DE3913723C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen der Stirnflächen von plattenförmigen, steifen Kunststoffteilen aus einem faserverstärkten Thermoplast. Sie bezieht sich ferner auf auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in Form einer Schweißeinrichtung mit zwei gegenüberliegenden, einen Spalt zwischen sich bildenden und relativ zueinander bewegbaren Spanneinrichtungen zum Fixieren der beiden zu verschweißenden Kunststoffteile in einer Spannebene sowie mit einer sich längs des Spaltes erstreckenden Heizeinrichtung, ferner mit einem Antrieb zur Relativbewegung der Spanneinrichtungen in der Spannebene gegeneinander bzw. voneinander weg und mit einem Antrieb zur Bewegung der Heizeinrichtung quer zur Spannebene.

Beim sogenannten Heizelementschweißen werden Kunststoffplatten aus einem Thermoplast an den zu verbindenden Stirnseiten durch ein Heizelement bis zur Plastifizierung erwärmt und dann durch Anpreßdruck miteinander verbunden. Dies geschieht in Schweißeinrichtungen, wie sie beispielsweise in dem DE-GM 85 31 748.9 beschrieben sind. Solche Schweißeinrichtungen weisen einen langgestreckten Grundrahmen auf, an dessen Oberseite zwei sich jeweils in Längsrichtung parallel erstreckende Spanneinrichtungen angeordnet sind. Diese Spanneinrichtungen sind in Querrichtung synchron zueinander bewegbar und bestehen im wesentlichen jeweils aus einem in Längsrichtung sich erstreckenden Spanntisch und einem darüber angeordneten, sich ebenfalls in Längsrichtung erstreckenden Spannbalken. Jeder Spannbalken ist mit einer Vielzahl in Längsrichtung nebeneinander angeordneten, auf den zugehörigen Spanntisch absenkbaren Spannplatten versehen.

Zwischen den Spanneinrichtungen befindet sich eine sich ebenfalls in Längsrichtung erstreckende Einheit aus einem Heizschwert und einem Anschlagbalken, wobei der Anschlagbalken unterhalb des Heizschwertes angeordnet ist. Diese Einheit sitzt auf mehreren vertikalen Führungsstangen, die über Pneumatikzylinder vertikal verfahrbar sind.

Ein Schweißvorgang auf einer solchen Schweißeinrichtung wird dadurch eingeleitet, daß die Spanneinrichtungen gegen den Anschlagbalken verfahren werden. Es werden dann die Kunststoffplatten in die Spanneinrichtungen derart eingelegt, daß sie an dem Anschlagbalken zur Anlage kommen. Nach Festklemmen der Kunststoffteile durch Absenken der Spannplatten gegen den jeweiligen Spanntisch werden die Spanneinrichtungen auseinandergefahren und der Anschlagbalken aus dem Spalt so weit heruntergefahren, bis das Heizschwert auf Höhe der zu verschweißenden Kunststoffplatten liegt. Die Spanneinrichtungen werden dann wieder gegeneinander bewegt, bis die Kunststoffteile mit ihren zu verbindenden Kanten an dem Heizschwert anliegen. Sie erhitzen sich an dem Heizschwert und werden dann nach Wegfahren des Heizschwertes unter Aufbringung eines Schließdruckes durch die Spanneinrichtung gegeneinander gepreßt. Nach dem Erkalten ist die Verbindung zwischen den Kunststoffteilen fertig.

In der DE-OS 36 05 136 ist ein Verfahren zum Verschweißen der Förderbandenden bekannt, bei dem die zusammengeführten Förderbandenden an der Verbindungstelle zwischen beheizbaren Schweißbacken eingespannt werden. Durch Erwärmen der Preßbacken werden die beiden Enden des aus wenigstens einer Lage aus gewebeverstärktem thermoplastischen Kunststoff bestehenden Förderbandes durch Verflüssigung des thermoplastischen Kunststoffmaterials und anschließendes Abkühlen miteinander verschweißt. Bei der Weiterentwicklung dieses Verfahrens werden in die Stirnseiten der Förderbandenden Ausnehmungen in Form von Überlappungsstegen eingeformt, die beim Zusammenfügen einen Überlappungsbereich ergeben. Diese Ausnehmungen werden dadurch hergestellt, daß das zweilagig ausgebildete Förderband zunächst zwischen diesen Lagen gespalten und dann nur eine der Lagen quer durchgeschnitten wird.

Beide Verfahren eignen sich nicht oder nur wenig für das Verschweißen von plattenförmigen, steifen Kunststoffteilen aus einem faserverstärkten Thermoplast. Zunehmend werden jedoch für solche Teile gerade Thermoplaste - verstärkt mit Glas-, Kohlenstoff- oder Graphitfasern - verwendet, und zwar sowohl mit Kurzfasern als auch mit Endlosfasern. In letzterem Fall können die Fasern in Mattenform entweder regellos oder als Faserstränge oder -bändchen vorliegen, die zu Gewebematten verarbeitet sind. Insbesondere bei neueren Kunststoffen mit hohen Verarbeitungstemperaturen, wie beispielsweise PEEK (Polyätherätherketon), PPS (Polyphenylensulfid) oder PEI (Polyätherimid), werden häufig Faserverstärkungen verwendet und ergeben dann hochfeste Kunststoffteile, die vor allem im Flugzeugbau zur Anwendung kommen. Mit solchen Kunststoffteilen gelingt jedoch das bekannte Heizelementschweißen nicht. Die Schweißnaht hat eine so geringe Festigkeit, daß das damit hergestellte Bauteil unbrauchbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Fügen von insbesondere plattenförmigen Kunststoffteilen zu finden, mit dem sich auch faserverstärkte Kunststoffe, insbesondere mit hoher Verarbeitungstemperatur, derart fügen lassen, daß eine Fügenaht mit brauchbarer Festigkeit entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Stirnseiten der Kunststoffteile bis in die faserverstärkten Bereiche hinein Ausnehmungen dergestalt eingeformt werden, daß sich gegenseitig ergänzende Überlappungsstege gebildet werden, die beim Zusammenfügen der Kunststoffteile einen Überlappungsbereich ergeben, und daß nach dem Zusammenfügen bei gleichzeitiger Druckausübung gegeneinander und quer zur Ebene der Kunststoffteile der Bereich der Schweißnaht bis zur Plastifizierung mit Schmelzwärme beaufschlagt wird.

Erfindungsgemäß wird also am Prinzip des Heizelementschweißens festgehalten, wobei es derart abgewandelt ist, daß sich auch faserverstärkte Kunststoffe auf diese Weise miteinander verschweißen lassen. Es hat sich gezeigt, daß die Schweißnähte bei Anwendung dieses Verfahrens eine brauchbare Festigkeit haben. Damit werden gerade solchen Kunststoffteilen neue Anwendungsgebiete eröffnet.

Nach der Erfindung werden nicht mehr - wie bei dem bekannten Heizelementschweißen - allein die Stirnseiten der Kunststoffteile miteinander verbunden. Vielmehr werden im Randbereich beider Stirnseiten komplementäre Ausnehmungen eingeformt, beispielsweise eingefräst, so daß Überlappungsstege in einem Überlappungsbereich entstehen, die beim Zusammenfügen der Kunststoffteile übereinander bzw. nebeneinander zu liegen kommen. Erst nach dem Zusammenfügen wird der Überlappungsbereich mit Schmelzwärme beaufschlagt. Dabei wird gleichzeitig Druck aus zwei senkrecht zueinander liegenden Richtungen auf den Überlappungsbereich ausgeübt, nämlich einmal in der Ebene der Platten und einmal senkrecht dazu.

Die Überlappungsstege haben vorzugsweise eine solche Form, daß der Überlappungsbereich nach dem Zusammenfügen die gleiche Dicke hat, wie die sich daran anschließenden Bereiche der Kunststoffteile. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Ausnehmungen so zu gestalten, daß sich zunächst im Überlappungsbereich eine größere Dicke ergibt als in den daran angrenzenden Bereichen der Kunststoffteile. Bei der anschließenden Druckausübung wird der Überlappungsbereich vorzugsweise so komprimiert, daß die Dicke an die der angrenzenden Bereiche angeglichen wird.

Die brauchbare Festigkeit wird offenbar dadurch erreicht, daß es durch die Druckbeanspruchung in zwei Richtungen und die gleichzeitig wirkende Wärme zu einer Vermischung der Fasern im Nahtbereich kommt, so daß die Faserverstärkung auch in diesem Bereich wirksam wird, auch wenn die Festigkeit in diesem Bereich nicht diejenige in den anderen Bereichen der Kunststoffteile erreicht.

In einfachster Weise können die Überlappungsstege dadurch gebildet werden, daß in die den Stirnseiten benachbarten, jedoch entgegengesetzt gerichteten Oberflächenbereiche Stufen eingeformt, insbesondere eingefräst werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Überlappungsstege an den aneinander anliegenden Flächen sich gegenseitig ergänzende Profilierungen aufweisen. Hierdurch wird nämlich die Faservermischung im Überlappungsbereich weiter gefördert. Auch die aneinanderliegenden Stirnflächen der Bauteile können solche Profilierungen aufweisen. Die Profilierungen sind zweckmäßigerweise als zueinander passende, parallele Nuten bzw. Stege ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung baut auf den bekannten Schweißeinrichtungen zum Verschweißen der Stirnflächen von plattenförmigen Kunststoffteilen auf. Nach der Erfindung hat diese Heizeinrichtung zwei sich längs des Spaltes zwischen den Spanneinrichtungen und in einer Ebene senkrecht zur Spannebene parallel erstreckende Heizschwerter, die durch den Antrieb in Richtung zueinander preßbar bzw. voneinander weg bewegbar sind. Diese Heizschwerter werden nach dem Zusammenfügen der Kunststoffteile von beiden Seiten an den Überlappungsbereich der Kunststoffteile zur Anlage gebracht und sorgen für eine intensive Erwärmung des Überlappungsbereichs bis zur Plastifizierung des Kunststoffs. Gleichzeitig üben sie auf den Überlappungsbereich senkrecht zur Plattenebene bzw. Spannebene einen Druck aus, während die Druckausübung in Spannebene in an sich bekannter Weise von den Spanneinrichtungen aufgebracht wird.

Die Heizschwerter sind zweckmäßigerweise an parallel dazu verlaufenen, ortsfest angeordneten Haltebalken angebracht und mit diesen über Pneumatikzylinder verbunden. Mit Hilfe dieser Pneumatikzylinder können die Heizschwerter dann zur Anlage an den Überlappungsbereich der Kunststoffteile gebracht werden und dabei gegeneinander gerichteten Druck ausüben.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbauspielen näher veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 den Nahtbereich von zwei Kunststoffplatten;

Fig. 2 den abgewandelten Nahtbereich von zwei Kunststoffplatten;

Fig. 3 die Seitenansicht einer Schweißeinrichtung und

Fig. 4 die Frontansicht der Schweißeinrichtung gemäß Fig. 3 mit Teilschnitt.

In Fig. 1 sind die Kantenbereiche zweier Kunststoffplatten (1, 2) im Querschnitt dargestellt. Sie enthalten über ihren ganzen Querschnittsbereich eine Faserverstärkung (3, 4) aus einem Mattengewebe, das aus Faserbändchen gewebt ist. Solche Faserverstärkungen (3, 4) werden insbesondere bei thermoplastischen Kunststoffen mit hoher Verarbeitungstemperatur verwendet und geben den Kunststoffplatten (1, 2) eine enorm hohe Festigkeit und Steifigkeit. Als Fasern kommen Glasfasern, Kohlenstoffasern, Graphitfasern oder dergleichen in Frage.

In die Kunststoffplatten (1, 2) sind Stufen (5, 6) eingeformt. Hierdurch werden Überlappungsstege (7, 8) gebildet, wobei die Dicke des Überlappungssteges (7) der Kunststoffplatte (1) der Höhe der Stufe (6) in der Kunststoffplatte (2) entspricht bzw. umgekehrt die Dicke des Überlappungssteges (8) der Kunststoffplatte (2) der Höhe der Stufe (5) in der Kunststoffplatte (1) gleicht. Die Überlappungsstege (7, 8) ergänzen sich also derart, daß nach dem Zusammenfügen der Kunststoffplatten (1, 2) unter gegenseitiger Anlage der Überlappungsstege (7, 8) ein Überlappungsbereich (9) gebildet wird, dessen Dicke der Dicke der angrenzenden Bereiche der Kunststoffplatten (1, 2) entspricht. Die Stirnseiten (10, 11) liegen dann jeweils an der gegenüberliegenden Stufe (5, 6) an.

Durch das Einfräsen der Stufen (5, 6) stehen an den gefrästen Oberflächen Fasern - beispielhaft mit (12) bezeichnet - vor, die sich bei dem nachfolgenden Plastifizierungsvorgang miteinander vermischen und auf diese Weise für eine ausreichende Festigkeit im Überlappungsbereich (9) sorgen.

Fig. 2 stellt eine Abwandlung der Fig. 1 dar, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Die Abwandlung besteht darin, daß in die Überlappungsstege (7, 8) sägezahnartig sich ergänzende Nuten - beispielhaft mit (13) bezeichnet - eingefräst worden sind, wodurch Stege - beispielhaft mit (14) bezeichnet - entstanden sind. Die Stirnseiten (10, 11) sind ebenso wie die Stufen (5, 6) mit gleichem Neigungswinkel angeschrägt.

Beim Zusammenfügen der Kunststoffplatten (1, 2) kommen die Stege (14) jeweils mit den gegenüberliegenden Nuten (13) in Eingriff. Die Stirnseiten (10, 11) legen sich an die Stufen (5, 6) an. Es entsteht dann auch hier ein Überlappungsbereich (9), dessen Dicke derjenigen der übrigen Bereiche der Kunststoffplatten (1, 2) entspricht.

Selbstverständlich sind auch andere Formen von Überlappungsstegen (7, 8) vorstellbar. In der einfachsten Ausführung sind die Stirnseiten lediglich stark angeschrägt, die herausgefrästen Ausnehmungen also keilförmig.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Schweißeinrichtung (15) hat einen langgestreckten Grundrahmen (16), der allseits mit Verkleidungsplatten (17, 18, 19) umgeben ist. Sie weist zwei in Längsrichtung sich erstreckende Spanneinrichtungen (20, 21) auf, die im wesentlichen jeweils aus einem Spannbalken (22, 23) mit jeweils zwölf Spannplatten - beispielhaft mit (24, 25) bezeichnet - sowie einem darunter vorgesehenen Spanntisch (26, 27) bestehen.

In den Spannbalken (22, 23) ist für jede Spannplatte (24, 25) ein pneumatischer Betätigungszylinder (in Fig. 2 durch Schnittdarstellung gezeigt) angeordnet, die über Schlauchleitungen (29) von einer Druckluftquelle gespeist werden und durch entsprechende Druckbeaufschlagung eine vertikale Bewegung der Spannplatten (24, 25) bewirken können. Die Spanntische (26, 27) sind - was hier nicht näher dargestellt ist - querverschieblich in Linearführungseinrichtungen - also horizontal und quer zur Längserstreckung der Schweißeinrichtung (15) - gelagert. Die Enden der Spanntische (26, 27) sind mit den zugehörigen Spannbalken (22, 23) verbunden, und zwar jeweils an dem in Fig. 3 rechten Ende über ein Gelenk (30) und an dem in Fig. 3 linken Ende über einen Verriegelungsbolzen (31).

Die Spanntische (26, 27) und damit die gesamten Spanneinrichtungen (20, 21) werden über mehrere, über die Längserstreckung der Schweißeinrichtung (15) verteilte Paare von Antriebshebeln (32, 33) in Querrichtung bewegt. Die Antriebshebel (32, 33) sind über Gelenke (34, 35) mit den Spanntischen (26, 27) verbunden. Durch hier nicht näher dargestellte Pneumatikzylinder können diese Antriebshebel (32, 33) in der Zeichnungsebene der Fig. 2 um ebenfalls nicht gezeigte Lager auseinander bzw. zueinander geschwenkt werden. Sie nehmen dabei über die Gelenke (34, 35) die Spanntische (26, 27) mit. Nähere Details dieses Antriebes können dem DE-GM 85 31 748.9 entnommen werden.

Zwischen den Spanntischen (26, 27) und den Spannbalken (22, 23) befindet sich ein Spalt (36). In diesem Spalt sind zwei sich über die gesamte Länge der Schweißeinrichtung (15) erstreckende Haltebalken (37, 38) angeordnet. Sie stehen in fester Verbindung mit dem Grundrahmen (16) der Schweißeinrichtung (15). Der obere Haltebalken (37) trägt an seiner Unterseite ein Heizschwert (39), während der untere Haltebalken (38) ebenfalls ein Heizschwert (40) an seiner Oberseite abstützt. Beide Heizschwerter (39, 40) erstrecken sich gleichfalls über die gesamte Länge der Schweißeinrichtung (15). Sie sind mit den Haltebalken (37, 38) über Pneumatikzylinder (41, 42) verbunden.

In die Spanneinrichtungen (20, 21) sind die in Fig. 1 dargestellten Kunststoffplatten (1, 2) eingelegt. Hierzu sind zuvor die Spannplatten (24, 25) angehoben worden. Die Kunststoffplatten (1, 2) sind derart zusammengefügt, daß ihre Überlappungsstege (7, 8) und damit ihr Überlappungsbereich (9) in der Mitte zwischen den Spanneinrichtungen (20, 21) und damit zwischen den Heizschwertern (39, 40) liegen. Für den Schweißvorgang werden zunächst die Spannplatten (24, 25) durch Druckbeaufschlagung der Betätigungszylinder (28) fest auf die Kunststoffplatten (1, 2) gepreßt, so daß diese zwischen den Spannplatten (24, 25) und den Spanntischen (7, 20, 28) eingeklemmt werden. Dann werden die Heizschwerter (39, 40) durch Druckbeaufschlagung der Pneumatikzylinder (41, 42) an die Überlappungsstege (7, 8) angelegt und gleichzeitig von beiden Heizschwertern (39, 40) ein Anpreßdruck erzeugt. Hier nicht näher dargestellte Anschläge begrenzen den Endabstand der Heizschwerter (39, 40), damit der Überlappungsbereich (9) die gewünschte Dicke erhält. Die Heizschwerter (39, 40) sind mittels sich in ihnen erstreckenden Heizstäben auf eine Temperatur gebracht, die den Überlappungsbereich (9) plastifiziert. Gleichzeitig sorgen die hier nicht gezeigten Pneumatikzylinder zur Betätigung der Antriebshebel (32, 33) dafür, daß auch in der Plattenebene ein Anpreßdruck erzeugt wird, indem den Antriebshebeln (32, 33) gegeneinander gerichtete Drehmomente aufgeprägt werden. Der Überlappungsbereich (9) wird also aus zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen mit Druck und von zwei Seiten mit Hitze beaufschlagt. Dies führt zu einer innigen Verbindung der Kunststoffplatten (1) und (2), offenbar unter Vermischung der Faserverstärkungen (3, 4).

Nach einer entsprechenden Zeit werden die Antriebshebel (32, 33) drehmomententlastet und die Heizschwerter (39, 40) von dem Überlappungsbereich (9) abgehoben. Dann werden die Spannplatten (24, 25) durch entsprechende Beaufschlagung der Betätigungszylinder (28) gleichfalls angehoben, wodurch die jetzt miteinander verbundenen Kunststoffplatten (1, 2) freigegeben werden. Sie können jetzt zur Seite aus der Schweißeinrichtung (15) herausgezogen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verschweißen der Stirnflächen von plattenförmigen, steifen Kunststoffteilen (1, 2) aus einem faserverstärkten Thermoplast, bei dem in die Stirnseiten (10, 11) der Kunststoffteile (1, 2) bis in die faserverstärkten Bereiche hinein Ausnehmungen (5, 6) dergestalt eingeformt werden, daß sich gegenseitig ergänzende Überlappungsstege (7, 8) gebildet werden, die beim Zusammenfügen der Kunststoffteile (1, 2) einen Überlappungsbereich (9) ergeben, und bei dem nach dem Zusammenfügen bei gleichzeitiger Druckausübung gegeneinander und quer zur Ebene der Kunststoffteile (1, 2) der Bereich der Schweißnaht zur Plastifizierung mit Schmelzwärme beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überlappungsbereiches (9) größer ist als die der sich daran anschließenden Kunststoffteile (1, 2) und der Überlappungsbereich (9) bei der Druckausübung quer zur Ebene der Kunststoffteile (1, 2) komprimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Überlappungsstege (7, 8) dadurch gebildet werden, daß in die den Stirnseiten (10, 11) benachbarten, jedoch entgegengesetzt gerichteten Oberflächenbereiche Stufen (5, 6) eingeformt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappungsstege (7, 8) an den aneinander anliegenden Flächen sich gegenseitig ergänzende Profilierungen (13, 14) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinanderliegenden Stirnflächen der Kunststoffteile Profilierungen aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen als zueinander passende Nuten (12) bzw. Stege (13) ausgebildet sind.

7. Schweißeinrichtung zum Verschweißen der Stirnfläche von plattenförmigen, steifen Kunststoffteilen aus einem faserverstärkten Thermoplast zwecks Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zwei gegenüberliegenden, einen Spalt zwischen sich bildenden und relativ zueinander bewegbaren Spanneinrichtungen zum Fixieren der beiden zu verschweißenden Kunststoffteile in einer Spannebene sowie mit einer sich längs des Spaltes erstreckenden Heizeinrichtung, ferner mit einem Antrieb zur Relativbewegung der Spanneinrichtungen in der Spannebene gegeneinander bzw. voneinander weg und mit einem Antrieb zur Bewegung der Heizeinrichtung quer zur Spannebene, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung zwei sich längs des Spaltes (36) und in einer Ebene senkrecht zur Spannebene parallel erstreckende Heizschwerter (39, 40) aufweist, die durch ihren Antrieb (41, 42) in Richtung zueinander preßbar bzw. voneinander weg bewegbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschwerter (39, 40) an parallel dazu verlaufenden, ortsfest angeordneten Haltebalken (37, 38) angebracht und über Pneumatikzylinder (41, 42) mit diesen verbunden sind.