DE202007004736U1 - Kunststoffschweiß-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Kunststoffschweiß-Anordnung (10) zum Kunststoffschweißen eines Kunststoff-Anbauteiles (12) an ein Kunststoff-Basisbauteil (14), mit
einem Heizelement (40), das zwischen das Basisbauteil (14) und das Anbauteil (12) einfahrbar ist,
einem Anbauteil-Halter (32), der von einem Anbauteil-Antrieb (20) angetrieben wird, und
einem Kraftsensor (30), der dem Anbauteil-Halter (32) zugeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kunststoffschweiß-Anordnung zum Kunststoffschweißen eines Kunststoff-Anbauteiles an ein Kunststoff-Basisbauteil.
  • Die vorliegende Anordnung bezieht sich auf das Verschweißen eines Kunststoff-Anbauteiles an ein Kunststoff-Basisbauteil, beispielsweise eines kleinen Anbauteiles an einen Fahrzeug-Kraftstofftank. Das Anbauteil kann ein kunststoffgekapseltes Roll-Quer-Ventil, ein Einfüllrohr, eine Klammer oder ein anderes Kunststoffteil sein.
  • Zum Verschweißen des Anbauteiles mit dem Basisbauteil wird zunächst ein erhitztes Heizelement zwischen die Kontaktflächen des Anbauteiles, das von einem Anbauteil-Halter gehalten wird, und des Basisbauteiles platziert, beispielsweise mit einer Schwenkbewegung eingeschwenkt oder linear eingefahren. Anschließend wird das Anbauteil durch den Anbauteil-Halter an das Heizelement und das Heizelement an das Basisbauteil herangefahren, so dass die Kontaktflächen des Basisbauteiles einerseits und des Anbauteiles andererseits die Heizflächen des Heizelementes berühren. Hierdurch werden die Kontaktflächen ggf. geglättet und durch die Wärme des Heizelementes angeschmolzen. Anschließend wird das Anbauteil von dem Heizelement entfernt und wird das Heizelement von dem Basisbauteil entfernt und weggeschwenkt bzw. -gefahren, so dass das Heizelement nicht mehr zwischen dem Anbauteil und dem Basisbauteil steht. Dann wird das Anbauteil an das Basisbauteil herangefahren und die Kontaktfläche des Anbauteiles auf die korrespondierende Kontaktfläche des Basisbauteiles gedrückt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kunststoffschweiß-Anordnung zu schaffen, die eine verbesserte Verschweißung des Anbauteiles mit dem Basisbauteil ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1.
  • Gemäß Schutzanspruch 1 ist ein Kraftsensor zwischen dem Anbauteil-Halter und dem Anbauteil-Antrieb vorgesehen. Durch den Kraftsensor ist es möglich, während des Kontaktes des Anbauteiles mit dem Heizelement und des Heizelementes mit dem Basisbauteil einerseits und/oder während des Kontaktes bzw. des Andrückens des Anbauteiles an das Basisbauteil andererseits, ein kraftgeregeltes Andrücken durchzuführen.
  • Beim Kunststoffschweißen wird das Andrücken des Anbauteiles an das Heizelement und das Andrücken des Heizelementes an das Basisbauteil nunmehr durch eine Kraftregelung kraftgeregelt vorgenommen. Durch die Kraftregelung des Andrückens des Anbauteiles an das Heizelement während des Kontaktes des Anbauteiles mit dem Heizelement wird ein zeitlich konstanter Anpressdruck generiert. Der Anpressdruck kann, falls dies gewünscht ist, jedoch auch einem bestimmten zeitlichen Kraftverlaufsmuster folgen. Das kraftgeregelte Andrücken des Anbauteiles kann entweder für das Andrücken des Anbauteiles an das Heizelement oder für das Andrücken des Anbauteiles an das Basisbauteil, oder aber für beide Andrük-Vorgänge durchgeführt werden.
  • Das kraftgeregelte Andrücken des Anbauteiles an das Heizelement und/oder an das Basisbauteil hat mehrere Vorteile: Beim kraftgeregelten Andrücken des Anbauteiles an das Heizelement kann der Anpressdruck so gewählt werden, dass sich der Kunststoff an den Kontaktflächen möglichst schnell erwärmt und schmilzt, andererseits dabei jedoch nicht zu stark deformiert wird. Beim kraftgeregelten Andrücken des Anbauteiles an das Basisbauteil wird eine bestmögliche Schweißverbindung der Kontaktflächen des Anbauteiles und des Basisbauteiles miteinander sichergestellt und ebenfalls eine unerwünschte Deformation der Bauteile vermieden.
  • Vorzugsweise erfolgt die Kraftermittlung der Andrückkraft durch einen Kraftsensor unmittelbar an dem Anbauteil-Halter, der das Anbauteil hält und der in Bezug auf das Heizelement und das Basisbauteil linear beweglich ist. Die Kraftermittlung der Andrückkraft erfolgt nicht in dem Linearantrieb des Anbauteil-Halters, sondern erfolgt unmittelbar an dem Anbauteil-Halter, also zwischen dem betreffenden Linearantrieb und dem Anbauteil-Halter. Hierdurch wird sichergestellt, dass, im Gegensatz zu einer indirekten Messung in dem Linearantrieb, die tatsächlich auf das Anbauteil durch den zugeordneten Linearantrieb aufgebrachte Kraft gemessen wird. Auf diese Weise lässt sich die Kraftermittlung mit größtmöglicher Genauigkeit durchführen, wodurch auch die Kraftregelung eine höhere Genauigkeit aufweist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Antriebs-Steuerung vorgesehen, die mit einer Datenleitung mit dem Kraftsensor verbunden ist und den Anbauteil-Antrieb kraftgeregelt ansteuert. Vorzugsweise ist eine weitere separate übergeordnete Anordnungs-Steuerung vorgesehen, die alle Komponenten der Kunststoffschweiß-Anordnung steuert und regelt und entsprechende Arbeitsanweisungen an die separate und autarke Antriebs-Steuerung ausgibt. Durch die Ausbildung der Antriebs-Steuerung als separate autarke und intelligente Steuerung wird die zentrale Anordnungs-Steuerung entlastet. Durch die Auslagerung der Antriebs-Regelung auf die separate Antriebs-Steuerung wird eine schnelle, genaue und zuverlässige Regelung des Anbauteil-Antriebs sichergestellt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist zusätzlich zu dem Kraftsensor für die Kraftregelung ein Positionssensor für die Positionsregelung des Anbauteil-Antriebs vorgesehen. Das Anfahren des Anbauteiles an das Heizelement und/oder das Anfahren des Anbauteiles an das Basisbauteil kann bis zum Kontakt positionsgeregelt erfolgen. Durch eine Positionsregelung während der linearen und kontaktlosen Bewegung des Anbauteiles kann die Bearbeitungsdauer vermindert werden, da beispielsweise beim Lösen des Anbauteiles von dem Heizelement die Lösebewegung so kurz wie möglich gehalten werden kann. Auf diese Weise sind sowohl der Löseweg als auch der Anfahrweg des Anbauteiles insgesamt relativ kurz, wodurch die Bearbeitungsdauer verkürzt wird. Das positionsgeregelte Anfahren erleichtert auch die genaue Positionierung des Anbauteiles in seine Heizposition an dem Heizelement und anschließend in seine Schweißposition an dem Basisbauteil.
  • Vorzugsweise ist der Anbauteil-Antrieb ein Fluid-Antrieb, und besonders bevorzugt ein bidirektionaler pneumatischer Kolben-Zylinder-Antrieb. Ein derartiger Fluid-Antrieb ist grundsätzlich eine preiswerte Antriebslösung, die mit einem entsprechenden Sensor sowohl positionsgeregelt als auch kraftgeregelt betrieben werden kann. Hierzu kann dem Kolben-Zylinder-Antrieb ein proportionales Wegeventil zugeordnet sein.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt schematisch eine Kunststoffschweiß-Anordnung zum Kunststoffschweißen eines Kunststoff-Anbauteiles an ein Kunststoff-Basisbauteil.
  • In der Figur ist eine Kunststoffschweiß-Anordnung zum Kunststoffschweißen eines Kunststoff-Anbauteiles 12 an ein Kunststoff-Basisbauteil 14 dargestellt. Das Basisbauteil 14 kann beispielsweise ein Kraftstofftank für ein Kraftfahrzeug sein. Das Anbauteil 12 kann ein Kunststoffgehäuse aufweisen, das ein Roll-Quer-Ventil enthält, kann jedoch auch ein Einfüllrohr, eine Klammer oder ein anderes Kunststoff-Bauteil sein, das an das Basisbauteil 14 angeschweißt werden soll. Das Basisbauteil 14 und das Anbauteil 12 bestehen aus einem thermoplastischen Kunststoff.
  • Das Basisbauteil 14 wird durch einen Basisbauteil-Halter 16 während des gesamten Schweißvorganges ortsfest gehalten und erst nach dem Schweißvorgang von dem Halter 16 entfernt. Das Anbauteil 12 wird von dem als pneumatischer Greifer ausgebildeten Anbauteil-Halter 32 gehalten. Die Zuführung des Anbauteiles 12 kann manuell oder automatisch erfolgen.
  • Ein Anbauteil-Antrieb 20 ist ortsfest montiert und ist als bidirektionaler pneumatischer Kolben-Zylinder-Antrieb 22 ausgebildet. Der vertikale Kolben-Zylinder-Antrieb 22 weist einen Kolben 24 auf, der mit einem Kolben-Positions-Sensor 26 mechanisch gekoppelt ist. Die Kolbenstange 28 des Kolbens 24 trägt einen Kraftsensor 30, der wiederum den Anbauteil-Halter 32 hält, in den das Anbauteil 12 eingesteckt bzw. eingeklemmt ist. Dem Anbauteil-Antrieb 20 ist ferner ein proportionales Wegeventil 34 zugeordnet, das mit zwei Fluidleitungen mit den beiden Enden des Zylinders 38 verbunden ist, so dass der Kolben 24 bidirektional betrieben werden kann.
  • Der Kraftsensor 30 ist eine Kraftmessdose unmittelbar in der Schweiß-Axialen 11 und ist zwischen dem Anbauteil-Halter 32 und der Kolbenstange 28 des Kolben-Zylinder-Antriebes 22 angeordnet. Hierdurch wird eine sehr genaue Bestimmung der Andrück-Kraft möglich, wodurch wiederum die Regelung der Andrück-Kraft sehr genau erfolgen kann, wie dies in der Fachliteratur für das Kunststoffschweißen gefordert wird. Hierdurch wird ein exaktes Fügen und ein gutes Schweißergebnis realisiert.
  • Durch die Auslegung des Kraftsensors 30 sowohl für den positiven als auch für den negativen Wertebereich und dadurch, dass das proportionale Wegeventil 34 auf beide Zylinderkammern des Zylinders 38 wirkt, wird zusätzlich zu der Kraftregelung eine Gewichtskompensation insbesondere des Anbauteil-Halter-Gewichtes realisiert. Die Schweiß-Axiale 11 ist dadurch unabhängig von der räumlichen Orientierung der Anordnung 10.
  • Zur Steuerung und Regelung des Anbauteil-Antriebs 20 ist eine Antriebs-Steuerung 36 vorgesehen, die über Datenleitungen mit dem Kraftsensor 30 und dem Kolbenpositions-Sensor 26 und über eine Steuerleitung mit dem proportionalen Wegeventil 34 verbunden ist. Die Antriebs-Steuerung 36 ist als separate und autarke Steuerung ausgebildet und empfängt Arbeitsanweisungen von einer zentralen übergeordneten Anordnungs-Steuerung 37.
  • Ferner ist ein Heizelement 40 vorgesehen, das als ringförmiger oder plattenförmiger Heizkörper ausgebildet ist, dessen axiale Stirnseiten auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes des Basisbauteiles 14 bzw. des Anbauteiles 12 beheizt werden. Das Heizelement 40 weist hierzu integrierte elektrische Heizpatronen und einen Temperatursensor zur Regelung der Heizkörper-Temperatur auf.
  • Das Heizelement 40 wird von einem zweiachsigen Heizelement-Antrieb 42 gehalten und bewegt, der von einem linearen Vertikal-Antrieb 44 und einem radialen linearen Horizontal-Antrieb 46 gebildet wird. Die beiden Antriebe 44, 46 können als Fluid-Antriebe ausgebildet sein, können jedoch grundsätzlich auch mit Elektromotoren angetrieben sein. Als Fluid wird vorliegend Luft verwendet. Der Heizelement-Antrieb 42 dient dazu, das Heizelement 40 zwischen den Kontaktflächen 13, 15 des Anbauteiles 12 und des Basisbauteiles 14 in eine Schweißposition bringen zu können, die in der Figur dargestellt ist, oder aber in eine Ruheposition bringen zu können, in der das Heizelement 40 nicht mehr zwischen dem Basisbauteil 14 und dem Anbauteil 12 steht. Der Vertikal-Antrieb 44 des Heizelement-Antriebs 42 dient dazu, das Heizelement 40 entweder in einem sogenannten schwebenden Zustand halten zu können, in seiner Vertikalposition fixieren zu können oder aber vertikal von dem Basisbauteil 14 weg bewegen zu können.
  • Das Heizelement 40 wird stets auf einer einstellbaren konstanten Temperatur gehalten und wurde zu Beginn eines Arbeitszyklus durch den zweiachsigen Heizelement-Antrieb 42 in die Schweiß-Axiale 11 eingefahren, so dass sich das Heizelement 40 axial zwischen den Kontaktflächen 15 und 13 des Basisbauteiles 14 und des Anbauteiles 12 befindet, wie in der Figur dargestellt.
  • Der Vertikal-Antrieb 44 des Heizelement-Antriebes 42 wird in einem sogenannten schwebenden Zustand behalten, d. h. die gesamte Gewichtskraft des Heizelementes 40 und des Horizontal-Antriebes 46 wird durch den Vertikal-Antrieb 44 ungefähr kompensiert, wobei das Heizelement 40 in der Axialen 11 nahezu widerstandsfrei beweglich bleibt.
  • Der Anbauteil-Antrieb 20 wird nun positionsgeregelt nach oben bewegt, so dass das Anbauteil 12 mit seiner Kontaktfläche 13 auf das Heizelement 40 vertikal zu bewegt wird und dieses schließlich berührt. Die Positionsregelung erfolgt hierbei durch den Kolben-Positions-Sensor 26, die Antriebs-Steuerung 36 sowie das proportionale Wegeventil 34. Auch nachdem das Anbauteil 12 mit seiner Kontaktflä che 13 an das Heizelement 40 angeschlagen ist, wird die Schließbewegung des Anbauteil-Antriebes 20 positionsgeregelt fortgesetzt, so dass das Heizelement 40 von dem Anbauteil 12 auf der Axialen 11 auf das Basisbauteil 14 zu bewegt wird.
  • Kurz vor dem Anschlagen des Heizelementes 40 an die Kontaktfläche 15 des Basisbauteils 14 wird die Regelung des Anbauteil-Antriebes 20 auf eine kraftgeregelte Regelung umgestellt. Der Regelkreis wird nunmehr von dem Kraftsensor 30, der Antriebs-Steuerung 36 und dem proportionalen Wegeventil 34 gebildet. Die eingestellte Kraft kann eine konstante Kraft sein, kann jedoch auch ein zeitliches Kraftprofil aufweisen. Die Vorgabe der Andrück-Kraft erfolgt durch die übergeordnete Anordnungs-Steuerung direkt auf die Antriebs-Steuerung 36.
  • Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit wird das Anbauteil 12 aus seiner Heizposition durch den Anbauteil-Antrieb 20 zurück in eine Warteposition befördert. Nach Ablauf dieser eingestellten Heiz-Zeit sind die Kontaktflächen 13, 15 des Anbauteiles 12 und des Basisbauteiles 14 angeschmolzen. Der Antrieb 20 arbeitet beim Zurückfahren positionsgeregelt. Durch die Positionsregelung dieser Bewegung kann die Öffnungsbewegung des Anbauteiles 12 auf einen kleinen Weg beschränkt werden. Hierdurch wird die für den gesamten Bearbeitungszyklus erforderliche Zeit reduziert. Anschließend wird das Heizelement 40 durch den Vertikal-Antrieb 44 des Heizelement-Antriebes 42 von der Basisbauteil-Kontaktfläche 15 abgezogen.
  • Sobald das Heizelement 40 keine Berührung mehr mit dem Basisbauteil 14 und dem Anbauteil 12 aufweist, wird das Heizelement 40 durch den Horizontal-Antrieb 46 des Heizelement-Antriebes 42 aus der Axialen 11 vollständig herausgefahren, so dass das Anbauteil 12 nunmehr unmittelbar an das Basisbauteil 14 angesetzt werden kann. Hierzu wird der Anbauteil-Antrieb 20 positionsgeregelt in eine Schweißposition bewegt, d. h. es wird das Anbauteil 12 mit seiner Kontaktfläche 13 unmittelbar auf die Kontaktfläche 15 des Basisbauteiles 14 angesetzt.
  • Sobald sich die beiden Kontaktflächen 13, 15 berühren, wird der Anbauteil-Antrieb 20 kraftgeregelt betrieben, so dass das Anbauteil 12 mit einer definierten und von der zentralen Anordnungs-Steuerung vorgegebenen Kraft auf das Basisbauteil 14 bzw. seine Kontaktfläche 15 angedrückt wird. Hierbei gehen die noch angeschmolzenen Kontaktflächen 13, 15 miteinander eine stoffschlüssige flüssigkeits- und gasdichte Verbindung ein. Anschließend öffnet der Anbauteil-Halter 32 und fährt der Anbauteil-Antrieb 20 den Anbauteil-Halter 32 in eine Ladeposition, in der ein neues Anbauteil 12 von dem Anbauteil-Halter 32 aufgenommen werden kann.

Claims (8)

  1. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) zum Kunststoffschweißen eines Kunststoff-Anbauteiles (12) an ein Kunststoff-Basisbauteil (14), mit einem Heizelement (40), das zwischen das Basisbauteil (14) und das Anbauteil (12) einfahrbar ist, einem Anbauteil-Halter (32), der von einem Anbauteil-Antrieb (20) angetrieben wird, und einem Kraftsensor (30), der dem Anbauteil-Halter (32) zugeordnet ist.
  2. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (30) separat ausgebildet und zwischen dem Anbauteil-Halter (32) und dem Anbauteil-Antrieb (20) angeordnet ist.
  3. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebs-Steuerung (36) vorgesehen ist, die mit dem Kraftsensor (30) verbunden ist und den Anbauteil-Antrieb (20) kraftgeregelt ansteuert.
  4. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-Steuerung (36) autark ist und eine übergeordnete Anordnungs-Steuerung (37) vorgesehen ist, die Arbeitsanweisungen an die Antriebs-Steuerung (36) ausgibt.
  5. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbauteil-Antrieb (20) ein Fluid-Antrieb ist.
  6. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbauteil-Antrieb (20) ein bidirektionaler Kolben-Zylinder-Antrieb (22) ist.
  7. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kolben-Zylinder-Antrieb (22) ein proportionales Wegeventil (34) zugeordnet ist.
  8. Kunststoffschweiß-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbauteil-Antrieb (20) einen Positions-Sensor (26) zur positionsgeregelten Steuerung aufweist.
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