DE202006008749U1 - Heizvorrichtung zum Verschweißen von Kunststoffteilen - Google Patents
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Abstract
Einrichtung
zum Erwärmen
von Verbindungsstellen von zu verschweißenden thermoplastischen Kunststoffteilen
mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen
Strahlung und mit Strahlungsführungsmitteln
zum Fokussieren der elektromagnetischen Strahlung auf die Verbindungsstelle,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle als ein Rohrstrahler
(13, 13') ausgebildet ist mit einem die Längserstreckung der Verbindungsstellen
(1', 2') vorgegebenen Tubus, in dem sich eine Glühwendel erstreckt, dass die Strahlungsführungsmittel
eine Maske (14, 14') umfassen, die über sich in Hauptabstrahlrichtung
(18) verjüngende und
zu einem äußeren Strahlungsaustrittsspalt
(11) zusammenlaufende Maskenflächen
(19, 19') verfügt,
wobei die Maskenflächen
(19, 19') innenseitig eine Reflexionsfläche (20, 20') aufweisen, dass
die Strahlungsführungsmittel
eine Reflektorfläche
(16) umfassen, die sich umfangsseitig des Tubus und Freilassung
eines inneren Strahlungsaustrittsspaltes (17) erstreckt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erwärmen von Verbindungsstellen von zu verschweißenden thermoplastischen Kunststoffteilen mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und mit Strahlungsführungsmitteln zum Fokussieren der elektromagnetischen Strahlung auf die Verbindungsstelle.
- Aus der
DE 694 07 871 T2 ist eine Einrichtung zum Erwärmen von Verbindungsstellen von Kunststoffteilen bekannt, die eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung sowie Strahlungsführungsmittel zum Fokussieren der erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf die Verbindungsstelle aufweist. Nachteilig an der bekannten Einrichtung ist die relativ aufwändige Fokussierung auf die Verbindungsstellen. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zum Erwärmen von Verbindungsstellen von zu verschweißenden thermoplastischen Kunststoffteilen derart weiterzubilden, dass die Fokussierbarkeit der Strahlungsenergie in Richtung der zu verbindenden Verbindungsstellen verbessert wird.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle als ein Rohrstrahler ausgebildet ist mit einem die Längserstreckung der Verbindungsstellen vorgegebenen Tubus, in dem sich eine Glühwendel erstreckt, dass die Strahlungsführungsmittel eine Maske umfassen, die über sich in Hauptabstrahlrichtung verjüngende und zu einem äußeren Strahlungsaustrittsspalt zusammenlaufende Maskenflächen verfügt, wobei die Maskenflächen innenseitig eine Reflexionsfläche aufweisen, dass die Strahlungsführungsmittel eine Reflektor fläche umfassen, die sich umfangsseitig des Tubus und Freilassung eines inneren Strahlungsaustrittsspaltes erstreckt.
- Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, dass eine verbesserte Linienstrahlführung über komplexe, dreidimensional verlaufende Verbindungsstellen erfolgen kann. Vorteilhaft können relativ hohe Strahlungsdichten erzeugt werden, die zu einer Verkürzung der Aufheizzeit der Verbindungsstellen führen.
- Zusätzlich ermöglicht die Maske, dass dekorativ empfindliche Kunststoffteile thermisch geschützt werden. Die Maskenflächen weisen innenseitig Reflektorflächen auf, so dass die von dem Rohrstrahler abgegebene Strahlung innerhalb der Maske umher vagabundieren kann, bis sie durch den Maskenspalt (äußerer Strahlungsaustrittsspalt) die Maske in Richtung der Verbindungsstelle verlassen kann. Hierdurch können Toleranzen des Röhrenstrahlers (Leistungsinhomogenitäten des Strahlers) kompensiert werden.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen teilweisen Querschnitt durch zwei zu verbindende Kunststoffteile mit jeweils einer Schmelzschicht, -
2 eine perspektivische Darstellung einer Heizeinrichtung zur Vorerwärmung der zu verbindenden Kunststoffteile, -
3 eine perspektivische Darstellung der Heizeinrichtung gemäß2 mit teilweise freigelegten Strahlungsquellen, -
4 eine Querschnitt durch die Heizeinrichtung im Bereich einer Maske, -
5 ein Steuerungsdiagramm für die Heizeinrichtung und -
6 eine Draufsicht auf eine Konfiguration von zwei schneckenförmig in der Heizeinrichtung angeordneten Rohrstrahlern. - Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß
1 erfolgt eine Verbindung zwischen einem Gehäuseteil1 (erstes Kunststoffteil) und einer Abschlussscheibe2 (zweites Kunststoffteil) eines Scheinwerfers für Kraftfahrzeuge. - Gemäß einem ersten Verfahrensschritt werden das in einem Abstand zueinander angeordnete Gehäuseteil
1 und die Abschlussscheibe2 an einer zueinander gekehrten Verbindungsstelle1' bzw.2' mittels einer in den weiteren Figuren dargestellten Heizeinrichtung4 derart vorgewärmt, dass sich an der Verbindungsstelle1' ,2' eine Schmelzschicht5 bzw.5' von jeweils einer Dicke von 0,5 mm ergibt. - Nachfolgend werden das Gehäuseteil
1 und die Abschlussscheibe2 derart aufeinander zu bewegt, bis sich die Schmelzschicht der Verbindungsstelle1' bzw. die Schmelzschicht5' der Verbindungsstelle2' in einer Fügeebene6 berühren. Die gesamte Schmelzschichtdicke d, die sich aus den einzelnen Schmelzschichten5 und5' zusammensetzt, beträgt nun 1 mm. - In einem weiteren Verfahrensschritt werden das Gehäuseteil
1 und die Abschlussscheibe2 entlang einer Oszillationsrichtung7 mit einer Amplitude von 0,45 mm und einer vorgegebenen Oszillationsfrequenz relativ zueinander bewegt (Vibrationsschweißen), wobei unter Erzeugung einer Scherleistung eine Durchmischung der in den Schmelzschichten5 ,5' enthaltenen Schmelze er folgt. Dabei werden die Verbindungsstellen1' ,2' unter einem Fügedruck in Höhe von 0,5 bis 8,0 MPa aufeinander gedrückt. Bereits vor dem Aufeinanderdrücken sind die Verbindungsstellen1' ,2' vollständig plastifiziert, so dass die ansonsten vorhanden instationäre Schmelzebildung des Vibrationsschweißens nicht stattfindet. Mit Beginn des Vibrationsschweißens ist die Schmelze bereits gebildet. - In einem abschließenden Verfahrensschritt werden die Verbindungsstellen
1' ,2' abgekühlt, wobei noch ein Fügedruck ohne Vibrationsbewegung bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze aufrechterhalten wird. - Wie aus
1 zu ersehen ist, ist die Schwingweite (doppelte Amplitude) der Oszillationsbewegung kleiner als die gesamte Schmelzschichtdicke d, so dass Kunststoffteile mit gekrümmten Wandungen miteinander verschweißt werden können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die Oszillationsrichtung7 zu den Wandungen des Gehäuseteils1 bzw. der Abschlussscheibe2 einen spitzen Anschwingwinkel8 , der beispielsweise 45° betragen kann. - Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen das Gehäuseteil
1 und die Abschlussscheibe2 parallel zueinander verlaufende Flächenabschnitte9 bzw.9' auf, die zu der Oszillationsrichtung7 einen spitzen Winkel8 bilden. Der weitere Flächenabschnitt10 ,10' des Gehäuseteils1 bzw. der Abschlussscheibe2 verläuft parallel zu der Oszillationsrichtung7 . - Die Vorerwärmung der Verbindungsstellen
1' ,2' des Gehäuseteils1 bzw. der Abschlussscheibe2 erfolgt mittels der Heizeinrichtung4 , die den Verbindungsstellen1' ,2' über einen äußeren Strahlungsaustrittsspalt11 die hierzu erforderliche Strahlungsleistung zukommen lässt. Die Kontur des äußeren Strahlungsaustrittsspalts11 entspricht dabei dem Verlauf der Schweißnaht. - Die Heizeinrichtung
4 wird derart gesteuert bzw. geregelt, dass die Verbindungsstellen1' ,2' des Gehäuseteils1 bzw. der Abschlussscheibe2 lediglich bis in einen Bereich der Schmelztemperatur entsprechend einer Steuerkurve S aufgeschmolzen werden. In dem Diagramm gemäß5 ist die elektrische Spannung U in Volt auf der Ordinate und die Zeit t in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. Es erfolgt ein relativ steiler Anstieg der Heizspannung bis zu einem Wert US, der zur Schmelztemperatur der Materialien korrespondiert. Nachfolgend wird die Heizleistung der Heizeinrichtung4 derart entsprechend einer e-Funktion heruntergeregelt, wobei der Heizvorgang etwa nach 6 Sekunden abgeschlossen ist. Durch das Steuern bzw. Regeln der Heizleistung wird ein Überheizen der Verbindungsstellen1' ,2' , was zu einer unerwünschten Ausgasung des Materials führen kann, verhindert. - Die Heizeinrichtung
4 weist ein Gehäuse12 auf, in dem zu beiden Seiten eines mittleren Grundträgers24 jeweils als Strahlungsquelle2 zwei Infrarot-Rohrstrahler13 ,13' sowie als Strahlungsführungsmittel eine Maske14 untergebracht sind. Die Rohrstrahler13 ,13' sind schneckenförmig angeordnet, wobei sie in einem Endbereich15 derselben längsseitig entlang von Stoßkanten unmittelbar aneinander liegen. - Zur Bereitstellung der erforderlichen Energiedichte ist der Rohrstrahler
13 ,13' als ein Glasrohrstrahler ausgebildet, wobei sich eine Glühwendel innerhalb des Glasröhrens in einer Schutzatmosphäre befindet. - Ein Tubus der Rohrstrahler
13 ,13' ist umfangsseitig mit einer Reflektorfläche16 aus Goldmaterial beschichtet, wobei ein innerer Strahlungsaustrittsspalt17 , der dem äußeren Strahlungsaustrittsspalt11 zugewandt ist, freigelassen wird. Der innere Strahlungsaustrittsspalt17 erstreckt sich in einem spitzen Winkel einer Breite in einem Bereich von 3 mm bis 8 mm, vorzugsweise in einer Breite von 4 mm bis 5 mm. - Die Maske
14 weist zwei sich in Hauptstrahlungsrichtung18 verjüngende Maskenflächen19 ,19' auf, deren Enden den äußeren Strahlungsaustrittsspalt11 begrenzen. Die Breite des äußeren Strahlungsaustrittsspalts11 beträgt etwa 1, 5 mm. Der äußere Strahlungsaustrittsspalt11 kann in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm liegen. - Die Maskenflächen
19 ,19' sind innenseitig mit einer Reflexionsfläche20 versehen, so dass die aus dem Rohrstahler13 ,13' austretende Strahlung21 – wenn sie nicht direkt durch den äußeren Strahlungsaustrittspalt11 nach außen tritt – an den Reflexionsflächen20 ,20' reflektieren und innerhalb der Maske so lange umher vagabundieren, bis sie durch den äußeren Strahlungsaustrittsspalt11 in Richtung der Verbindungsstelle1' ,2' austreten. Auf diese Weise erfolgt eine Fokussierung der Strahlung21 auf die Verbindungsstelle1' ,2' . - Die Reflexionsfläche
20 ,20' der Maskenfläche19 ,19' kann als eine hochglanzpolierte Metallfläche ausgebildet sein. Durch Mehrfachreflexion an den Innenwänden der Maske14 erfolgt eine Ausrichtung der Strahlung21 in Richtung der Verbindungsstellen1' ,2' . - Hierdurch ergibt sich ein gleichmäßiger Energieeintrag über den gesamten Schweißnahtverlauf.
- Dadurch, dass eine Maskenfläche
19' unmittelbar angrenzend zu einem in einem rechten Winkel zu der Verbindungsstelle22 orientierten Flächenabschnitt23 der Abschlussscheibe oder des Gehäuses1 angeordnet ist, ist der dekorative Flächenabschnitt23 während des Heizvorgangs thermisch geschützt angeordnet. - Der Rohrstrahler
13 ,13' bildet einen Tubus, der in einer Rinne der Maske14 vorzugsweise in einem konstanten Abstand zu den Verbindungsstellen1' ,2' angeordnet ist. - Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Zwillingsmaske mit einer von einem mittleren Grundträger
24 auf eine Seite orientierten Maske14 und einer gegenüberliegenden Maske14' angeordnet, wobei die eine Maske14 zum Vorheizen der Verbindungsstelle1' des Gehäuseteils1 und die andere Maske14' zum Vorheizen der Verbindungsstelle2' der Abschlussscheibe2 dient. Die beiden Masken14 ,14' sind gleichartig ausgebildet, wobei die äußeren Strahlungsaustrittsspalte11 höhenversetzt zueinander angeordnet sind. - Die Rohrstrahler
13 ,13' sind jeweils U-förmig ausgebildet, wobei sie jeweils in einem Endbereich15 derselben unter Bildung von Stoßkanten30 unmittelbar aneinander liegen, wie in6 dargestellt. Es ergibt sich somit eine achteckige Konfiguration der Rohrstrahler13 ,13' die die Nachbildung eines achteckigen Schweißsteges (Schweißnaht) ermöglichen. Somit korrespondieren der innere Strahlungsaustrittsspalt17 sowie der äußere Strahlungsaustrittsspalt11 zu dem Verlauf der Rohrstrahler13 ,13' und geben damit den Verlauf der Schweißnaht vor. Vorteilhaft ergibt sich hierdurch ein geschlossener Fügeverlauf. - Durch die Ausbildung der Maske
14 ,14' mit den im Bereich der Rohrstrahler13 ,13' bauchig angeordneten Reflektorflächen16 , sich die in Abstrahlrichtung verjüngend erstrecken, erfolgt eine Kompensation insbesondere des in dem Endbereich15 vorliegenden Energieüberschusses in Folge der zwei nebeneinander angeordneten Abschnitte der Rohrstrahler13 ,13' . Die Reflexionsflächen20 ,20' und die Mantelflächen19 ,19' der Maske14 ,14' sind im Abschnitt der Endbereiche15 derart ausgebildet, dass die durch den äußeren Strahlungs austrittsspalt17 abgegebene Strahlungsenergie einen vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigt.
Claims (4)
- Einrichtung zum Erwärmen von Verbindungsstellen von zu verschweißenden thermoplastischen Kunststoffteilen mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und mit Strahlungsführungsmitteln zum Fokussieren der elektromagnetischen Strahlung auf die Verbindungsstelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle als ein Rohrstrahler (
13 ,13' ) ausgebildet ist mit einem die Längserstreckung der Verbindungsstellen (1' ,2' ) vorgegebenen Tubus, in dem sich eine Glühwendel erstreckt, dass die Strahlungsführungsmittel eine Maske (14 ,14' ) umfassen, die über sich in Hauptabstrahlrichtung (18 ) verjüngende und zu einem äußeren Strahlungsaustrittsspalt (11 ) zusammenlaufende Maskenflächen (19 ,19' ) verfügt, wobei die Maskenflächen (19 ,19' ) innenseitig eine Reflexionsfläche (20 ,20' ) aufweisen, dass die Strahlungsführungsmittel eine Reflektorfläche (16 ) umfassen, die sich umfangsseitig des Tubus und Freilassung eines inneren Strahlungsaustrittsspaltes (17 ) erstreckt. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strahlungsaustrittsspalt (
17 ) eine Breite in einem Bereich von 3 mm bis 8 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 4 mm bis 5 mm aufweist. - Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Strahlungsaustrittsspalt (
11 ) eine Breite in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise eine Breite von 1,5 mm, aufweist. - Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rohrstrahler (
13 ,13' ) vorgesehen sind, die zur Bildung der Schweißkonturkonfiguration an ihren Endbereichen (15 ) längsseitig unmittelbar nebeneinander liegen, und wobei die Reflexionsflächen (20 ,20' ) und/oder die Maskenfläche (19 ,19' ) der Maske (14 ) derart ausgebildet sind, dass die über den äußeren Strahlungsaustrittsspalt (11 ) abgegebenen Strahlungsenergie einen vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigt.
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