DE60110536T2 - Vorrichtung zum Verschweissen von thermoplastischen Kunststoffteilen durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung - Google Patents

Vorrichtung zum Verschweissen von thermoplastischen Kunststoffteilen durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von Teilen aus thermoplastischem Material, das insbesondere von Zulieferern zur Teilemontage in der Automobilindustrie verwendet wird und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Schweißen von Teilen aus thermoplastischem Material durch elektromagnetische Strahlung und insbesondere durch Infrarotstrahlung.
  • Stand der Technik
  • Zur Montage von Teilen aus thermoplastischem Material werden bereits Verfahren auf der Grundlage eines Heizspiegels benützt, bei denen das Schmelzen des Oberflächenmaterials an der Verbindungslinie mindestens eines der beiden Teile durch das Zusammenbringen eines Metallelements bei erhöhter Temperatur mit der Verbindungslinie bewirkt wird. Wenn das Oberflächenmaterial der Verbindungslinie geschmolzen ist, wird das Heizelement abgezogen und die beiden Teile werden zusammengebracht, um nach dem Abkühlen des Materials ihr Verschweißen zu erreichen. Leider erfordert diese Technik eine häufige Reinigung des Heizelements, wenn man nicht möchte, daß sich auf letzterem ein Wulst aus thermoplastischem Material bildet, der eine gute Wärmeübertragung verhindert und eine inhomogene Schweißnaht erzeugt.
  • Es wurden daher diese Verfahren durch berührungslose Heiztechniken wie etwa die Heißlufttechnik ersetzt, bei der Heißluft unter kontrollierter Strömung und Temperatur auf die zu verschmelzenden Zonen geleitet wird, wobei die Heißluft mit Hilfe einer Düse gleichförmig auf der Schweißnaht verteilt wird. Leider zeigt diese Technik zahlreiche Nachteile und insbesondere Probleme der Wärmeregelung und erfordert insbesondere, daß die Luftzufuhrdüse sehr nahe an der zu verschmelzenden Oberfläche gehalten wird und folglich eine schlechte Beherrschung der Dicke der Schweißnaht.
  • Die interessanteste berührungslose Schweißtechnik besteht aus dem Verwenden einer Infrarotstrahlungsquelle in Form eines Widerstandsdrahtelements, das sich in einer reflektierenden Vertiefung befindet, wie es im Patent FR-93 07333 beschrieben wird. Die Form des Widerstandselements ist sehr eng an die Geometrie der Verbindungslinien der zu montierenden Teile angepaßt und die Fokussierung der Strahlung durch die reflektierende Vertiefung gestattet ein homogenes Erhitzen der Verbindungslinie. Um einen hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen, verwendet man eine Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 1 μm, was Temperaturen über 2000°C entspricht. Leider oxidiert der Heizdraht bei dieser Temperatur rasch und verliert rasch seine Strahlungsfähigkeit. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Draht in einem mit einem Inertgas gefüllten Glas- oder Quarzrohr anzubringen, um jegliche Oxidation zu vermeiden. Leider zeigt diese Technik Nachteile, sei es, daß der Heizdraht in einem Glasrohr geschützt ist oder nicht. Tatsächlich gestattet die Verwendung eines ungeschützten Drahts außer dem bereits angeführten Phänomen einer Oxidation keinen Kontakt zwischen zwei Punkten des Drahts ohne Kurzschluß. Der Eingangsdraht muß daher von dem Ausgangsdraht getrennt werden, was unvermeidlich einen kalten Punkt ohne Erhitzen in dem Fall einer geschlossenen Verbindungslinie erzeugt, wie es oft der Fall ist. Wenn, wie weiter oben angeführt, der Draht in einem Rohr geschützt ist, dann weist das Heizelement einen zu dicken Durchmesser auf, um die geringen Krümmungsradien zu erlauben, die notwendig sind, um sich so nah wie möglich an die Verbindungslinie anzupassen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher ist ein erster Gegenstand der Erfindung das Bereitstellen einer Vorrichtung zum Schweißen eines thermoplastischen Materials durch Infrarotstrahlung gemäß Anspruch 1, bei der das Heizelement an jede Form der Verbindungslinie angepaßt sein kann. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Bereitstellen eines Schweißverfahrens gemäß Anspruch 18.
  • Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist das Bereitstellen einer Vorrichtung zum Schweißen eines thermoplastischen Materials durch elektromagnetische Strahlung und insbesondere Infrarot, bei der Teile des Heizelements in Kontakt gebracht werden können, ohne einen Kurzschluß hervorzurufen.
  • Ein anderer Erfindungsgegenstand ist das Bereitstellen einer Schweißvorrichtung des obigen Typs, die ungeachtet der Geometrie der Verbindungslinie kalte Punkte vermeidet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Zwecke, Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der Beschreibung besser verstanden, die sich auf die Zeichnungen bezieht, worin:
  • 1 ein Schnitt der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung ist, der das Widerstandselement, das in einer Vertiefung angebracht ist und die Naht aus thermoplastischem Material zeigt, die einer Infrarotstrahlung ausgesetzt wird,
  • 2 eine Darstellung eines Schnitts einer Ausführungsform des Widerstandselements der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist,
  • 3 eine zu seiner Befestigung verwendete Schleife des Widerstandselements darstellt,
  • 4 eine Schnittansicht einer Aussparung des Trägers ist, in der sich eine Schleife des Widerstandselements befindet und
  • 5 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ihren Befestigungsschleifen darstellt.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • Die Teile aus thermoplastischem Material, die dem erfindungsgemäßen, berührungslosen Spiegelschweißen unterzogen werden, können alle Arten Teile mit beliebigen Profilen wie etwa die beiden Teile eines Tanks, eines Rohrs, eines Gehäuses usw. sein. Die beiden zu verschweißenden Teile umfassen jedes eine fortlaufende Verbindungslinie oder eine Verbindungslinie in mehreren Teilen, die eine Naht oder eine Schicht aus thermoplastischem Oberflächenmaterial, die dazu bestimmt ist, unter der Wirkung der durch Infrarotstrahlung erzeugten Hitze zu schmelzen und auf der anderen Verbindungslinie befestigt zu werden. Man versteht unter thermoplastischem Oberflächenmaterial eine Schicht aus thermoplastischem Material, das eine Dicke von der Oberfläche an aufweist, die dem verwendeten thermoplastischen Material entsprechend veränderlich ist. Die beiden Verbindungslinien weisen eine beliebige Form im Raum auf und können insbesondere in derselben Ebene sein, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist. Es kann eine einzige Verbindungslinie erhitzt werden, aber es ist bevorzugt, das gleichzeitige Erhitzen beider Verbindungslinien durchzuführen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsweise besteht die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung im wesentlichen aus einem Widerstandselement, in dem ein elektrischer Strom in der Weise fließt, daß er eine Infrarotstrahlung erzeugt. Das Widerstandselement ist an der Oberfläche eines Trägers wie etwa einer Keramikplatte oder einer Metallplatte befestigt und weist ein eng an die Geometrie der Verbindungslinie des zu verschweißenden Teils angepaßtes Profil auf. Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann das in 1 im Schnitt dargestellte Widerstandselement 10 in einer Vertiefung 12 des Trägers oder der Platte 14 angebracht sein, um eine Fokussierung der Infrarotstrahlung auf die Naht 16 zu gestatten und das zu verschweißende Teil 18 schmelzen zu lassen. Zum Verbessern der Fokussierung ist es sinnvoll, daß die Vertiefung 12 reflektierende Wände der Art aufweist, daß die Infrarotstrahlen wie in 1 veranschaulicht auf der Naht 16 konzentriert werden, aber dies ist keine absolute Notwendigkeit zum Durchführen der Erfindung.
  • Schließlich liegt der Abstand zwischen dem Widerstandselement oder der Trägeroberfläche (in dem Fall, wenn das Widerstandselement in einer Vertiefung ist) und der Naht der Verbindungslinie im allgemeinen zwischen 1 und 5 mm, obschon der Wirkungsgrad des Schweißens von diesem Abstand abhängig sein kann und Verformungen der zu verschweißenden Naht, was Änderungen dieses Abstands mit sich bringt, toleriert werden können.
  • Das Widerstandselement umfaßt im wesentlichen einen oder mehr Widerstandsdrähte. Jeder Widerstandsdraht ist aus einem Kern aus Widerstandsmetall oder einer Widerstandsmetallegierung gebildet, der von einem Isoliermantel umschlossen ist.
  • Bei einer durch 2 veranschaulichten besonderen Ausführungsform ist der Metallkern 20 von einer Isolierummantelung umschlossen, die in einer bestimmten Dicke aus einer pulverförmigen Mineralverbindung 22, die als Isolator dient, und einem Mantel oder Hülle 24 besteht, die ein erhöhtes Emissionsvermögen aufweist, um die größtmögliche Energiemenge abzustrahlen. Der Metallkern, in dem der elektrische Strom zirkuliert, muß einen großen spezifischen Widerstand aufweisen, sofern die elektrische Stromwärme für einen gegebenen Strom I dem spezifischen Widerstand proportional ist. So kann eine Nickel-Chrom-Legierung mit einem spezifischen Widerstand gleich 1,09.10–6 Ohm.m2/m verwendet werden. Es ist anzumerken, daß es nicht erforderlich ist, daß die Umhüllung eine Isolierverbindung umfaßt, die von einem Mantel umschlossen ist und daß diese Umhüllung aus einem einzigen Material bestehen kann, das die Eigenschaften der beiden obigen Bestandteile vereint.
  • Das wesentliche Kennzeichen des Widerstandsdrahts ist seine große Biegsamkeit, die es ihm erlaubt, in einer Weise verformt zu werden, um ein bestmöglich an die Geometrie der Verbindungslinie angepaßtes Profil anzunehmen, wobei diese Biegsamkeit zu einem Teil aus einem geringen Durchmesser und zum anderen Teil aus seiner Struktur stammt. Um sich an alle Formen anpassen zu können, ist es notwendig, daß der Widerstandsdraht gebogen werden kann, um sich an sehr geringe Krümmungsradien anzupassen, die 1,5 mm klein sind.
  • Die Tatsache, daß sich der Drahtkern in einer Isolierumhüllung befindet, gestattet das Kreuzen des Drahts unter Kontakt ohne einen Kurzschluß hervorzurufen. Wenn daher die Verbindungslinie eine geschlossene Linie ist, wie es oft der Fall ist, gibt es kein Problem, eine Kreuzung des Drahts am Eingangs-/Ausgangspunkt durchzuführen, wo die beiden Drahtabschnitte so miteinander in Kontakt stehen, daß sie das Profil des Widerstandselements schließen, um sich an die geschlossene Verbindungslinie anzupassen. Am Eingangs-/Ausgangspunkt liegt eine Abkehr des Drahts bezüglich der Verbindungslinie vor, aber diese Abstandsänderung ist geringfügig, da der Draht einen geringen Durchmesser aufweist und andererseits wurde früher erkannt, daß die geringen Änderungen des Abstands zwischen dem Widerstandselement und der Verbindungslinie wenig Einfluß auf die gelieferte Wärme haben. Wenn mehrere Drähte benützt werden, werden sie durch irgendein Mittel so zusammengefaßt, daß die Steifigkeit der Multidrahteinheit zunimmt.
  • Außerdem erlaubt die Drahtisolierung das Verwenden zweier oder mehr nebeneinanderliegender Drähte zum Verwirklichen des Profils, ohne einen Kurzschluß zu befürchten. Diese Möglichkeit gestattet auf diese Weise, die gelieferte Wärmeleistung um zwei (oder mehr) zu vervielfachen.
  • Die Befestigung des Widerstandselements auf seinem Träger hat zu einem wesentlichen Kennzeichen der Erfindung Anlaß gegeben. Tatsächlich würde eine klassische Befestigung, die aus dem Befestigen des Drahts an mehreren Punkten des Trägers besteht, kalte Punkte bedingen, wo die Infrarotstrahlung nicht wirksam sein kann, weil der Draht an diesem Punkt durch ein Befestigungselement verdeckt wird. Die Lösung besteht aus dem Bilden von Schleifen an den Befestigungspunkten wie in der 3 veranschaulicht. Die Schleife 26 wird durch klassisches Befestigungsmittel befestigt, sie befindet sich aber außerhalb des Wegs des Widerstandselements. Das Profil des Widerstandselements wird nicht verändert, ausgenommen am Kreuzungspunkt der Drähte 28, wo ein Einzeldraht über dem anderen Einzeldraht verläuft. Es besteht daher eine leichte Abkehr von der Verbindungslinie. Aber diese Abstandsänderung ist überhaupt kein Nachteil, wie zuvor bezüglich des Eingangs-/Ausgangspunkts erkannt wurde.
  • Ein Beispiel einer Ausführung der Schweißvorrichtung mit Befestigungsschlaufen wird durch die 4 und 5 veranschaulicht. In diesem Beispiel werden drei Widerstandsdrähte verwendet, die in einer Vertiefung angebracht sind. Wie in der 4 im Schnitt dargestellt, befinden sich zwei Drähte 30 und 32 im selben Abstand von der Verbindungslinie 34 und ein dritter Draht befindet sich unter den beiden ersten. Dies ist der Draht, der für die Schlaufen und die Befestigung verwendet wird. Hierzu umfaßt der Träger 36 eine Aussparung 38, in der sich die durch den dritten Draht gebildete Schleife 40 befindet, wobei sich die Kreuzung der Abschnitte 42 und 42' unter den beiden Drähten 30 und 32 befindet. Die Befestigung der Schleife 40 wird mittels eines Klemmelements 44 und der Klemmschraube 46 erreicht. Um keine Wärmebrücke zu errichten, die für den Wärmefluß des Widerstandelements verhängnisvoll ist, ist es erwünscht, daß die Befestigung der Schleife 40 ohne deren Kontakt mit dem Träger 36, sondern nur mit dem Klemmelement 44 (bevorzugt aus feuerfestem Material) wie in 4 veranschaulicht ausgeführt wird, so daß der Wärmeaustausch beherrscht wird.
  • Außer das Einführen kalter Punkte zu vermeiden ist ein weiterer Nutzen der Befestigung des Widerstandselements mittels Schleifen das Widerstandsmaterial, insbesondere den Umfang zu versteifen, wobei noch jeglicher Kontakt zwischen den Drähten und dem Träger vermieden wird, da die Drähte 30, 32 und 42 dank der Anwesenheit der Schleifen an Ort und Stelle gehalten werden. Die Schleife 40 kann übrigens zwei oder mehr Drähte umfassen, um sie steifer zu machen.
  • Die 5 stellt eine Draufsicht des Widerstandselements 48 dar, das an ein geschlossenes Profil der Verbindungslinie angepaßt ist. Das Widerstandselement umfaßt fünf Schleifen, wovon sich vier Schleifen 50, 52, 54 und 56 in der Mitte des durch das Widerstandselements gebildeten Rechtecks befinden und eine Schleife 58 am Eingangs-/Ausgangspunkt 60 des Widerstandselements ist. Es ist anzumerken, daß die Schleife 58 tatsächlich eine Doppelschleife ist, weil sie eine Schleife für den Eingangsdraht und eine Schleife für den Ausgangsdraht umfaßt.
  • Wie bereits angeführt kann die Verbindungslinie aus mehreren Abschnitten gebildet sein. Dies kann mehreren, an demselben Teil während desselben Behandlungszyklus durchzuführenden Schweißvorgängen entsprechen. In diesem Fall umfaßt die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung mehrere Widerstandselemente, für die die Abstände bezüglich der entsprechenden Abschnitte der Verbindungslinie wie auch die Eigenschaften des angewendeten elektrischen Stroms unterschiedlich sind, um die von den verschiedenen Abschnitten der Verbindungslinie aufgenommene Strahlungsenergie anzupassen. Diese unterschiedlichen Abschnitte der Verbindungslinie können außerdem aus unterschiedlichen thermoplastischen Materialien bestehen. Die elektrischen Eigenschaften des die Widerstandselemente durchfließenden Stroms und der die Widerstandselemente von der Verbindungslinie trennende Abstand kann auch als Funktion der Zeit so gesteuert oder geregelt werden, daß der Wirkungsgrad des Schmelzens erhöht wird oder im Gegensatz dazu die Zersetzung des thermoplastischen Materials beim Schmelzen vermieden wird. Allgemein ist es zum Vermeiden von Verbrennungsphänomenen durch überschüssige Wärmezufuhr an das oberflächliche thermoplastische Material notwendig, eine Steuerung der durch die Schweißvorrichtung abgegebenen Leistung sowie des Abstands zwischen dem (oder den) Widerstandselement(en) und der Oberfläche des zu behandelnden Teils vorzusehen.

Claims (18)

  1. Vorrichtung zum Schweißen mittels Emission von einer elektromagnetischen Strahlung, in welcher zwei Stücke aus thermoplastischen Material aneinandergefügt werden durch eine Fusion des thermoplastischen Oberflächen-Materials an der Verbindungslinie von mindestens einem der beiden zu verbindenden Stücke und durch nachfolgendes Zusammenbringen der Stücke, wobei die Vorrichtung mindestens ein resistives Element (10), welches von einem elektrischen Strom durchströmt wird und ein Profil aufweist, welches bestmöglichst mit der Geometrie der Verbindungslinie korrespondiert; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das resistive Element (10) auf einem Träger (14) befestigt ist und mindestens von einer Leitung gebildet ist, welche sich aus einem metallischen Kern (20), der von einer Isolier-Umhüllung (22, 24) umgeben ist, zusammensetzt, welche den Kontakt zwischen mindestens zwei Stellen des resistiven Elements ohne Kurzschluss erlaubt, wobei die Leitung ausreichend flexibel ist zum Ermöglichen, Krümmungsradien zu erzielen, welche bis 1,5 mm reichen.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche mehrere resistive Elemente (10) aufweist, welche mit mehreren Abschnitten der Verbindungslinie (16) korrespondieren, und in welcher die elektromagnetische Strahlung, welche von jedem der resistiven Elemente geliefert wird, gemäß dem Abschnitt der korrespondierenden Verbindungslinie unterschiedlich ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, in welcher der Abstand zwischen einem resistiven Element und einem Abschnitt der Verbindungslinie gemäß diesem Abschnitt unterschiedlich ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, in welcher die unterschiedlichen Abschnitte der Verbindungslinie (16) mit den unterschiedlichen thermoplastischen Materialien korrespondieren.
  5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, in welcher die Leistung, welche an die resistiven Elemente geliefert wird, sich abhängig von der Zeit ergibt, so dass die Effizienz der Fusion vergrößert wird oder das Verschlechtern des thermoplastischen Materials bei der Fusion verhindert wird.
  6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, in welcher das resistive Element in einer Vertiefung (12) des Trägers (14) platziert ist.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, in welcher die Vertiefung (12) reflektierend ist.
  8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, in welcher das resistive Element (10) eine Mehrzahl von Schleifen (50, 52, 54, 56, 58) aufweist, welche an dem Träger befestigt ist, wobei jede Schleife durch die Rückführung der Leitung auf sich selbst ausgebildet ist und die Kreuzung der zwei Abschnitte der Leitung tangential zu der Bahn des resistiven Elements 1 ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, in welcher das resistive Element drei Leitungen aufweist, wobei die zwei ersten der Leitungen (30, 32) im gleichen Abstand zu der Verbindungslinie sind und wobei wenigstens eine dritte Leitung (42) die Schleifen aufweist, welche zur Befestigung dienen, und unter den beiden ersten Leitungen angeordnet ist.
  10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, in welcher die Isolier-Umhüllung aus einer Schicht (22) aus einem pulvrigen Mineralmaterial und einem Mantel (24) gebildet ist.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, in welcher der metallische Leiter (20) eine Chrom-Nickel-Legierung ist.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, in welcher der Mantel (24) ein Material ist, welches ein großes Infrarotstrahlung-Emissionsvermögen hat.
  13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, in welcher das resistive Element eine Mehrzahl von Leitungen aufweist.
  14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, in welcher das resistive Element mindestens zwei nebeneinanderliegende Leitungen aufweist.
  15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, in welcher das resistive Element mindestens zwei einstückige Leitungen aufweist.
  16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, in welcher das resistive Element auf einer Fläche des Trägers befestigt ist.
  17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, in welcher das resistive Element eine Kreuzung der Abschnitte der Leitungen am Eingang/Ausgang von einer geschlossenen Verbindungslinie aufweist.
  18. Verfahren zum Schweißen von Stücken aus thermoplastischen Material, aufweisend: – einen Fusions-Schritt des thermoplastischen Oberflächen-Materials an der Verbindungslinie von mindestens einem der zu schweißenden Stücke durch Emission einer elektromagnetischen Strahlung mit Hilfe einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17; – einen nachfolgenden Zusammenbring-Schritt der Stücke.
DE60110536T 2000-12-28 2001-12-27 Vorrichtung zum Verschweissen von thermoplastischen Kunststoffteilen durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung Expired - Lifetime DE60110536T2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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FR0017177A FR2818926B1 (fr) 2000-12-28 2000-12-28 Dispositif de soudage de pieces en matiere thermoplastique par rayonnement electromagnetique notamment infrarouge

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DE60110536D1 DE60110536D1 (de) 2005-06-09
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