DE19848945B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden thermoplastischer Materialien, insbesondere von Kunststoffen mit Substraten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Massen mit Substraten, wobei man zunächst das Substrat mit einer Schicht thermoplastischen Materials versieht und dieses mit Hilfe eines Induktors und einer nahe der Massen befindlichen oder auf dieser aufliegenden Metallfläche auf Temperaturen oberhalb dessen Schmelzpunkts erwärmt und aufschmilzt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallfläche bzw. das Substrat relativ zum Induktor rotiert und dabei die Wärme in das thermoplastische Material pulsierend einträgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden thermoplastischer Materialien, insbesondere von Kunststoffen mit Substraten. Dabei werden die Kunststoffe schichtförmig als Granulat, Folie oder in anderer geeigneter Form auf die zu beschichtende Unterlage aufgetragen und auf Temperaturen oberhalb ihres Schmelz- oder Erweichungspunktes erwärmt, wodurch sie viskos werden, sich mit dem Substrat verbinden und nach dem Abkühlen eine permanente Beschichtung bilden. Die Wärme wird dabei als Strahlung oder durch Leitung übertragen.
  • Ein wichtiger Anwendungsfall ist die Herstellung von Filterpatronen, wobei die rundgefalteten Papierfilter stirnseitig mit Schmelzklebereigenschaft aufweisenden Kunststoffolien versehen werden, auf die elektrisch beheizbare Metallplatten aufgedrückt werden, wobei die Folie unter der Wärmeeinwirkung mit dem Papier verschmilzt. Gleichzeitig glättet die Metallplatte die Oberfläche, so daß exakte Anschlüsse z. B. an die jeweiligen Flüssigkeitsleitungen vorgenommen werden können. Ordnet man über der Folie einen Deckel an, so verklebt dieser mit der Patrone.
  • Nachteilig ist bei einem solchen Vorgehen die ungünstig hohe, durch Wärmeverluste bedingte Energiebilanz, die relativ langsame Erwärmung (die Taktzeiten liegen bei 50 Sekunden je Patrone) und die relative Ungenauigkeit der Beschichtung, die durch Parallelitätsfehler beispielsweise durch Verschmutzung auf dem Träger des Substrats und durch ungleichmäßigen Energieeintrag über die Fläche entstehen können.
  • Die US 4,992,133 beschreibt das Zusammenfügen zweier elektrisch leitfähige Fasern aufweisender Kunststoffbänder, wobei diese durch ein induktives Feld erwärmt und infolge des Aufschmelzen des Kunststoffs miteinander verbunden werden. Die Bänder werden dabei vollflächig an einer Heizplatte (Ziff. 43, 3) vorbeigeführt, hinter der der Induktor liegt. Mit Hilfe von nachgeschaltetem Preßwerkzeug werden die Bänder aneinander gedrückt. Da die Bänder auf eine Walze zusammengeführt werden, ist auch die Heizplatte gekrümmt und liegt andererseits eben gegen den Induktor an.
  • Dieser vollflächige Wärmeübergang hat den Nachteil, daß sich zwischen den Wärmequellen – den Heizwendeln – Temperaturgradienten ausbilden, was bei eine hohe Präzision erfordernden Anwendungsfällen zu Ausschuß führen kann.
  • Die CH 683 954 A5 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Hochfrequenz-Siegelverbindungen, bei welchem zwischen der dazu erforderlichen HF-Backe und dem "Siegelmaterialsystem" ein Wirbelstromschichtträger positioniert wird.
  • Der Wirbelstromschichtträger überträgt die Wärme durch Leitung auf das Siegelmaterialsystem (Sp. 2, Z. 50 ff.).
  • Als Vorteil wird angegeben, daß damit Thermoplaste oder Siegellacke versiegelbar seien, "ohne daß eine elektrisch leitende Schicht im Siegelmaterialsystem erforderlich ist (Sp. 3, Z. 9 ff.).
  • Nach Anspruch 9 kann die HF-Backe rotierend ausgebildet sein. Ein pulsierender Wärmeeintrag in das Siegelsystem ist damit nicht möglich.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, die Beschichtung von Thermoplasten zu verbessern. Insbesondere soll durch hohen und schnellen Energieeintrag die Verarbeitungszeit erheblich verkürzt werden, weiterhin soll ein wesentlich verringerter Energiebedarf erreicht und außerdem die Maßhaltigkeit gesteigert werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Die neuartige Vorgehensweise ermöglicht trotz einer durch den Induktor bedingten bandförmigen Erwärmung im Thermoplasten ein vollkommen gleichmäßiges Temperaturprofil zu erzeugen, wobei es grundsätzlich nicht erforderlich ist, daß die Metallfläche das Substrat vollflächig überdeckt. Insbesondere wird bei ortsfestem Induktorkabel die Metallfläche und/oder das Substrat in Rotation versetzt, wobei die Umdrehungszahlen in weiten Grenzen gewählt werden können.
  • Erfindungsgemäß ist es nicht nur möglich, Kunststoffbeschichtungen auf den Substraten vorzunehmen, es können in gleicher Weise auch Verklebungen mit auf die thermoplastische Masse aufgelegten oder aufgepreßten anderen flächigen Gegenständen hergestellt werden.
  • Das Aufschmelzen der Thermoplasten ist gegenüber herkömmlichen, mit Heizwendeln versehenen Heizplatten wesentlich schneller, die Temperaturwerte sind deutlich besser reproduzierbar, Versprödungen durch örtliche Überhitzung können somit zuverlässig vermieden werden. Dies kann unter anderem auch darauf zurückgeführt werden, daß die Wärme erfindungsgemäß wellenförmig pulsierend eingetragen wird, so daß der gesteigerte Wärmeeintrag kurzzeitig einwirkt und die Nachbarregionen somit Temperaturspitzen dämpfen können.
  • Die abstrahlende oder die Wärme durch Leitung transportierende Metallfläche muß dabei nicht die zu schmelzende Schicht vollflächig überdecken, es kann grundsätzlich auch eine Teilfläche, etwa ein schwertförmiges Blech, verwendet werden, das jedoch beim Rotieren die gesamte Substratoberfläche überstreicht.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß mit herkömmlichen Heizquellen, z. B. durch Ein- und Ausschalten (Heizplatten) ein intermittierender Wärmeeintrag wegen der zu großen Hysterese ausgeschlossen ist.
  • Der Induktor ist dabei vorteilhaft nahe der Rotationsachse angeordnet, er besteht aus einem hierfür bekannten elektrischen, insbesondere flexiblen Kabel, wobei der Abstand von der Metallfläche und der Rotationsachse in etwa dem 3- bis 4-fachen Kabeldurchmesser entspricht.
  • Um besonders hohe Energien eintragen zu können, werden wassergekühlte Induktoren verwendet.
  • Die Metallfläche kann mit einer Antihaftbeschichtung versehen sein, so daß sie auf das Substrat bzw. den Thermoplasten aufgelegt und mit diesem nahe dem Induktor rotieren kann, da die Antihaftbeschichtung (z. B. Polytetrafluorethylen) ein Ablösen der Metallfläche nach dem Abkühlen der erschmolzenen Schicht ermöglicht. In diesem Falle ist natürlich eine vollflächige Auflage erforderlich.
  • Erfindungsgemäß lassen sich auch unter Wärmeeinfluß expandierende (aufschäumende) Thermoplasten verwenden, wobei die Metallfläche bei Fixierung in einem gewünschten Abstand zur Substratoberfläche Maßhaltigkeit gewährleistet.
  • Die erfindungsgemäß verwendbare Vorrichtung besteht somit aus einer Anordnung zum Rotieren eines Metallbleches und/oder des Substrats sowie aus mindestens einem nahe der Metalloberfläche angeordneten, mit einer Stromquelle verbundenen Induktor, wobei natürlich der Wärmeeintrag insbesondere bei großflächigen Substraten und niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten auch über mehrere nebeneinanderliegende Induktoren vorgenommen werden kann.
  • Wie oben erwähnt, läßt sich die Aufheizgeschwindigkeit bei Verwendung gekühlter Induktoren um bis zu etwa 300% steigern, der Energiebedarf um bis zu 60% senken.
  • Letztlich wird vorgeschlagen, den Induktor nicht linear anzuordnen, sondern dessen Abstand zur Metallfläche dem erzeugten Wärmeeintrag anzupassen, d. h. nahe der Rotationsachse einen höheren, zu den Rändern abfallenden Abstand vorzusehen.
  • Ein besonders geeigneter Anwendungsfall ist die Herstellung von Filterpatronen, wobei auf die gefalteten und zylindrisch geformten Faltenbalge Kunststoffolien aufgelegt und mit dem Papier verschmolzen werden, wobei man gleichzeitig mittig einen Dichtring mit dem Papier verbindet, um z. B. zylindrische durchflossene Ölfilter herzustellen.
  • Dabei kann zusätzlich auch eine Kunststoffabdeckung aufgebracht werden, die gleichzeitig mit dem Kunststoff und mit dem Filter verklebt.
  • Diese lassen sich erfindungsgemäß erheblich schneller, exakter und mit wesentlich herabgesetztem Energieaufwand fertigen.
  • Die Bearbeitung geschieht gleichzeitig von beiden Enden. Die Durchmesser der Patronen betragen dabei zwischen 30 und 200 mm.
    •
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
  • 1 die Erwärmung eines Gegenstandes in Draufsicht und
  • 2 in Seitenansicht sowie
  • 3 die Herstellung einer Filterpatrone.
  • In 1 ist ein kunststoffbeschichtetes Substrat 8 dargestellt, über dem eine Metallfläche 9 um eine Achse 10 rotiert. Die Metallfläche ist dabei derart bemessen, daß sie das gesamte Substrat 8 überstreicht. Nahe der Metallfläche 9 ist ortsfest ein Induktor 1 angeordnet, der diese bei jedem Durchgang unter dem Induktor 1 erwärmt und somit seine Wärme vorliegend bei stehendem Substrat durch Strahlung pulsierend überträgt.
  • 2 zeigt eine gleiche Anordnung im Schnitt. Das Substrat 8 ist von dem thermoplastischen Material 11 überdeckt, nahe diesem ist auf der Achse 10 die Metallfläche, hier als Kappe 5 dargestellt, angeordnet, in geringem Abstand darüber befindet sich der Induktor 1.
  • In dieser Ausführungsform rotiert die Metallfläche, das Substrat steht oder bewegt sich mit einer anderen Drehgeschwindigkeit oder Drehsinn, die streifenförmige, durch den Induktor erwärmte streifenförmige Zone rotiert mit der Kappe 5, überträgt dabei Wärme auf den Kunststoff, wobei sie bei erneutem Durchgang unter dem Induktor erneut aufgeheizt wird und derart den pulsierenden Wärmeeintrag bewirkt.
  • Rotieren sowohl die Metallkappe 5 als auch das Substrat gemeinsam, und liegt die Kappe 5 auf der Kunststoffschicht 11 auf, so wird die Wärme durch Leitung übertragen, und die Kappe 5 kann mit dem Substrat 8 verklebt werden. Zwischen Thermoplast 11 und Kappe 5 kann auch eine Zwischenschicht angeordnet sein, wobei die Wärme an den Thermoplasten über diese übertragen wird, um sie mit dem Substrat 8 zu verkleben.
  • Weist die Kappe 5 eine Trennmittelbeschichtung auf, so kann auch bei aufliegender Kappe 5 diese nach dem Aufschmelzen und Abkühlen wieder abgehoben werden.
  • 3 zeigt den Anwendungsfall der Herstellung von Filterpatronen. Ein sternförmig gefalteter und rund geformter Papierfilter 7 ist oben und unten mit einer thermoplastischen Montagefolie 6, 6' versehen, auf der je eine Blechkappe 5, 5' aufliegt. Die Kappe greift mit einem Kragen 12 in den im Inneren des Filters 7 freigelassenen Kanal 13. Das Filter 7 wird zwischen zwei Adaptern 3, 3' gehalten, die an der Kappe 5, 5' anliegen und diese sowie das Filter 7 über Zapfen 14 zentrieren und die Kappen 5, 5' parallel ausrichten.
  • Wir durch die Pfeile angedeutet, können die Pinolen 4 auseinandergefahren und wieder aufeinander zubewegt werden.
  • Oberhalb und unterhalb der Kappen 5 befinden sich Induktoren 1, 2, über die die Blechkappen induktiv erwärmt werden können, wobei vorliegend angedeutet ist, daß die Induktorleiter auch paarweise angeordnet und mit einem wasserdurchflossenen Kühlmantel 15 versehen sein können.
  • Die Montagefolie 6 kann auch unter Wärmeeinfluß expandierend sein, wobei die Maßhaltigkeit der Patrone, d. h. der Abstand zwischen den Kappen, durch die als Anschläge ausgelegten Adapter 3 gewährleistet ist.
  • Eine solche Vorrichtung zeichnet sich durch gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verringerte (Um)Rüstzeit und eine wesentlich gesteigerte Taktfrequenz aus, da einmal die Wärmequelle nicht an neue Abmessungen angepaßt zu werden braucht und der Wärmeeintrag bei wesentlich verbesserter Reproduzierbarkeit erheblich gesteigert werden kann. Dabei wird die erforderliche Klebetemperatur gezielt erreicht, Produktionsfehler durch Überhitzung werden sicher vermieden. Letztlich wird auch der Ausschuß durch verbesserte Maßhaltigkeit gesteigert.
  • Insbesondere von Bedeutung ist auch ein erheblich gesenkter Energiebedarf, da nicht mehr wie herkömmlich zunächst die gesamte Masse der Heizplatten auf Temperaturen von etwa 250 °C gebracht werden müssen, sondern die Wärme lediglich im Werkstück oder der dünnen und damit nur eine geringe Masse aufweisenden Metallblechfläche anfällt.
  • Die gegenüber dem Stand der Technik bei ca. 50 Sekunden je Patrone (Durchmesser 70 mm) liegende Taktzeit kann auf bis zu unter 15 Sekunden verkürzt werden.
  • Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt dabei typischerweise etwa 1–10 Umdrehungen je Sekunde, die Induktoren werden z. B. mit 200 A bei 400 V beaufschlagt.
    • 1, 1'
    Induktor
    2, 2'
    Induktor
    3, 3'
    Adapter
    4, 4'
    Pinole
    5, 5'
    Kappe
    6
    Montagefolie
    7
    Papierfilter
    8
    Substrat
    9
    Metallfläche
    10
    Achse
    11
    Thermoplast
    12
    Kragen
    13
    Kanal
    14
    Zapfen
    15
    Kühlmantel

Claims (12)

  1. Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Massen mit Substraten, wobei man zunächst das Substrat mit einer Schicht thermoplastischen Materials versieht und dieses mit Hilfe eines Induktors und einer nahe der Massen befindlichen oder auf dieser aufliegenden Metallfläche auf Temperaturen oberhalb dessen Schmelzpunkts erwärmt und aufschmilzt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallfläche bzw. das Substrat relativ zum Induktor rotiert und dabei die Wärme in das thermoplastische Material pulsierend einträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor nahe der Rotationsachse der Metallfläche angeordnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Induktor kühlt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloberfläche mit einer Antihaftbeschichtung versehen ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoplast unter Erwärmung expandiert und daß man den Abstand zwischen der Metallfläche und dem Substrat beim Erwärmen und beim Abkühlen konstant hält.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Rotationseinrichtung für die Metallfläche (9) und/oder das mit dem thermoplastischen Material (11) beschichtete Substrat (8) sowie einem nahe der Metallfläche (9) angeordnetem Induktor (1).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (1) einen Kühlmantel (15) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat die Stirnfläche einer Filterpatrone ist, die zwischen zwei Pinolen (4, 4') gehalten ist, wobei eine der Pinolen (4, 4') mit einem Antrieb versehen ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfläche (9) eine mit Antihaftmittel beschichtete Kappe (5) ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der thermoplastischen Schicht (11) und der Metallfläche (9) ein Kunststoffdeckel angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (1) flexibel ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (1) mit variablem Abstand zur Metallobertläche (9) angeordnet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2004928A1 (en) * 1970-02-04 1971-10-07 Heller W Induction heater for sealing plastics
US4992133A (en) * 1988-09-30 1991-02-12 Pda Engineering Apparatus for processing composite materials
CH683954A5 (de) * 1993-04-17 1994-06-15 Industrieorientierte Forsch Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von HF-Siegelverbindungen mittels eines wiederverwendbaren Wirbelstromschichtträgers.

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