DE3833110C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verschweißen von thermoplastischen Werkstoffen mittels Wärmestrahlung gemäß dem Patentanspruch 1.

Das Schweißen als Fertigungsverfahren ist generell in Ver­ bindungsschweißen, bei dem Werkstoffe unlösbar vereinigt werden, und Auftragschweißen, bei dem ein Werkstoff be­ schichtet wird, unterteilbar. Entsprechend dieser Defini­ tion unterscheidet man weiterhin zwischen Schmelz- und Preßschweißen. So müssen beispielsweise beim Verbindungs­ schweißen die zu vereinigenden Werkstoffflächen auf Schweißtemperatur und ferner in innige Berührung gebracht werden. Während die metallischen Werkstoffe durch Schmelz- oder Preßschweißen miteinander vereinigt werden, findet das Vereinigen von thermoplastischen Kunststoffen unter Anwen­ dung von thermischer sowie mechanischer Energie statt. Die­ ses Preßschweißen geht im plastischen Zustand der Verbin­ dungsflächen des Kunststoffes innerhalb einer Schweißzone vor sich.

Aus der Literatur "Einführung in die Kunststoffverarbei­ tung" von G. Menges; Hanser-Verlag München, Wien 1979 ist ein Verfahren zum Verschweißen von thermoplastischen Werk­ stoffen bekannt, bei dem die Werkstoffe mit Hilfe eines Wärmestempels zusammengefügt werden. Bei dem Wärmestempel handelt es sich um einen entsprechend der Schweißnaht aus­ gebildeten teflonbeschichteten Metallstempel mit einer ein­ gebauten Heizwicklung. Durch impulsartiges Erwärmen des Wärmestempels bei gleichzeitiger Druckbeanspruchung der zu verbindenden Werkstoffe werden diese miteinander ver­ schweißt. Die Schweißenergie wird dabei durch Wärmeleitung auf die zu verbindenden Teile übertragen. Mit diesem als Heizelementschweißen bezeichneten Verfahren lassen sich die unterschiedlichsten thermoplastischen Werkstoffe miteinan­ der verbinden. Nachteilig ist es jedoch, daß für das Heiz­ elementschweißen ein relativ hoher apparativer Aufwand ein­ schließlich eines von der Entwicklungsdauer aufwendig her­ gestelltes Stempelwerkzeug erforderlich ist. Dieses gilt insbesondere dann, wenn man zu schnellen Schweißergebnissen kommen möchte. Darüber hinaus ist es für das Heizelement­ schweißen problematisch, daß der zu verschweißende Werk­ stoff sehr stark mechanisch und thermisch beansprucht wird. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn ein thermopla­ stischer Folienwerkstoff mit einem massiven thermoplasti­ schen Kunststoffteil zusammengefügt wird.

Aus der DD-84 474 ist eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Schweißen von Thermoplastfolien bekannt. Charakteristisch für die Vorrichtung ist eine sich bewegende, lichtdurchlässige Scheibe, auf der die zu verbindenden Folien gleichzeitig verschweißt und transportiert werden. Für den Schweißvorgang ist ein Lichtstrahler vorgesehen, dessen emittierte Lichtstrahlen von einer Optik fokussiert werden und dabei die lichtdurchlässige Scheibe durchstrahlen. Der Fokus des Lichtbündels liegt in der Schweißzone der zu verschweißenden Folien, wodurch diese auf Schweißtemperatur erwärmt werden. Darüber hinaus ist ein federnd aufgehängtes Andruckelement, beispielsweise eine Andruckrolle oder ein umlaufendes Band, vorgesehen, mit der der zum Verschweißen erforderliche Druck erzeugt wird. Um weiterhin das Verschweißen der Folien gezielt, bereichsweise durchführen zu können, ist auf der Schweißseite der lichtdurchlässigen Scheibe zur Abschirmung der Lichtstrahlen eine Abdeckung vorgesehen.

In der US-33 84 526 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Werkstoffen mit Hilfe von Wärmestrahlung beschrieben. Charakteristisch für das Verfahren ist es, das zwei auf einem elastisch gepolstertem Trägerelement übereinanderliegende, transluzente thermoplastische Werkstücke zum Verschweißen in ein ausgeweitetes Strahlungsfeld gebracht werden. Die transluzenten thermoplastischen Werkstücke werden darüber hinaus mit einer Andruckkraft auf die Oberfläche des Trägerelementes gedrückt und dabei im Bereich einer auf dem Trägerelement angeordneten, stark strahlungsabsorbierenden Schicht durch strahlungstechnische Vorgänge miteinander verschweißt. Die Vorrichtung zum Verschweißen der thermoplastischen Werkstücke enthält eine Strahlungseinrichtung mit einem Reflektor, die beide in einer bewegbar ausgeführten Andruckvorrichtung integriert sind, eine auf den thermoplastischen Werkstücken angeordnete, lichtdurchlässige Andruckplatte sowie das elastisch gepolsterte Trägerelement für die thermoplastischen Werkstücke mit der stark strahlungsabsorbierenden Schicht. Die für das Verschweißen notwendige Andruckkraft wird dabei von der Andruckvorrichtung über die Andruckplatte auf die miteinander zu verschweißenden, auf der Trägerplatte aufliegenden thermoplastischen Werkstücke übertragen. Um die zusammengedrückten, thermoplastischen Werkstücke in deren Kontaktebene zu verschweißen, werden die Werkstücke dem von der Strahlungseinrichtung emittierten, aufgeweiteten und auf das Trägerelement auftreffenden Strahlungsfeld solange ausgesetzt, bis das Verschmelzen der zu verschweißenden Werkstücke oberhalb der stark strahlungsabsorbierenden Schicht einsetzt.

Darüber hinaus ist aus der DE-17 79 656 eine Vorrichtung zum Schweißen thermoplastischer Folien bekannt. Charakteristisch für die Vorrichtung sind zwei auf zwei Vorratsrollen aufgerollte bahnförmige Folien, die in einem durch zwei gegeneinanderlaufende Walzen gebildeten Keil sowohl angedrückt als auch vorgeschoben werden. Zum Verschweißen der thermoplastischen Folien wird die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung über ein Spiegelsystem ein in seiner Form dem Keil angepaßtes dünnwandiges Materialstück hoher Wärmeleitfähigkeit zugeführt. Das dünnwandige Materialstück ist auf der der Strahlungsquelle zugewandten, aufgerauhten Innenfläche strahlungsabsorbierend, während die den Folien zugewandte, hochglanzpolierte Außenfläche strahlungsreflektierend ist. Das aus einem elastischen, verschleißfesten und säurebeständigen Werkstoff hergestellte Materialstück ist bis zum Schleifkontakt an die in den Keil vorbeilaufenden Folien heranführbar. Dadurch kann die von dem Materialstück absorbierte Wärme optimal auf das thermoplastische Folienmaterial übertragen und somit eine Schweißverbindung hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Verschweißen von thermoplastischen Werkstoffen anzugeben, bei der ein geringerer apparativer Aufwand erforderlich ist und die andererseits bei geringerer mechanischen und thermischen Belastung der Schweißpartner schnellere Schweißergebnisse liefert sowie kostengünstiger und bedienungsfreundlicher ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung zum Verschweißen von thermoplastischen Werkstoffen mittels Wärmestrahlung durch die in dem Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Lösung zeichnet sich danach insbesondere dadurch aus, daß ein erstes und zweites thermoplastisches Werkstück bei geringer mechanischer und thermischer Belastung unter einer federnden Andruckkraft durch ein energiereiches Infrarot- Strahlenbündel miteinander verschweißt wird. Als Material für die thermoplastischen Werkstücke, insbesondere beim Herstellen von Tintenbehältern, wird vorzugsweise eine ela­ stisch ausgebildete, transparente Kunststoffolie bzw. ein massiv ausgebildeter, strahlungsabsorbierender Kunststoff verwendet. Darüber hinaus zeichnet sich die Lösung durch die Verwendung eines transparenten Andruckelementes und ei­ ner reflektierenden Blende aus, mit denen zur Bildung einer Schweißnaht das von der Strahlungseinrichtung emittierte Infrarot-Strahlenbündel in der Schweißebene im Bereich au­ ßerhalb der Schweißnaht zwischen den beiden thermoplasti­ schen Werkstücken ausgeblendet wird und die unmittelbar auf dem ersten thermoplastischen Werkstück angeordnet sind. Für das transparente Andruckelement wird vorzugsweise ein span­ nungsarmer Glaswerkstoff mit guten Transmissionseigenschaf­ ten im Infrarotbereich verwendet, während die reflektieren­ de Blende in vorteilhafter Weise aus Titan oder einer Chrom-Nickel-Verbindung aufgebaut ist. Darüber hinaus läßt sich das transparente Andruckelement mit der reflektieren­ den Blende unmittelbar verbinden. Durch die glatte Oberflä­ che des transparenten Andruckelementes ergibt sich ferner eine glatte, glänzende Schweißnaht, bei der beim Ausformen der thermoplastischen Werkstücke nach dem Schweißvorgang keine Haftungsprobleme mit dem Andruckelement auftreten. Die Lösung zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß sehr komplizierte, ebene Konturen schnell und kostengünstig ge­ schweißt werden können, wobei die jeweilige Schweißkontur durch Austauschen des Andruckelementes und der reflektie­ renden Blende ohne großen zeitlichen Aufwand geändert wer­ den kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Infrarot-Schweißvor­ richtung,

Fig. 2 die Temperaturverteilung des Infrarotschweißens in bezug zum Heizelementschweißen über die Dicke der zu ver­ schweißenden thermoplastischen Werkstoffe,

Fig. 3 in einer Explosionsdarstellung eine Infrarot-Schweiß­ vorrichtung für Tintenbehälter,

Fig. 4 in einer Prinzipdarstellung die Fokussierung der In­ frarotstrahlen auf eine Schweißfläche,

Fig. 5 die transmittierte und reflektierte Infrarotstrahlung einer für den Schweißvorgang richtig beschichteten, mit ei­ ner Reflexionsschicht versehenen Spiegelmaske,

Fig. 6 die transmittierte und reflektierte Infrarotstrahlung einer für den Schweißvorgang falsch beschichteten, mit ei­ ner Reflexionsschicht versehenen Spiegelmaske,

Fig. 7 einen Tintenbehälter mit drei Flüssigkeitskammern,

Fig. 8 einen Tintenbehälter mit einer Flüssigkeitskammer.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zum Infrarotschweißen von thermoplastischen teilkristallinen Werkstoffen. Ausgangsmaterial für den Schweißvorgang sind ein auf einer ortsfesten Plattform 6 aufliegendes thermopla­ stisches teilkristallines Werkstück 3 der Dicke d2 und ein weiteres aufgeschichtetes thermoplastisches teilkristalli­ nes Werkstück 2 der Dicke d1, die in der Schichtungsebene, im folgenden auch Schweißebene genannt, an vorgegebenen Schweißflächen miteinander verschweißt werden sollen. Da­ zu ist auf dem thermoplastischen Werkstück 2 ein spannungs­ armes Andruckglas 12, beispielsweise ein für thermische und mechanische Belastungen geeignetes Tempax-Tafelglas aus Bo­ rosilikat, der Dicke d0 angeordnet, wo es mit einer Andruck­ kraft F gleichmäßig auf das thermoplastische Werkstück 2 gedrückt wird. Die Notwendigkeit dieser Andruckkraft F er­ klärt sich aus der schweißtechnischen Praxis von Kunststof­ fen. So ist wegen der relativ hohen dynamischen Viskosität der Kunststoffe, beispielsweise η<10⁴ cP, beim Schweißen ein bestimmter Druck erforderlich. Dieses ist darauf zu­ rückzuführen, daß für das Verschweißen von teilkristallinen Thermoplasten diese bis zu einer Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur erwärmt werden müssen. Da der Kunststoff in diesem plastischen Zustand auseinanderfließt, ist ein gewisser Druck erforderlich, um das Ineinanderflie­ ßen bzw. Verschweißen der Grenzflächen zu erreichen. Dieser Schweißdruck darf aber auch andererseits nicht zu stark sein, da ansonsten beim Wegdrücken der Schmelze die Festig­ keit der Schweißnaht verringert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das thermoplastische Werkstück 2 als Kunststoffolie ausgebildet ist. Darüber hinaus muß beim Aufbringen der Andruckkraft F berücksichtigt werden, daß beim Abkühlen des Kunststoffes ein Volumenschwund eintritt, der durch entsprechende Maßnahmen ausgeglichen werden muß. Hierzu böte sich beispielsweise eine federnde Andruckkraft F an.

Oberhalb des Andruckglases 12 ist in einem Abstand z1 eine Halogenglühlampe 41 angeordnet. Diese Halogenglühlampe 41 ist mit einer Spannungsquelle 5 elektrisch verbunden, die durch Anlegen einer Spannung U der Halogenglühlampe 41 ei­ nen Strom I aufzwingt. Die Halogenglühlampe 41 wandelt die­ sen Strom I in einen proportionalen Strahlungsfluß Φ um. Die von der Halogenglühlampe 41 emittierte Strahlung ge­ langt unter einen Raumwinkel Ω auf die Oberfläche des An­ druckglases 12.

Im Unterschied zum Heizelementschweißen, wo der Energie­ transport durch Wärmeleitung erfolgt, wird beim Infrarot­ schweißen die für das Schweißen notwendige Energie mittels Wärmestrahlung zugeführt. Die von der Halogenglühlampe 41 abgegebene Strahlungsenergie wird von dem Andruckglas 12 und den beiden thermoplastischen Werkstücken 2, 3 entspre­ chend dem jeweiligen Reflexions-, Absorptions- und Trans­ missionsgrad in Wärme umgewandelt. Für die Selektion des für den Schweißvorgang geeigneten Andruckglases 12 und der beiden thermoplastischen Werkstücke 2, 3 sowie für die Be­ rechnung der jeweiligen optischen Eigenschaften ist die Be­ ziehung nach dem Energieerhaltungssatz, daß die Summe der Reflexions-, Absorptions- und Transmissionsenergie in bezug zur Strahlungsenergie der Halogenglühlampe 41 gleich 1 ist, anzuwenden.

In Fig. 2 ist gemäß der Darstellung in Fig. 1 die Temperatur­ verteilung der am Schweißprozeß beteiligten Bauteile sowohl für das Infrarotschweißen (IR) als auch für das Heizele­ mentschweißen (HE) dargestellt. Dieser qualitativen Dar­ stellung kann unmittelbar entnommen werden, daß beginnend bei einer Raumtemperatur ϑ1 die maximale Erwärmung beim Infrarotschweißen direkt in der Schweißebene bei einer Schweißtemperatur ϑ2 auftritt, während beim Heizelement­ schweißen die maximale Erwärmung an der Oberfläche des thermoplastischen Werkstückes 2 bei einer Temperatur ϑ3 unterhalb einer Zersetzungstemperatur ϑzer des Kunststoffes auftritt. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich mit dem In­ frarotschweißen insbesondere schnellere Schweißergebnisse erzielen als beim Heizelementschweißen. Die Güte der Schweißung beim Infrarotschweißen ist darüber hinaus im einzelnen von der Schweißtemperatur, der Einwirkdauer der Schweißtemperatur, der Temperaturverteilung in der Schweiß­ ebene, dem Schweißdruck und dem Abkühlvorgang abhängig. Die Schweißtemperatur wiederum ist auf die Leistung der Halo­ genglühlampe 41, den Verlusten im Strahlengang, den opti­ schen Eigenschaften der miteinander zu verschweißenden thermoplastischen Werkstücke 2, 3 und den Abstand z1 zwi­ schen dem Andruckglas 12 und der Halogenglühlampe 41 zu­ rückzuführen.

Die Fig. 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung den prinzi­ piellen Aufbau einer Infrarot-Schweißvorrichtung für Tin­ tenbehälter. Die Schweißvorrichtung besteht dazu im wesent­ lichen aus einer Andruckvorrichtung 1 und einer Schweißlam­ pe 4. Um im folgenden das Zusammenwirken der einzelnen Be­ standteile der Andruckvorrichtung 1 im Zusammenhang mit dem Verschweißen der thermoplastischen Werkstücke 2, 3 erläu­ tern zu können, sind die einzelnen Bestandteile der An­ druckvorrichtung 1 explosionsartig dargestellt. Charakteri­ stisch für den Aufbau der Andruckvorrichtung 1 ist eine Grundplatte 10, auf der eine Aufnahmevorrichtung 11 für die thermoplastischen Werkstücke 2, 3 mittig lösbar befestigt ist. Die gegenüber der Grundplatte 10 kleinere Aufnahmevor­ richtung 11 ist derart ausgebildet, daß die Werkstücke 3 im Bereich der Schweißnaht bzw. Schweißnähte eine Auflage er­ fahren. Die weitere Ausgestaltung der Aufnahmevorrichtung 11 richtet sich danach, wie die miteinander zu verschwei­ ßenden thermoplastischen Werkstücke 2, 3 geformt sind. Mit der in Fig. 3 dargestellten Schweißvorrichtung soll bei­ spielsweise ein Tintenbehälter, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, für die drei Tintenfarben gelb, cyanblau und magenta­ rot hergestellt werden. Typisch für einen derartigen Tin­ tenbehälter sind ein schwarzer Grundkörper 3 aus Lupolen der HDPE-Gruppe (HDPE: High-Density-Polyethylen) mit einer glänzenden Oberfläche sowie einem kristallinen Anteil von 90% und eine naturfarbene, transparente Membranfolie 2 aus Lupolen der LDPE-Gruppe (LDPE: Low-Density-Polyethylen) mit einer matten Oberfläche sowie einem kristallinen Anteil von ca. 60%. Während der Grundkörper 3 im Bereich der Schweiß­ naht 1,5 mm dick ist, weist die zweifach geschichtete und darüber hinaus elastisch ausgebildete Membranfolie 2 eine Gesamtdicke von 200 µm auf. Der Grundkörper 3 wird im Spritzguß hergestellt und enthält im wesentlichen ein an zwei sich gegenüberliegenden Seiten offen ausgebildetes quaderförmiges Basisteil 32 mit einem Hohlraum 320, der durch zwei in einem äquidistanten Abstand voneinander ange­ ordnete Trennwände 31 in drei gleichgroße Tintenkammern 30 unterteilt wird. Um die Tintenkammern 30 noch zu vergrö­ ßern, schließt sich an einer offenen Seite des quaderförmig ausgebildeten Basisteils 32 jeweils ein im Querschnitt U-förmig ausgebildetes, an den Stirnflächen geschlossenes Formteil 33 an. Auf der gegenüberliegenden offenen Seite des quaderförmigen Basisteils 32 ist eine von der Deckflä­ che des Basisteils 32 abstehende Umrandung 34 vorgesehen. Mit dieser Umrandung 34 ist gleichzeitig auch die doppelt beschichtete, elastisch ausgebildete Membranfolie 2 umfaßt, die vor dem Einsetzen des Grundkörpers 3 in die Aufnahme­ vorrichtung 11 auf das Basisteil 32 gelegt wird. Die Mem­ branfolie 2 weist dazu entsprechend der Anordnung der Tin­ tenkammern 30 in dem Grundkörper 3 flexible Wölbungen 20 auf, die beim Aufbringen der Membranfolie 2 auf den Grund­ körper 3 in die Tintenkammern 30 eintauchen. Die Umrandung 34 dient als Auslaufschutz der Tintenflüssigkeit für den Fall, daß die mit dem Grundkörper 3 verschweißte Membranfo­ lie 2 bei der Verwendung der Tintenbehälter in Tintendruck­ einrichtungen mit der Zeit verschleißt und tintendurchläs­ sig wird.

Beim Einsetzen des Grundkörpers 3 in die Aufnahmevorrich­ tung 11 zusammen mit der Membranfolie 2 wird der Grundkör­ per 3 zuerst mit den U-förmig ausgebildeten Formteilen 33 in einen dafür vorgesehenen Schacht 110 der Aufnahmevor­ richtung 11 eingeführt. In den Schacht 111 sind drei zuein­ ander parallel verlaufende Rippen 111 derart angeordnet, daß der eingesetzte Grundkörper 3 mit der Unterkante des Basisteils 32 und den Trennwänden 31 auf den Rippen 111 aufliegend, eine bündige Oberfläche mit der Aufnahmevor­ richtung 11 bildet und die Schweißnaht unterstützt. Auf der Aufnahmevorrichtung 11 wird anschließend ein doppelschich­ tiges, stempelartig ausgebildetes Andruckglas 12 verwendet. Der doppelschichtige Aufbau des Andruckglases 12 mit einem Paßteil 120 und einem Auflageteil 121 ist auf die Umrandung 34 des Grundkörpers 3 zurückzuführen. Das Paßteil 120 ist auf einer Klebefläche 701 des Auflageteiles 121 mittels ei­ nes Einkomponentenklebers befestigt und dabei so bemessen, daß es die von der Umrandung 34 eingefaßte Deckfläche des Grundkörpers 3 ganzflächig bedeckt. Um den Strahlengang der Infrarotstrahlung beim Übergang zwischen dem Auflageteil 121 und dem Paßteil 120 nur geringfügig zu beeinflussen und damit die optischen Verluste so klein wie möglich zu hal­ ten, bietet sich das Kleben als Verbindungstechnik bei ei­ ner Verschlechterung des Transmissionsgrades von 0,8 auf 0,7 an. Damit das Auflageteil 121 mit einer Auflagefläche 700 auf der Aufnahmevorrichtung 11 plan aufliegt, ent­ spricht die Dicke des Paßteils 120 der Höhe der Umrandung 34. Das Auflageteil 121 des Andruckglases 12 ist darüber hinaus so dimensioniert, daß es mit den Kanten der Aufnah­ mevorrichtung 11 bündig abschließt. Um im folgenden die Membranfolie 2 und den Grundkörper 3 zu einem Tintenbehäl­ ter mittels Infrarotstrahlung verschweißen zu können, ist das Paßteil 120 auf der dem Auflageteil 121 abgewandten Seite mit einer Reflexionsschicht 122 versehen. Die Refle­ xionsschicht 122 ist dabei so strukturiert, daß ein Ver­ schweißen der Membranfolie 2 auf dem Grundkörper 3 an dafür vorgesehenen Stellen erfolgt. Die Reflexionsschicht 122 ist ferner auf der Auflagefläche 700 des Auflageteils 121 auf­ gebracht, um insbesondere die Umrandung 34 und die Aufnah­ mevorrichtung 11 vor den Infrarotstrahlen der Schweißlampe 4 zu schützen. Wird jedoch, statt der Reflexionsschicht 122 eine Absorptionsschicht verwendet, so kommt es infolge der dadurch auftretenden starken Erwärmung des Andruckglases 12 im Bereich der Absorptionsschicht zu Kontaktschweißungen, die unerwünscht sind. Ein mit der Reflexionsschicht 122 in der beschriebenen Weise versehenes, stempelartig aufgebau­ tes spannungsarmes Andruckglas 12 wird als Spiegelmaske be­ zeichnet. Als Material für die Reflexionsschicht 122 wird Aluminium verwendet, das auf einer 1 µm dicken Titan-Zwi­ schenschicht abgeschieden wird und im Infrarot-Bereich noch 85% der einfallenden Strahlung reflektiert. Neben Alumi­ nium kann aber auch Silber als Material für die Reflexions­ schicht 122 verwendet werden. Das vom Reflexionsvermögen bessere jedoch wesentlich teurere Silber hat wie Aluminium den Nachteil, daß es sehr anfällig gegen Kratzer und Fin­ gerabdrücke ist. Es ist deshalb zweckmäßig, für die Refle­ xionsschicht 122 Materialien zu verwenden, die eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen, wie beispielsweise CrNi- Verbindungen oder Titan. Bei der Verwendung von Silber oder Aluminium besteht alternativ die Möglichkeit, die Refle­ xionsschicht 122 vor Abrieb mit einer SiO₂-Schicht zu schützen.

Zum Schutz gegen mechanische Beschädigung wird auf dem als Spiegelmaske ausgebildeten Andruckglas 12 anschließend zu­ nächst ein Gummirahmen 13 und danach zum Aufbringen der An­ druckkraft F ein Andruckrahmen 14 positioniert. Das Posi­ tionieren erfolgt über vier Rändelschrauben 15, die in je­ weils vier rechteckförmig angeordneten Durchtrittsöffnungen 130 bzw. 140 durchsteckbar und längs des Andruckglases 12 und der Aufnahmevorrichtung 11 in Gewindebohrungen 100 der Grundplatte 10 verschraubbar sind. Durch gleichmäßiges An­ ziehen der Rändelschrauben 15 wird somit eine einheitliche Flächenpressung zwischen der Membranfolie 2 und dem Grund­ körper 3 insbesondere im Bereich der Schweißnaht erzielt. Darüber hinaus sind die Rändelschrauben 15 jeweils mit ei­ ner um den Schraubenschaft angeordneten Schraubenfeder 16 versehen.

Durch den federnden Andruck des als Spiegelmaske ausgebil­ deten Andruckglases 12 wird gewährleistet, daß die durch die Infrarotstrahlung plastifizierten Grenzschichten der Membranfolie 2 und des Grundkörpers 3 in der Schweißebene ineinanderfließen. Die gleichmäßige Flächenpressung zwi­ schen der Membranfolie 2 und dem Grundkörper 3 ist eben­ falls unerläßlich für ein gutes Schweißergebnis. So hängt die Güte der Schweißung maßgeblich von der gleichmäßigen Verteilung des Schweißdruckes auf der gesamten Schweißnaht ab. Damit sich infolge von Lufteinschlüssen in der Schweiß­ ebene keine Löcher in der Membranfolie 2 bilden, sind zur Unterstützung der Schweißnaht in der Aufnahmevorrichtung 11 die Rippen 111 angeordnet.

In der Mitte des Gummirahmens 13 und des Andruckrahmens 14 ist jeweils eine rechteckförmige Öffnung 131 bzw. 141 ein­ gelassen. Die Abmessungen der Öffnungen 131, 141 ergeben sich einerseits aus der Querschnittsfläche des Schachtes 110 der Aufnahmevorrichtung 11 und andererseits aus der Ab­ strahlcharakteristik der Schweißlampe 4. Die elektrische Leistung bezieht die Schweißlampe 4 aus einer Spannungs­ quelle 5, bei der durch Anlegen einer Spannung U der Schweißlampe 4 ein Strom I aufgezwungen wird. Als Schweiß­ lampe 4 wird ein Halogen-Infrarot-Reflektorstrahler verwen­ det, der einen dem Strom I proportionalen Strahlungsfluß Φ erzeugt. Der Strahler besteht aus einer Halogenglühlampe 41 und einem Infrarot-Ellipsoid-Reflektor 40. Die Halogenglüh­ lampe 41 ist umgeben von dem Infrarot-Ellipsoid-Reflektor 40 mit diesen zusammen an einer Lampenhalterung 42 befe­ stigt. Die Abstrahlcharakteristik der Schweißlampe 4 ergibt sich aus zwei Brennpunkten f1, f2 des Infrarot-Ellipsoid- Reflektors 40. Im ersten Brennpunkt f1 ist eine Lampenwen­ del 410 der Halogenglühlampe 41 angeordnet, während der zweite Brennpunkt f2 im Arbeitspunkt der Infrarot-Schweiß­ vorrichtung liegt. Die Lage dieses Arbeitspunktes läßt sich durch Bewegen der Schweißlampe 4 in z-Richtung verändern. Als Bezugsgröße für die Festlegung des jeweiligen Arbeits­ punktes ist der Abstand z1 zwischen der Unterkante des halbkreisförmig ausgebildeten Infrarot-Ellipsoid-Reflektors 40 und der Deckfläche des als Spiegelmaske ausgebildeten Andruckglases 12, im folgenden auch als Schweißabstand be­ zeichnet, definiert. Um innerhalb kürzester Zeit eine maxi­ male Erwärmung in der Schweißebene zwischen der Membranfo­ lie 2 und dem Grundkörper 3 zu gewährleisten, sollte der Schweißabstand z1 unter Berücksichtigung der Brechungsei­ genschaften des als Spiegelmaske ausgebildeten Andruckgla­ ses 12 so gewählt werden, daß die Brennebene mit der Schweißebene zusammenfällt. Für die Halogenglühlampe 41 der Infrarot-Schweißvorrichtung beträgt die maximal erzielbare Strahlungsflußdichte im Arbeitspunkt ca. 140 W/cm². Da eine konstante Schweißtemperatur nur in unmittelbarer Umgebung des Brennpunktes bzw. Arbeitspunktes vorliegt, ergeben sich hieraus für die gleichmäßige Erwärmung des Schweißbereiches Begrenzungskriterien an die Breite einer Schweißnaht. Für den Fall, daß die Schweißlampe 4 ohne zusätzliche Optiken benutzt wird, ist nur noch ein Konturschweißen für Kontur­ breiten kleiner als 6 mm möglich. Das Schweißen einer Kon­ tur erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen dem Brenn­ punkt f2 und den in der Andruckvorrichtung 1 eingespannten, miteinander zu verschweißenden thermoplastischen Werkstüc­ ken 2, 3 entlang der durch die Reflexionsschicht 122 auf dem Andruckglas 12 festgelegten Kontur. Realisiert wird diese Relativbewegung durch Verschieben der Andruckvorrich­ tung 1 mit einer vorgegebenen Schweißgeschwindigkeit in x- und y-Richtung. Liefert die Schweißlampe 4 hingegen mittel­ bar oder unmittelbar über dem gesamten Schweißbereich eine konstante Strahlungsflußdichte, so ist die Relativbewegung zwischen der Andruckvorrichtung 1 und der Schweißlampe 4 überflüssig.

In Fig. 4 ist in Bezug zu Fig. 3 der Verlauf von der Schweiß­ lampe 4 emittierten Strahlung durch das im Schweißabstand z1 von der Schweißlampe 4 entfernte Andruckglas 12 bis zur Fokussierung auf eine Schweißfläche A in der Schweißebene zwischen der Membranfolie 2 und dem Flaschenkörper 3 darge­ stellt. Berücksichtigung findet hierbei der Brechungsein­ fluß zwischen dem Medium Luft und dem Auflageteil 121 des Andruckglases 12 und der Brechungseinfluß infolge der Kle­ beschicht zwischen dem Auflageteil 121 und dem Paßteil 120. Letzterer ist wegen der geringen Schichtdicke des Einkompo­ nentenklebers von maximal 0,2 mm bei einem Brechungsindex von n=1,472 für das Andruckglas 12 sowie einem Brechungs­ index n=1,59 für den Einkomponentenkleber zu vernachläs­ sigen. Wegen unterschiedlicher Dicken des Andruckglases 12 ergibt sich somit für einen Tintenbehälter gemäß Fig. 7 ein Schweißabstand von 13,4 mm, während für einen Tintenbehäl­ ter gemäß Fig. 8 der Schweißabstand z1 11,5 mm beträgt. Die Fig. 4 zeigt außerdem im Zusammenhang mit der Fig. 5 und 6 das Problem auf, das entsteht, wenn beim Aufbringen der Re­ flexionsschicht 122 auf das Auflageteil 121 und das Paßteil 120 auf eine ausreichende Abdeckung der Tintenkammern 30 im Bereich der Schweißfläche A verzichtet wird. Wird bei­ spielsweise die Reflexionsschicht 122 in diesem Bereich zu knapp ausgelegt, so besteht die Gefahr, daß die Membranfo­ lie 2 mit dem inneren Wannenrand der Tintenkammer 30 ver­ schmilzt. Dieses hat zur Folge, daß sich entweder der ef­ fektive Tintenraum verkleinert oder aber die Membranfolie 2 durchbrennt. In Fig. 5 ist hierzu im Unterschied zu Fig. 6 eine auf dem Paßteil 120 des Andruckglases 12 richtig strukturierte Reflexionsschicht 122 dargestellt, ohne daß es zu einem Verschmelzen der Membranfolie 2 mit dem inneren Wannenrand der Tintenkammer 30 des Grundkörpers 3 kommen kann.

In Fig. 7 ist ein aus der Membranfolie 2 und dem Grundkörper 3 mit der beschriebenen Infrarotschweißvorrichtung herge­ stellter Tintenbehälter mit drei Tintenkammern 30 für un­ terschiedliche Tintenfarben dargestellt.

In Fig. 8 ist ein aus der Membranfolie 2 und dem Grundkörper 3 mit der beschriebenen Infrarot-Schweißvorrichtung herge­ stellter Tintenbehälter mit einer Tintenkammer 30 darge­ stellt. Für beide Tintenbehälter-Varianten ergeben sich für das Konturschweißen, bei dem die Andruckvorrichtung 1 rela­ tiv zur Schweißlampe 4 bewegt wird, folgende in einer Ta­ belle zusammengefaßten Schweißparameter:

Claims (11)

1. Anordnung zum Verschweißen von thermoplastischen Werk­ stoffen mittels Wärmestrahlung mit folgenden Merkmalen:

• a) ein erstes und zweites thermoplastisches Werkstück (2 bzw. 3) sind auf einer Aufnahmevorrichtung (11) überein­ ander geschichtet angeordnet, die die thermoplastischen Werkstücke (2, 3) im Bereich einer Schweißnaht unterstützt,
• b) eine Strahlungseinrichtung (4) ist auf einer optischen Verbindungslinie zum thermoplastischen Werkstück (2) an­ geordnet,
• c) zum Festlegen der Schweißnaht ist eine Spiegelmaske (12, 122) vorgesehen, die ein transparentes, mehrschichtig stempelartig ausgebildetes Andruckelement (12) und eine dem ersten thermoplastischen Werkstück (2) zugewandte reflektierende Blende (122) aufweist,
• d) die Spiegelmaske (12, 122) ist in einem Schweißabstand (z1) zwischen der Strahlungseinrichtung (4) und dem thermoplastischen Werkstück (2) unmittelbar auf diesem angeordnet und
• e) für den Schweißvorgang ist eine realtiv zur Strahlungs­ einrichtung bewegbare Andruckvorrichtung (1) vorgesehen, die die thermoplastischen Werkstücke (2, 3) auf der Auf­ nahmevorrichtung (11) mit einer federnden Andruckkraft (F) gleichmäßig zusammendrückt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die reflektierende Blende (122) aus Aluminium mit einer Siliziumdioxid-Schutzschicht sowie einer Zwischenschicht aus Titan zwischen dem Alumi­ nium und dem Glas aufgebaut ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die reflektierende Blende (122) aus Silber mit einer Siliziumdioxid-Schutzschicht so­ wie einer Zwischenschicht aus Titan zwischen dem Silber und dem Glas aufgebaut ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die reflektierende Blende (122) aus einer Chrom-Nickel-Verbindung aufgebaut ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die reflektierende Blende (122) aus Titan aufgebaut ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlungseinrichtung (4) aus einer Halogenglühlampe (41) und einem Infrarot-El­ lipsoid-Reflektor (40) besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Gummi­ rahmen vorgesehen ist, der das Andruckelement (12) gegen mechanische Beschädigungen schützt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die An­ druckvorrichtung (1) auf einem Kreuztisch befestigt und von einem Schrittmotor antreibbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die An­ druckvorrichtung (1) eine Grundplatte (10) enthält, auf der die Aufnahmevorrichtung (11) mit den thermoplastischen Werkstücken (2, 3) angeordnet ist, und einen Andruckrahmen (14) aufweist, der zum Aufbringen der federnden Andruck­ kraft (F) über Befestigungselemente (15) mit der Grundplat­ te (10) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die An­ druckvorrichtung (1) geneigt angeordnet und der Andruck­ rahmen (14) mit dem Andruckelement (12) und der reflektie­ renden Blende (122) befestigbar sowie zum Ausformen der thermoplastischen Werkstücke (2, 3) aus der Aufnahmevor­ richtung (11) mit Auswerfelementen koppelbar ist, die an der Aufnahmevorrichtung (11) befestigt sind.

11. Verwendung der Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, bei der das erste thermoplastische Werkstück als transluzente Membranfolie mit teilkristallinem Aufbau und das zweite thermoplastische Werkstück als massiver strah­ lungsabsorbierender Kunststoff mit ebenfalls teilkristalli­ nem Aufbau ausgebildet sind, zur Herstellung von Tintenbe­ hältern.