DE2136567A1

DE2136567A1 - Schweißverbindung von Teilen aus thermoplastischem Kunststoff und Verfahren zur Herstellung der Verbindung

Info

Publication number: DE2136567A1
Application number: DE19712136567
Authority: DE
Inventors: Ellis Howard Woodstock Conn. Paine (V.St.A.). B29d 3-02
Original assignee: Moldex Inc
Current assignee: Moldex Inc
Priority date: 1972-08-31
Filing date: 1971-07-22
Publication date: 1972-02-03
Also published as: US3819437A; GB1296301A; US3973064A

Description

PATENTANWÄLTE DR. HUGO WILCKEN - DIPL.-ING. THOMAS WILCKEN D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54

21. Juli 1971 Dr-W. /Wx.

Anmelder:

MOLDEXj ITJCj Wauregan, Connecticut (U,S..A.)

Schweißverbindung von Teilen aus thermoplastischem Kunststoff und "Verfahren zur Herstellung der Verbindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbindungsausführungen und insbesondere auf Verbindungen für orientiertes" ₃ thermoplastisches Material in Form von Lagen, Blättern, Streifen oder dgl._a welches schallverschweißt werden kann, um eine Verbindung zu bilden, die im wesentlichen die gleiche Dicke aufweist, wie das Ausganssmaterial .

Verbindungsausführungen für die Schallverschweißung von thermoplastischen Materiallagen sind bereits früher vorgeschlagen, wobei die benachbarten Kanten der thermoplastischen Lagen nur überlappt werden und die Schallenergie den überlappten Teilen zugeführt wird, um die Berührungsflächen der Lagen zu schmelzen und damit zu verursachen, daß das thermoplastische Material an der Berührungsfläche miteirian'lerverfließt und eine Schweißverbindung der Lagen bildet. Die sich bei schallverschweißten Verbindungen dieser Art ergebende Schwierigkeit besteht darin, daß die Verbindung in seitlicher Richtung verhältnismäßig schwach ist, d.h. in Richtung quer zur Verbindung und senkrocht zur maschinellen Herstellungsrichtung der Lagen,

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Lübeck (0451} 758 88, Privat: Dr. H. Wilclcen, Curau (04505) 210 · Dipl.-Ing. Th. Wllcken, LOback (0451) 2 51 59 Bankt Commerzbank A. G., FiI. Lübeck, Kto.-Nr. 39 0187 Postscheck. Hamburg 13B1 17

ΛΑΓΙ

wenn sie in einem üblichen; die Lagen herstellenden Walzverfahren gebildet werden. Die fertige Verbindung infolge des Verschmelzens des gesamten Material an der Berührungsfläche ist wesentlich dicker als die Dicke der Lagen selbst, so daß sich eine unebene Oberfläche der Lagen ergibt, und außerdem ist es wegen der glatten Oberflächen des Materials schwierig, eine gleichmäßige Überlappung entlang der Verbindungslänge während des SchweißVorganges aufrechtzuerhalten.

Bei anderen Versuchen zur Verbindung thermoplastischer Materiallagen ist vorgeschlagen worden, Klebstoffe zu verwenden, die der Berührungsfläche der sich überlappenden thermoplastischen Lagen zugeführt werden, um diese Lagen miteinander zu verbinden. Die Verwendung von Klebemitteln ist von Natur aus unordentlich bzw. nicht sauber und führt zu einem extrem langsamen Verfahren infolge der langen Zeit, die zur Vulkanisation bzw. zum Aushärten erforderlich ist. Wenn Wärme solchen Verbindungen während des Trocknungsprozesses zugeführt werden kann, so hat die Wärme die Tendenz, die Lagen zu defomleren oder sie aus ihrer Richtung zu bringen, so daß eine völlig ausgerichtete und gleichmäßig überlappte Verbindung nicht erreicht werden kann. Weiter hat die Auflösewirkung der Klebstoffe die Tendenz, die Verbindung sowohl in seitlicher als auch in Richtung der maschinellen Herstellung erheblich zu schwächen, und selbst wenn die Verbindung anfänglich etwa ausreichend oder annehmbar ist, wird sie mit dem Alter schwach urid brüchig werden. Welter verschlechtert das Ausweichen des Klebstoff-

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materials aus dem Verbindungsbereieh das Aussehen, wenn nicht sogar die Brauchbarkeit der Materlallage.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin eine verbesserte Verbindung zwischen thermoplastischen Gliedern bzw. Teilen zu schaffen. Weiter soll eine starke und gleichmäßige Verbindung zwischen Lagen aus orientiertem Nylon erzeugt werden. Weiter sieht die Erfindung ein Verfahren zur Schallverechweißung thermoplastischer Materiallagen vor und zur Formung einer Verbindung, deren Dicke im wesentlichen die gleiche ist, wie die der zu verschweißenden Lagen. Eine weitere AufgMabe der Erfindung besteht darin, eine Verbindung zwischen Lagen aus thermoplastischem Material zu schaffen, die im wesentlichen die gleiche seitliche Festigkeit der Verbindung hat, wie die Festigkeit der ursprünglichen Materiallagen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Lagen oder Streifen aus orientiertem Nylon hoher Dehnungsfestigkeit zusammenzuschweißen, ohne daß die gewünschten Merkmale der Lagen oder Streifen vermindert werden.

Die Erfindung besteht nun darin, daß benachbarte Kantenteile eines Lagenpaares aus thermoplastischem Material, z.B. orientiertem Nylon mit komplementären Flächenteilen hergestellt werden, die in der Lage sind, sich gegeneinander zu legen, sobald sich die Kanten überlappen. Von Jeder dieser Flächen ragt eine Anzahl längsverlaufender Rippenteile, die parallel zu den benachbarten Kante der Lage liegen. Diese Rippenteile dienen dazu, die Schall-

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energie zu konzentrieren, die auf die freien Seitenflächen der Kantenteile ausgeübt wird, um die Rippen an der Berührungsfläche der komplementären Flächen zu schmelzen und eine Schweißverbindung der Lagen herzustellen. Die zusammenzufügenden Flächen sind gegenüber den freien Seiten der Kantenteile geneigt, und die auf diese Weise hergestellte Verbindung besitzt im wesentlichen die gleiche Dicke als die thermoplastischen Ausgangslagen. Außerdem ist die Festigkeit der Verbindung ausreichend, um den maximalen Anforderungen im normalen Gebrauch zu genügen. Tatsächlich kann die Festigkeit der Verbindung in der allgemeinen Ebene der Lagen quer zu der Längsdimension der Schweißnaht im wesentlichen eben so groß sein wie die Festigkeit der Lagen selbst in dieser Richtung.

Die obigen und weitere Lösungen, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden nun in der folgenden Beschreibung anhand einer Ausführung nach der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen teilweisen Querschnitt der sich überlappenden Seitenkanten zweier fortlaufenden Lagen aus Nylon mit hoher Dehnungsfestigkeit in einer Stellung vor Herstellung der Schweißverbindung entsprechend der Erfindung,

Figur 2 einen gleichen Querschnitt der fertigen Verbindung

nach Anwendung von Schallschwingungen und nach Durchführung der Verschweißung,

Figur 3 eine Aufsicht auf die fertige Verbindung nach Figur 2, gesehen von der Linie 3 bis 3 der Figur 2.

Ausgehend von Figur 1 und 2 der Zeichnung ist der Verbindungsauf-

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bau 10 nach der Erfindung so ausgeführt, daß er die Seitenkanten zweier fortlaufender Lagen, Blätter, Streifen oder dgl. 12 und 14 aus orientiertem Nylon hoher Dehnungsfestigkeit verbindet, welche Lagen als Beispiel für zwei aneinanderstoßende bzw. benachbarte thermoplastische Lagen dienen, die längsverlaufende freie Kanten 16 und 18 besitzen. Diese orientierten Nylonlagen besitzen in typischer Weise eine Dehnungsfestigkeit in der maschinellen Her-

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Stellungsrichtung zwischen 70Q-kg pro cm bis 3150 kg pro cm und

2 etwa in der Querrichtung zwischen 700 kg pro cm und 800 kg pro

Jede Lage 12 und 14 hat eine Oberfläche 20 bzw. 21 und eine gegetn?- überliegende Unterfläche 22 bzw. 23, und diese Flächen liegen in den gleichen Ebenen nach Durchführung des Schweißvorganges, um eine planparallele Bahn oder Lage aus Material zu .bilden.

Die Lage 12 besitzt einen sich konisch verjüngenden Kantenteil 2k an der Kante 16, dessen Unterfläche die gerade Verlängerung j der Fläche 23 ist, und dessen Oberfläche ist mit 25 bezeichnet. ^! Der Kantenteil 24 besitzt bei 16 eine minimale Dicke und eine maximale Dicke an der Schulter 28 am übergang zur Oberfläche 21 '

der Lage 12. Die Lage 14 ist in gleiche Weise mit einem Kantenteil 26 ausgebildet, der die Flächen 20 und 27 besitzt und dessen minimale Dicke an der Kante 18 liegt, während die maximale Dicke

sich im Bereich der Schulter 30 der anschließenden Fläche 22 befindet. Die Summe der minimalen Dicke jedes Kantenteiles und die j

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maximale Dicke des anderen Kantenteiles Ist im wesentlichen gleich der Dicke der Lagen 12 und 14.

Der Kantenteil 24 besitzt drei parallele Rippen 32, 34 und J>6 entlang seiner Fläche 25, wobei die Rippe 32 der Kante 16 benachbart ist, während die Rippe 36 der Mittellinie 37 benachbart ist, während die Rippe 34 zwischen diesen Rippen 32 und 36 im gleichen Abstand von ihnen liegt. Der Kantenteil 26 besitzt identische Rippen 31 _s 33 und 35, die entsprechend angeordnet sind. Die Rippen besitzen Dreieckquerschnitt^ so daß jede Rippe mit ihrem Scheitel eine Kontaktlinie mit der geneigten Fläche des anderen Kantenteiles bildet, während die Seitenflächen der Rippen 35 und 36 sich auch in Anlage befinden, d.h. die beiden Flächen befinden sich im wesentlichen von Kante zur Kante und über die Länge der Kantentelle 34 und 36 In Berühming. Sobald die Lagen 12 und 14 so ausgerichtet sind, wie in Figur 1 gezeigt ist, befinden sich die Kantenteile in komplementärer Beziehung zueinander, und die

! Anlage der Seitenflächen der Rippen 35 und 36 sichert ein genaues

Ausrichten und eine gleichförmige Überlappung der Lagen. Die Kante

16 Ist durch die Schulter 30 und die Kante 18 durch die Schulter 28 ausgerichtet.

Zur Durchführung der Schallverschweißung werden die Lagen 12 und J in die Stellung nach Figur 1 gebracht, und ihre Kantenteile wer- j j den an einem Schallgeber vorbeigeführt, der den Flächen 20 und 23

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an der Verbindung Schwingungen hoher Frequenz zuführt. Eine solche Vorrichtung kann Schwingungen im Hörbereich oder darüber, d.h. im Ultraschallbereich erzeugen, z.B. Schwingungsfrequenzen, die für die Benutzung bei der Ausführung nach der Erfindung geeignet sind und in der Größenanordnung von 16.000 bis 30.000 Schwingungen pro Sekunde liegen. Es ist jedoch verständlich, daß der Ausdruck Schallschwingungen alle Schwingungen im Hörbereich oder Ultraschallbe- ) reich umfaßt, wie sich aus dem aufgeführten Prequenzbeispiel ergibt.

Sobald die Vibrationen der Kantenteile 2k und 26 gegeneinander in Schwingungen versetzt, wird die Schwingungsenergie entlang der Berührungslinie zwischen den Rippen und den gegenüberliegenden geneigten Flächen 25 und 27 konzentriert, und das Plastikmaterial wird über die Zonen dieser Linie verschmolzen und die Kantenteile werden miteinanderverschweißt. Das Material der Rippen zerfließt auf den Flächen 25 und 27 und ergibt Bänder von verschweißtem Material. Die Lagen 12 und Ik werden während des Schweißvorganges so gegeneinandergedrückt, daß die Flächen 2k und 25 in innige Berührung gelangen, und die geschmolzenen Rippen bilden verhältnismäßig breite Bänder aus verschweißtem thermoplastischem Material an der Berührungsfläche zwischen den Flächen_T Das durch die aneinander grenz enden Rippen 25 und 36 erzeugte Band ist etwas breiter als die Bänder, die durch die anderen Rippen erzeugt werden, da etwas mehr Material an der Mittellinie der Verbindung vorhanden ist. Nach Durchführung des Schweißvorganges besitzt die so herge-

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stellte Verbindung jedoch im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Dicke der Ausgangslagen 12 und 14.

Wie sich aus Figur 3 ergibt, verlaufen die Bänder 38, 40, 42, und 46, die durch die Rippen gebildet werden, in Längsrichtung parallel zu den Kanten 16 und 18 der Lagen und zwischen ihnen befinden sich nicht verschweißte Abschnitte. In typischer Weise nimmt der verschweißte Teil der Verbindung etwa 50 % des Bereichs der Überlappung zwischen den Flächen 25 und 27 der Verbindung ein.

Es wurde festgestellt, daß eine typische Verbindung nach der Erfindung eine Dehnungsfestigkeit aufweist, im allgemeinen von der Größenordnung derjenigen der Ausgangslagen, und zwar in der Längsrichtung der maschinellen Herstellungsrichtung der;:Lage, die durch den Pfeil L in Figur 3 angedeutet ist, d.h. eine Dehnungsfestigkeit

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zwischen 2400 kg pro cm und 3150 kg pro cm in der Richtung, in der die thermoplastischen Lagen aus dem Walzvorgang austreten. Außerdem beträgt die Dehnungfestigkeit in seitlicher oder Querrichtung (Pfeil T in Figur 3) etwas 80 % der Dehnungsfestigkeit der Ausgangslagen in dieser Richtung, d.h. eine Dehnungsfestig-

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keit zwischen 560 kg pro cm und 630 kg pro cm .

Bei der üblichen überlappungsverbindung der bekannten Art beträgt die seitliche oder Querfestigkeit der schallverechweißten Verbindungen im allgemeinen 50 % oder weniger als die tatsächliche Dehnungsfestigkeit des ursprünglichen Material in dieser Richtung.

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SAD ORIGINAL

Es Ist verständlich, daß die "Querfestigkeit der sehallversehweißten Verbindungen bei der Ausführung nach der vorliegenden Erfindung, wesentlich erhöht worden ist-

Wie oben erwähnt wurde, werden ibei der Verbindung der dargestellten -Ausführung ±m wesentllcheia 50 % der Bereiche der Flächen 25 • und 2? Biiteina-nderverschweißt. Es Ist jedoch Jeder Sehweißbereich gegenüber den Flächen 20 und 23-der Lagen geneigt. Spannungskräfte entlang der Linie des Pfeiles T unterwerfen jedoch die Schweißnaht Dehnurngsbelastungen als auch Seherbelastungen- Da die Dehnungsfestigkeit von verbundenen thermoplastischen Materialien wesentlich größer Ist als ihre Scherfestigkeit^, ergibt sich durch das Zusammenwirken von erheblich größeren Dehnungsfestigkeiten des Materials mit den Scherfestigkeiten in dem geneigten Verbindungsauf bau eine erhöhte Festigkeit der Verbindung.

Zusätzlich erzeugt die geneigte Ausführung der Schweißnähte einen , ; größeren Schweißbereich,als er bei einer Stoßnaht erzeugt würde. , Gegenüber einer Stoßnaht ist der Nahtbereich bei der dargestellten

! Ausführung insgesamt wesentlich größer, z.B. mehr als viermal so ; groß. Wenn andererseits arei Lagen nur überlappt werden und zur

. Bildung einer Verbindung verschweißt werden, ist der maximale j Verschweißungsbereich der Bereich der Überlappung, der immer ge- . j ringer ist als der Überlappungsbereich geneigter Flächen 25 und j 27. Es ist somit ersichtlich, daß nach der Erfindung geneigte .

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Schweißbereiche erzeugt und Dehnungsfestigkeiten als auch Scherfestigkeiten auf verhältnismäßig breiten Bereichen zur Anwendung kommen.

Verbindungen nach der Erfindung sind bei thermoplastischen Materiallagen, z.B. aus Nylon hergestellt worden, die eine Dicke zwischen den gegenüberliegenden Flächen 20 und 22 von etwa 0,5mm bis 1/75 mm besitzen, und dennoch wurden verhältnismäßig hohe Querfestigkeiten leicht erreicht. Die Verbindung nach der Erfindung und das Verfahren zur Herstellung derselben Ist leicht und bequem der Produktion von langen Lagen und Bändern aus thermoplastischem Material im fortlaufenden Verfahren anpaßbar_s da das Verfahren zur Verbindung der Lagen verhältnismäßig einfach ist und da die Rippenkanten, die gleichmäßig im Aufbau sind und paral- : IeI zu den Kanten des Materials liegen, bequem durch fortlaufende bzw. kontinuierliche R^ndel- und Walzvorgänge angeformt werden

können. Überdies besitzt die fertige Verbindung eine Dicke, die j im wesentlichen die gleiche ist, wie die der Ausgangsmateriallaj gen, so daß das fertige Produkt eine glatte und verhältnismäßig j gleichmäßige Fläche aufweist.

Nach der Erfindung kann neben dem erwähnten orientierten Nylon auch ein anderes Material zur Anwendung kommen, welches nach der Erfindung leicht und bequem zu verbinden ist, und es können verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Lösungsgedankens der Erfindung durchgeführt werden.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. HUGO WILCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEN

D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54

21. Juli 1971 Dr.W./Mü.

Anmelder:

MOLDEX₃ INC₃ Wauregan, Connecticut (U.S.A.)

Patentansprüche

ill Verfahren zur Schallverschweißung überlappender Kantenteile zweier Glieder oder Teile miteinander, insbesondere zweier Lagen aus thermoplastischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Rippe an mindestens einem der Kantenteile angeformt wird, daß die Kantenteile in Überlappung gebracht werden, wobei die Rippe oder Rippen auf einem oder beiden Kantenteilen dem anderen Kantenteil gegenüberliegen, und daß Schallenergie den überlappenden Teilen zugeführt wird, um das Material der Rippe oder der Rippen und der Fläche des gegenüberliegenden Kantenteiles zu schmelzen und damit eine Schweißnahtverbindung der Teile zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenteile mit komplementären geneigten Flächen versehen werden, die zu minimalen Dicken an den freien Kanten dieser Kantenteile konisch auslaufen, wobei die Rippe oder Rippen auf einer oder beiden geneigten Flächen angeformt werden, und daß die sich überlappenden Kantenteile während der Zufuhr von SChallenergie zusammengedrückt werden, um die geneigten Flächen der beiden Kantenteile dicht zusammenzubringen. 109886/1280

LObedc (M51) 7 58 88, Privat: Dr. H. Wilcken, Curau (04505) 210 · Dipl.-Ing. Th. Wllcken, Lübeck (0451J 2 51 59 Banki Commerzbank A. G., FiI. Lübeck, Kto.-Nr. 39 0187 Postscheck: Hamburg 1381 19

SAD ORfGfNAL
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Rippen an sich gegenüberliegenden Flächen der beiden Kantenteile angeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen mindestens zweier gegenüberliegender Rippen während der Zufuhr der Schallenergie zur Anlage gebracht werden, wodurch ein Ausrichten und ein gleichmäßiges überlappen der Kantenteile gewährleistet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rippen auf jeder der zugekehrten Flächen der Kantenteile angeformt werden, die im wesentlichen parallel zu den freien Kanten der Kantenteile verlaufen.
5. Verfahren zur Verbindung benachbarter Kantenteile zweier Lagen, Streifen, Folien oder dgl. aus thermoplastischem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich konisch verjüngende Kantenteile an den Lagen mit mindestens einer längsverlaufenden Rippe auf den Kantenteilen geformt werden, wobei jeder Kantenteil dort eine maximale Dicke besitzt, wo sich die übrigen Lagenteile ansetzen, und eine minimale Dicke an ihrer freien Kante aufweist, wobei die Summe der minimalen Dicke jedes Kantenteiles und die maximale Dicke des anderen Kantenteiles im wesentlichen gleich der Dicke jeder Lage ist.
6. Teil aus thermoplastischem Material mit einem Kantenteil, der mit einem komplementären Kantenteil eines zweiten Teiles aus thermoplastischem Material schallverschweißt ist, hergestellt

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nach dem Verfahren des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kantenteil von einer maximalen Dicke ausgehend von einer Übergangskante der sonstigen Fläche des Teiles zu einer minimalen Dicke entlang der freien Kante konisch verjüngt ausläuft und eine Fläche über diesen Kantenteil bildet, die gegenüber derjenigen Fläche des Kantenteiles, die die Außenfläche der Verbindung bildet,geneigt ist, sobald der Kantenteil mit dem komplementären Kantenteil des zweiten Teiles zusammengeschweißt ist und wobei mindestens eine Rippe auf der geneigten Fläche angeformt ist.
7. Teil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der geneigten Fläche mehrere Rippen angeformt sind, die im wesentlichen parallel zur freien Kante verlaufen.
8. Teil nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine erste Rippe in Nähe der längsverlaufenden Mittellinie der geneigten Fläche und eine weitere Rippe oder Rippen, die alle zwischen der . ersten Rippe und der freien Kante liegen. "<
9. Teil nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigte Fläche mit drei Rippen versehen ist. j

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10. Verbindungsaufbau aus zwei sich überlappenden Kantenteilen ausi ^! thermoplastischem Material, wobei die sich gegenüberliegenden ■ Flächen dieser Kantenteile mit einem scharfen Winkel zu den Außen-j flächen der Verbindung geneigt und nur im Abstand entlang der j

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Zonen miteinander schallverschweißt sind, die im wesentlichen parallel zu den Kanten der Kantenteile verlaufen.
11. Verbindungsaufbau aus zwei Lagen aus thermoplastischem Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Kantenteil von einer maximalen Dicke an ihrer Obergangskante der zugehörigen Lage zu einer minimalen Dicke an ihrer freien Kante konisch verjüngt ist, wobei die Summe der minimalen Dicke dieses Kantenteiles und die maximale Dicke des anderen Kantenteiles im wesentlichen gleich der Dicke der Lagen ist.

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