläche erwärmt wird. Zum anderen kann insbesondere die von den Niederhaltern ausge­ übte Querkraft so groß eingestellt werden, dass die Folie zum frühestmöglichen Zeitpunkt, also möglichst sofort nach dem Erweichen ihrer Oberfläche, abgelöst wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher be­ schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä­ ßen Werkzeuges während der ersten Bearbeitungspha­ se;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werk­ zeuges während der ersten Abkühlphase;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werk­ zeuges unmittelbar nach dem Öffnen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werk­ zeuges während der zweiten Bearbeitungsphase;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werk­ zeuges nach vollständiger Ablösung der Folie;
Fig. 6a ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines konventionellen Verfahrens.
Fig. 6b ein Temperatur-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfah­ rens;
Die Fig. 1 bis 5 zeigen die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb eines Arbeitstaktes einer Maschine. Das in den Fig. 1 bis 5 lediglich schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellte Werk­ zeug 1 weist zwei Träger 2, 3 auf, von denen einer oder beide, hier beide Träger 2, 3, entlang einer durch die Pfeile A, A' angedeuteten Richtung ge­ geneinander bewegbar sind. Auf der Oberfläche 2a des Trägers 2 ist eine Heizeinrichtung 4 angeordnet. Die Heizeinrichtung 4 weist im wesentlichen eine untere, d. h. auf der Oberfläche 2a des Trägers 2 angeordnete thermi­ sche Isolierschicht 5 und ein auf der thermischen Isolierschicht 5 befestigtes metallisches Heizband 7 auf. Das Heizband 7 kann über die Isolierschicht 5 gespannt oder in Form eines Heizleiters als Dickschichtleiterbahn aufgebracht sein. Der Träger 3 weist an seiner Oberfläche 3a lediglich eine ther­ mische Isolierschicht 6 auf und stellt eine elastische Gegenlage dar. Das Werkzeug kann aber auch zwei Heizeinrichtungen auf den Oberflächen bei­ der Träger aufweisen.
Die Träger 2, 3 sind innerhalb von zwei Niederhaltern 8, 9 angeordnet. Die Niederhalter 8, 9 sind entlang der durch die Pfeile B, B' angedeuteten Rich­ tungen gegeneinander bewegbar. Zwischen den Niederhaltern 8, 9, bei de­ nen es sich z. B. um übliche Klemmbacken handeln kann, sind zu bearbei­ tende Folien 10, 11 fixiert. Die Folien 10, 11 erstrecken sich zwischen dem Heizband 7 und der Isolierschicht 6.
Zur Bearbeitung der Folien 10, 11 (Fig. 1) in der ersten Bearbeitungsphase wird das Werkzeug 1 vollständig geschlossen, indem die Träger 2, 3 entlang den Pfeilen A, A' aufeinander zu bewegt werden. Dadurch werden die Folien 10, 11 zwischen den beiden Trägern 2, 3 fixiert, und das Heizband 7 wird fest auf die Folien 10, 11 gepreßt. Durch einen Impulsgeber wird das Heiz­ band 7 mit einem Stromimpuls beaufschlagt und aufgeheizt. Dadurch fließt in den Folien 10, 11 ein durch die Pfeile C angedeuteter Wärmestrom, so daß die Folien 10, 11 erwärmt und miteinander verschweißt werden.
Durch die Beendigung des Stromimpulses wird der Wärmestrom unterbro­ chen, und die Folien 10, 11 werden in der ersten Abkühlphase gekühlt (Fig. 2). Die in den Folien 10, 11 und im Werkzeug 1 gespeicherte Wärmemenge wird durch einen durch die Pfeile D angedeuteten erzwungenen Wärme­ strom (d. h. durch Zwangskühlung) aus dem Werkzeug 1 herausgebracht.
Frühestens dann, wenn die Erweichungstemperatur der Folien 10, 11 unterschritten ist, sind die bearbeiteten Flächen der Folien 10, 11 mechanisch be­ lastbar. Erst dann wird das Werkzeug 1 geöffnet (Fig. 3). Dazu werden die Träger 2, 3 in der durch die Pfeile E, E' andeuteten Richtung voneinander weg bewegt. Gleichzeitig bleiben die Niederhalter 8, 9 in Schließstellung. Damit werden die auf die Folien 10, 11 ausgeübte Schließkraft und der Ar­ beitsdruck auf Null reduziert. Die mittlerweile über einen definierten Bereich 12 verschweißten Folien 10, 11 sind durch das Warmpressen während der Bearbeitungszeit (Fig. 1) durch eine Haftkraft H mit der Oberfläche der Heizeinrichtung 4 verbunden. Beim Öffnen der Träger 2, 3 erzeugt diese Haftkraft H eine Querkraft Q auf den verschweißten Bereich der Folien 10, 11, wobei H << Q ist. Die Querkraft Q wirkt entgegen der Haftkraft H und tendiert dazu, den verschweißten Bereich 12 der Folien 10, 11 von der Oberfläche der Heizeinrichtung 4 abzuziehen.
Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird in einer zweiten Bearbeitungsphase das Heizband 7 der Heizeinrichtung 4 mit einem zweiten kurzen Stromim­ puls, dem Ablöseimpuls, beaufschlagt und erhitzt (Fig. 4). Dadurch fließt in den Folien 10, 11 ein weiterer, durch die Pfeile F angedeuteter Wär­ mestrom und erwärmt diese. Die Stärke des Ablöseimpulses ist dabei so gewählt, daß der resultierende Wärmestrom lediglich die Oberfläche bzw. Randgebiete des verschweißten Bereichs 12 erwärmt. Auf diese Weise blei­ ben der stoffliche Zusammenhalt und die körperliche Gestalt der Folien 10, 11 in ihrem verschweißten Bereich erhalten.
Durch diese Erwärmung verringert sich die Haftkraft H ihrem Betrag nach derart, daß sie geringer wird als die Querkraft Q (Fig. 5). Es gilt also H < Q. Die Querkraft Q bewirkt die Ablösung der Folien 10, 11 von der Hei­ zeinrichtung 4. Der Zeitpunkt der Ablösung wird über die Einstellung der Intensität des Ablöseimpulses und damit über die resultierende Wärmemen­ ge vorzugsweise so frühzeitig gewählt, daß die Folien 10, 11 durch die Einwirkung der Querkraft Q keine plastische Verformung erfahren. Sobald die Folientemperatur in einer zweiten Abkühlphase wieder gesunken ist, wird das Werkzeug 1 vollständig geöffnet, indem die Niederhalter 8, 9 in Richtung der Pfeile G, G' auseinanderbewegt werden. Damit ist der Ar­ beitstakt beendet.
In den Fig. 6a und 6b sind in Temperatur-Zeit-Diagrammen die Tempe­ ratur-Zeit-Verläufe bei einem konventionellen Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einander gegenübergestellt. Die Temperaturen T der Folien 10, 11 in den verschiedenen Phasen eines Arbeitstaktes sind ge­ gen die Zeit t aufgetragen. Dabei bezeichnen:
T1 die Arbeitstemperatur des Werkzeugs 1
T2 die Erweichungstemperatur der Folien 10, 11
T3 die Bearbeitungstemperatur der Folien 10, 11
t11, t21 den Beginn des Arbeitstaktes (Beginn des Stromimpulses)
t12, t22 den Beginn der ersten Bearbeitungsphase
t13, t23 das Ende der ersten Bearbeitungsphase (Ende des Stromimpulses)
t14, t24 das Ende der ersten Abkühlphase
t15, t25 das Ende des Arbeitstaktes
t26 den Beginn des Ablöseimpulses
t27 den Beginn der zweiten Bearbeitungsphase
t28 das Ende der zweiten Bearbeitungsphase (Ende des Ablöseimpulses)
Man erkennt, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Bearbeitungstem­ peratur T3 der Folien 10, 11 viel schneller erreicht wird als beim herkömmli­ chen Verfahren (t22 < t12), da der Wärmestrom keine schlecht wärmeleitende Antihaftschicht mehr durchdringen muß. Die Aufheizphase ist schneller und steiler. Die Dauer der eigentlichen thermischen Bearbeitung, bei der die Fo­ lientemperatur konstant auf der Bearbeitungstemperatur T3 gehalten wird, bleibt unverändert ((t23 - t22) = (t13 - t12)). Daraus folgt, daß auch die erste Bearbeitungsphase schneller beendet ist als bei herkömmlichen Verfahren (t23 < t13). Ebenso kann die Abkühlung der Folien 10, 11 auf eine Tempera­ tur unterhalb der Erweichungstemperatur T2 viel schneller erfolgen (t24 < t14), weil bei der Zwangskühlung die Wärme viel schneller abgeleitet werden kann, da keine Antihaftschicht mehr überwunden werden muß.
Das Öffnen der Träger 2, 3 erfolgt vorzugsweise zu einem Zeitpunkt t unmit­ telbar nach der Abkühlung der Folien 10, 11 (t24 < t < t26). Ebenso wird der Ablöseimpuls zu einem Zeitpunkt (t26 < t < t27) unmittelbar nach dem Öffnen der Träger 2, 3 eingeleitet. Unter der Voraussetzung, daß die Bearbeitungs­ dauer in der zweiten Bearbeitungsphase wesentlich geringer ist als in der ersten Bearbeitungsphase ((t28 - t27) << (t23 - t22)), erfolgt eine Erwärmung der Folien 10, 11 während der Ablösung nur an ihrer Oberfläche, so daß es nicht zu Verformungen oder Strukturschäden kommt. Abhängig von Werk­ zeugparametern und/oder Folieneigenschaften kann die aus dem Ablöseim­ puls resultierende Temperatur der Folienoberfläche von T3 um Δϑ abwei­ chen.
Trotz des zusätzlichen Ablöseimpulses ist die Taktzeit beim erfindungsge­ mäßen Verfahren viel kürzer als beim konventionellen Verfahren (t25 << t15), da die erheblichen Zeitverluste, die im Stand der Technik durch das Über­ winden der thermischen Barriere in Form der konventionellen Antihaftbe­ schichtung zustandekommen, vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle Arten von Heizeinrichtungen bzw. Werkzeugen zur thermischen Bearbeitung von Folien geeignet. Es kann besonders vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn mit einer hohen Maschinentaktzahl gearbeitet wird, z. B. mit Maschinen mit Schichtheizele­ menten. Es ist insbesondere für eine Heizeinrichtung geeignet, wie sie in der DE 197 37 471 A1 beschrieben ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum thermischen Verschweißen von Folien mit einem Werkzeug (1), welches eine Heizeinrichtung (4) auf­ weist, wobei eine oder mehrere Folien (10, 11) zumindest innerhalb eines definierten Bereichs (12) durch Schließen des Werkzeugs (1) mit der Heizeinrichtung (4) kontaktiert werden, welche anschließend mit einem ersten Wärmeimpuls beaufschlagt wird, so dass die Folien (10, 11) auf eine oberhalb ihrer Erweichungstemperatur liegende Temperatur erwärmt und verschweißt werden, wobei die Folien (10, 11) nach der Bearbeitung auf eine unterhalb ihrer Erweichung­ stemperatur liegende Temperatur abgekühlt werden, und an­ schließend das Werkzeug (1) geöffnet wird, wobei die Folien (10, 11) an der Heizeinrichtung (4) haften, und die Folien (10, 11) nach Beginn des Öffnens des Werkzeugs (1) nochmals kurzzeitig mit einem zusätzlichen Wärmeimpuls beaufschlagt werden, um die Oberfläche der Folien (10, 11) auf eine oberhalb der Erweichungstemperatur liegende Temperatur zu erwärmen, so dass eine Ablösung der an der Oberfläche der Heizeinrichtung (4) des Werkzeugs (1) haftenden Folien (10, 11) erfolgt, und zur Unterstützung des Ablösens der Folien (10, 11) während der Beaufschlagung mit dem zusätzlichen Wärmeimpuls eine zusätzliche mechanische Beeinflussung er­ folgt, wobei die zusätzliche mechanische Beeinflussung durch die Einwirkung von Niederhaltern (8, 9) oder derglei­ chen beim Öffnen des Werkzeugs (1) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Folien (10, 11) durch Zwangskühlung erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Folien (10, 11) durch den zusätzlichen Wärmeimpuls auf dieselbe Tempe­ ratur wie durch den ersten Wärmeimpuls erwärmt wird.
4. Werkzeug (1) zum thermischen Verschweißen von Folien (10, 11), zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit zwei Trägern (2, 3), die in eine Schließstellung zur Bearbeitung der Folien (10, 11) und in eine Öffnungsstellung bringbar sind, wobei mindestens ein Träger (2) eine Heizeinrichtung (4) zum Erwärmen der Folien (10, 11) auf eine oberhalb ihres Erweichungspunktes liegen­ de Temperatur aufweist, wobei die Heizeinrichtung (4) wäh­ rend der Erwärmung und Bearbeitung der Folien (10, 11) in Schließstellung der Träger (2, 3) in direktem Kontakt zu der oder den Folien (10, 11) steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (2, 3) innerhalb von Niederhaltern (8, 9) angeordnet sind, wobei die Niederhalter (8, 9) unabhängig von den Trägern (2, 3) in eine Schließ- und in eine Öff­ nungsstellung bringbar sind.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Niederhaltern (8, 9) um Klemmbacken han­ delt.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) mit einer Vor­ richtung zur Zwangskühlung versehen ist.
7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) ein Heizelement (7) in Form einer Dickschichtleiterbahn aufweist.
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