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Die Erfindung betrifft ein Formpressteil
mit zwei durch Schmelzen miteinander verbundenen Teilen. Diese Teile
können
ein Gehäuse
und ein Deckel sein, die beide aus thermoplastischem Kunstharz gebildet wurden.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Formpressteil aus zwei
Teilen, die aus thermoplastischen Materialien geformt sind und unter
Anwendung eines Wärmeverschweißverfahrens
miteinander verbunden werden, wobei ein elektrisches Widerstandsheizelement
zwischen den Teilen angeordnet wird, die dann zusammengefügt werden,
wonach ein zum Schmelzen des Kunststoffs ausreichend hoher elektrischer
Strom durch das genannte Element geleitet wird und Druck ausgeübt wird,
um die Teile an ihrem Verbindungsbereich miteinander zu verschweißen, wobei
das Heizelement in einem Kanal bzw. einer Nut des einen Teils angeordnet
ist und das andere Teil eine Wulst zum Eingriff in diesen Kanal
bzw. in diese Nut aufweist.
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In der
EP 0 823 321 A1 ist ein derartiges Pressteil
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart.
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Bei diesem Verfahren lassen sich
die Teile in kürzerer
Zeit miteinander verbinden, als es bei Verfahren der Fall ist, bei
denen Haftmittel, Ultraschall oder hoch frequente elektromagnetische
Induktion zum Einsatz kommen, und es ist weniger installationsaufwendig.
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Obwohl sich das Verfahren unter Verwendung
des Widerstandsheizelements ausgezeichnet zum Verbinden eignet,
kann die Form (Struktur und Größe) der
Abschnitte, an denen zur Bildung der Verbindung das Widerstandsheizelement
angeordnet wird, kritisch sein.
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Ist die Anbringposition des Widerstandsheizelements
beispielsweise nicht genau, dann kann sich bei Anlegen der Spannung
das Widerstandsheizelement ausdehnen und das Widerstandsheizelement
dadurch verschoben werden, so dass geschmolzener Kunststoff an andere
Bereiche austritt. Als Folge bildet sich eine nur dünne Schmelzschicht,
mit der sich keine zufriedenstellende Verbindung erzielen lässt.
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Wird eine Ringnut zur Anbringung
des Widerstandsheizelements verwendet, dann kommt es zu Problemen
bei der Erzielung einer guten Verbindung, da die Position des Elements
unbestimmt ist, wenn die Breite der Ringnut zu groß ist oder
die Lange der ringförmigen
Wulst oder Rippe, die mit der Nut in Eingriff geht, zu kurz ist,
so dass nicht genug geschmolzener Kunststoff erzeugt wird.
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In der oben erwähnten Offenbarung ist das Ausmaß des Eindringens
der Wulst in die Nut durch eine Schulter begrenzt, die ein Widerlager
bildet.
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In der WO93/09705 ist zwar eine Induktionsschweißnaht offenbart,
jedoch ohne Schulter zur Begrenzung des Aus maßes des Ineinandergreifens
der Teile, wodurch es zu einer Verzerrung des Behälters zur
Erzielung der Verbindung kommt.
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In der
JP 10016061 ist die Verwendung eines
verdrehten Paares von Heizdrähten
dargestellt, die vom geschmolzenen Kunststoff durchdrungen werden,
um eine Verbindung lediglich im Bereich der Drähte zu bilden. Das Eindringen
der Wulst wird dabei nur von einer inneren Schulter begrenzt und
eine Verbindung wird nur im Bereich der Drähte erzielt.
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In der
JP 55090323 wird ein separater Mittelring
mit einem Heizelement verwendet, welches zum Verbinden von zwei
Hälften
eines hohlen Gehäuses
verwendet wird.
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Im Stand der Technik wird nicht sichergestellt,
dass geschmolzenes Material um die von der Nut umgebenen Seiten
der Wulst herum verdrängt
wird, um die Verbindung zu bilden.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht
darin, eine Struktur für
die Teile eines Pressteils bereitzustellen, die durch Wärmeverschweißen unter
Verwendung eines integralen elektrischen Heizelements miteinander verbunden
werden sollen, wodurch eine zufriedenstellende Verbindungs- oder
Haftfestigkeit erhalten wird.
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Gemäß dieser Erfindung wird ein
Pressteil zur Verfügung
gestellt, das zwei Teile umfasst, die aus thermoplastischen Materialien
geformt sind und unter Einsatz eines Wärmeverschweißverfahrens
zusammengefügt
werden, wobei ein elektrisches Widerstandsheizelement zwischen den Teilen
angeordnet wird, die zusammengefügt
werden, wonach ein zum Schmelzen des Kunststoffs ausreichend hoher
elektrischer Strom durch das genannte Element geleitet wird und
Druck ausgeübt
wird, um die Teile an ihrem Verbindungsbereich miteinander zu verschweißen, wobei
das Heizelement in einer Nut des einen Teils angeordnet ist und
das andere Teil eine Wulst zum Eingriff in die Nut aufweist, und
wobei
- (a) der Abstand L zwischen den gegenüberliegenden
Wänden
der Nut definiert ist durch 1,3D P L P 1,6D;
- (b) die Wandstärke
T der Wulst definiert ist durch 1,1D P T P 1,2D;
- (c) die Höhe
A der Außenwand
der Nut definiert ist durch A Σ 2D;
- (d) die Höhe
B der Innenwand der Nut definiert ist durch B Σ 2D;
- (e) die Höhe
H der Wulst definiert ist durch H Σ A;
- (f) der Durchmesser des Heizelements als D definiert ist; und
- (g) der Abstand L größer als
die Wandstärke
T der Wulst ist.
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Gemäß dieser Erfindung wird auch
eine Modifikation eines derartigen Pressteils angegeben, wie sie in
Anspruch 2 beschrieben ist.
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Diese Erfindung wird nunmehr unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben und dargestellt,
welche beispielhaft eine Ausführungsform
sowie eine Modifikation dessen zeigen. Es zeigen:
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1 eine
Ansicht eines oberen und eines unteren Gehäuseteils, die miteinander zu
verbinden sind;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht
des thermisch verbundenen Bereichs der in 1 dargestellten Gehäuseteile und vor deren Ineinandergehen;
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3 eine
Querschnittsansicht wie die von 2,
die die Elektrode zum Anlegen von Spannung nach dem Ineinandergehen
der Teile zeigt;
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4 eine
Ansicht wie die von 2,
jedoch nach dem Erwärmen
und Verschweißen;
und
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5 eine
Querschnittsansicht wie die von 2,
welche jedoch eine zweite Ausführungsform
zeigt.
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In den Zeichnungen bezeichnen die
Bezugsziffern folgende Teile:
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- 10
- oberes
Gehäuseteil
- 11
- ringförmige Rippe
oder Wulst
- 20
- unteres
Gehäuseteil
- 21
- Ringnut
bzw. ringförmiger
Kanal
- 24
- äußere Seitenwand
- 25
- innere
Seitenwand
- 26
- Bodenfläche der
Ringnut
- 30
- Widerstandsheizelement
- 50
- geschmolzene
Verbindungsschicht
- 60
- Eindringungsverbindungsschicht
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- A Höhe
der äußeren Seitenwand
- B Höhe
der inneren Seitenwand
- D Durchmesser des Heizelements
- H Höhe
der ringförmigen
Rippe oder Wulst
- L Intervall zwischen äußerer Seitenwand
und innerer Seitenwand in der Ringnut
- T Wandstärke
der ringförmigen
Rippe oder Wulst
- Y Dicke des Heizelements
- X Breite des Heizelements
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Es hat sich gezeigt, dass sich die
beste thermische Verschweißung
und Verbindung erzielen lassen, indem das Widerstandsheizelement
einer passenden Form und Dimension gemäß dem Kunststoffpressteil angepasst
wird.
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Diese Erfindung sieht auch vor, dass
der durch die vom Widerstandsheizelement erzeugte Wärme geschmolzene
Kunststoff am Herausfließen
an die äußeren Bereiche
gehindert wird, damit die Verbindungsschicht nicht zu dünn wird.
Des weiteren kann die vorstehende ringförmige Wulst um den Teil des
Pressteils herum geformt werden, der auf der anderen Seite mit dem
Gehäuse
verbunden werden soll.
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Während
des Verbindungsvorgangs bilden die Seitenwände der Wulst Führungen
und gehen mit der genannten Nut in Eingriff. Das Widerstandsheizelement
wird unter Strom gesetzt, während
das obere Gehäuse unter
Anwendung eines angemessenen Drucks gegen das untere Gehäuse gepresst
wird, wodurch der Kunststoff in der Nut und der Kunststoff der ringförmigen Wulst
zum Schmelzen gebracht werden und sich miteinander vermischen. Anschließend bildet
sich bei Abkühlen
des Kunststoffs die Verbindungsschicht. Um eine verbesserte Verbindung
zu erzeugen, sind die Nut- und Wulstabmessungen auf den Durchmesser
des Widerstandsheizelements bezogen und gemäß dieser Erfindung ausgewählt.
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Ist der Durchmesser des Widerstandsheizkörpers gleich
D und der Abstand zwischen den Seitenwänden der Nut gleich L, dann
hat sich ergeben, dass im Fall von L < 1,3D der Abstand klein ist, wenn das
Widerstandsheizelement angeordnet wird.
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Im Fall von L > 1,6D lässt sich dann mit zunehmender
Breite die Fixierungsposition nicht bestimmen, und die Anordnung
der Wulst und des Widerstandsheizelements ist nicht einheitlich.
Ferner ist das geschmolzene Kunststoffvolumen, das den zwischen
der Nut und der ringförmigen
Wulst gebildeten Raum füllt,
nicht ausreichend und die gewünschte
Verbindungsstärke
lässt sich
nicht erhalten.
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In Anbetracht der Wandstärke T der
Wulst, wobei T < 1,1D,
ist das geschmolzene Kunststoffvolumen nicht ausreichend und die
gewünschte
Verbindungsstärke
lässt sich
nicht erzielen.
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Im Fall von T > 1,2D ist die vom Widerstandsheizelement
erzeugte Wärme
nicht ausreichend und es kommt zu einem nur unzulänglichen
Schmelzen und die gewünschte
Verbindungsstärke
lässt sich
nicht erzielen.
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Im Fall von A < 2 und B < 2D sind beide Seitenwände zu niedrig,
daher fließt
der geschmolzene Kunststoff aus der Nut heraus und die für die Dichtung
erforderliche geschmolzene Schicht kann nicht gebildet werden.
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Im Fall von H < A kommen beide miteinander verbundene
Teile miteinander in Berührung,
ehe ausreichend geschmolzener Kunststoff erhalten werden kann, und
sie lassen sich nicht richtig zusammenfügen.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden
die voranstehend aufgeführten
Probleme vermieden.
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Hat das Widerstandsheizelement rechteckigen
oder polygonalen Querschnitt, und ist die diagonale Länge oder
gegenüberliegende
Seitenlänge
des Widerstandsheizelements in einer Richtung parallel zur Bodenfläche der
Ringnut, an der das Widerstandsheizelement befestigt ist, als X
definiert, und ist überdies
die diagonale Länge
oder gegenüberliegende
Seitenlänge
des Widerstandsheizelements in senkrechter Richtung zur Ringnut
als Y definiert, dann basieren der Abstand und die Wandstärke auf
X, und die Höhe
basiert auf Y, wobei andere Relationen ähnlich den beschriebenen sind.
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Zum Zusammenfügen der Pressteile aus thermoplastischem
Harz lässt
sich die gewünschte
Verbindungsstärke
dadurch erhalten, dass das Heizelement von den miteinander verbundenen
Teilen umschlossen festgehalten wird, eine Spannung zur Erzeugung
einer Erwärmung
auf das Widerstandsheizelement aufgebracht wird, wobei gleichzeitig
Druck unter entsprechender Krafteinwirkung angewandt wird, der Kunststoff
sodann in der verbundenen Zone unter Anwendung von Wärme zum
Schmelzen gebracht wird und anschließend nach Entfernen der Spannung
der geschmolzene Kunststoff aushärten
kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen gemäß dieser
Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1
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In den Zeichnungen zeigt 1 eine Schrägansicht
des oberen Gehäuseteils 10 und
des unteren Gehäuseteils 20,
welche unter Verwendung eines Polypropylenkunststoffs (PP), einem
thermoplastischen Kunstharz, geformt wurden. Die Teile sollen durch
das Widerstandsheizelement 30 miteinander verbunden werden, welches
kreisförmigen
Querschnitt hat. Die Spannung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
von der Bodenfläche 23 über Durchgangsöffnungen 22 an
das Widerstandsheizelement 30 angelegt. Das Element 30 wurde
zuvor in der Ringnut 21 von Gehäuseteil 20 angeordnet.
Ein Anschluss 40 zum Anlegen einer Spannung lässt sich über die
Durchgangsöffnung 22 einführen und
mit dem Widerstandsheizelement 30 in Kontakt bringen, um
die Spannung anzulegen (siehe 3).
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2 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Teils nur des thermisch verbundenen Abschnitts. Die Ziffer 30 bezeichnet
hierbei das Widerstandsheizelement. Für das Heizelement wurde SUS304- (WPB)
Material mit kreisförmigem
Querschnitt und mit einem Durchmesser D von 0,9 mm verwendet. Die
Nut 21 zum Befestigen des Widerstandsheizelements befindet sich
im Verbindungsabschnitt des unteren Gehäuseteils 20. Überdies
sind die äußere Seitenwand 24 und
die innere Seitenwand 25 vertikal auf beiden Seiten des
Widerstandsheizelements 30 vorgesehen und verlaufen von
der Bodenfläche 26 nach
oben.
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Der Abstand L zwischen der äußeren Seitenwand 24 und
der inneren Seitenwand 25 wurde auf 1,3 mm eingestellt.
Die Höhe
A der äußeren Seitenwand 24 ab
der Bodenfläche 26 betrug
3,0 mm, und entsprechend betrug die Höhe B der inneren Seitenwand 25 ab
der Bodenfläche 26 2,0
mm. Der Grund dafür,
dass die äußere Seitenwand 24 höher als
die innere Seitenwand 25 bemessen wurde, liegt darin, dass
diese Differenz das Einpassen des oberen Gehäuseteils 10 in das
untere Gehäuseteil 20 erleichtert.
Es können
jedoch auch beide Höhen
identisch sein.
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Die in der Nut 21 angeordnete
Wulst 11 ragt vom oberen Gehäuse 10 ab, und die
Höhe H
der Wulst 11 betrug 3,2 mm, und die Wandstärke T lag
bei 1,0 mm.
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Bei dem Verfahren zur thermischen
Verbindung des oberen Gehäuses 10 mit
dem unteren Gehäuse 20 muss
das Widerstandsheizelement 30 in der Nut 21 fixiert
sein, und das obere Gehäuse 10 über dem
unteren Gehäuse 20 geschlossen
und unter angemessener Krafteinwirkung gehalten werden. 3 zeigt eine Querschnittsansicht
der Spannungsanlegung an das Widerstandsheizelement 30,
bei der das Widerstandsheizelement 30 auf der Bodenfläche 26 der
Nut zwischen Seitenwand 24 und Seitenwand 25 aufliegt
und vom oberen Teil 13 der Ringwulst 11 nach unten
gedrückt
wird.
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Die Spannung wird über Anschlüsse 40 zum
Anlegen einer Spannung an das Widerstandsheizelement 30 angelegt,
die an zwei Stellen in die Durchgangsöffnungen 22 hinein verlaufen,
so dass sie das Widerstandsheizelement 30 kontaktieren
und somit die Spannung anlegen. Das Widerstandsheizelement 30 erzeugt dann
die Wärme,
und es kommt zu einem Schmelzen des jeweils am oberen Teil 13 der
Wulst 11 sowie am Boden des Ringnutabschnitts 26 befindlichen
Kunststoffs. Die geschmolzenen Kunststoffe verbinden sich dann miteinander,
fließen
jedoch nicht an andere Bereiche aus, da sie sozusagen gefangen sind.
Die geschmolzenen Teile dringen in die Räume zwischen der Ringwulst 11 und
der äußeren Seitenwand 24 und
zwischen der Ringwulst 11 und der inneren Seitenwand 25 ein.
Bei Unterbrechung der Spannungszufuhr, um ein Abkühlen der
Kunststoffe zu ermöglichen,
erhärtet
der geschmolzene Kunststoff und integriert sich dadurch mit dem
umliegenden Kunststoff, wodurch das obere Gehäuse 10 dann mit dem
unteren Gehäuse 20 verbunden
ist.
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4 zeigt
die Querschnittsansicht eines verbundenen Bereichs. Durch die in
dieser Erfindung definierten Dimensionen lässt sich eine ausreichend dicke
geschmolzene Schicht 50 um das Widerstandsheizelement 30
herum erzielen, und darüber
hinaus verläuft
der geschmolzene Kunststoff aufgrund des Kapillarphänomens,
was sich aus der Relation von (a) und (b) dieser Erfindung (siehe
Anspruch 1) ergibt, in die Lücke (0,2
mm) zwischen der äußeren Seitenwand 24 und
der Wulst 11 sowie zwischen der inneren Seitenwand 25 und
der Wulst 11 hinein, und somit lässt sich die geschmolzene Eindringschicht 60 über einen
breiten Bereich erzielen.
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Die Scherbeanspruchung aufgrund von
Zugspannung und Verdrehen lässt
sich aufgrund der Verbindung beider lateraler Seitenflächen der
Wulst 11 verbessern.
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In den nachstehenden Tabellen 1 und
3 sind die Ergebnisse von Zugfestigkeit, Fallversuch und Dichtheitsversuch
für zwei
Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung und ein Vergleichs-Ausführungsbeispiel aufgeführt.
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VERGLEICHS-AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Für
das Vergleichsbeispiel wurde der Abstand L zwischen der äußeren Seitenwand 24 und
der inneren Seitenwand 25 gegenüber den entsprechenden Dimensionen
in Ausführungsbeispiel
1 auf 1,6 mm erhöht,
und die anderen Maße
wurden auf die selben numerischen Werte eingestellt.
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Eine optische Analyse des Querschnitts
des verbundenen Teils nach der Wärmeverschweißung zeigte eine
dünne Verschmelzungsschicht 50 und
der in die Lücke
eindringende geschmolzene Kunststoff erwies sich als ungenügend, da
sich der von der äußeren Seitenwand 24,
der inneren Seitenwand 25, der Bodenfläche 26 der Nut und
dem Wulstrand gebildete Querschnittsbereich geweitet hatte.
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Als Folge fielen die entsprechenden
Festigkeitswerte unter die Werte von Ausführungsbeispiel 1.
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In den Tabellen 1 bis 3 sind die
entsprechenden Ergebnisse von Zugfestigkeit, Fallversuch und Dichtheitsversuch
aufgeführt.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Widerstandsheizelement 31 aus
Nickel-Chrom-Legierung mit rechteckigem Querschnitt verwendet.
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5 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des verbundenen Teils. Die Maße
des bei dieser Ausführungsform
verwendeten Widerstandsheizelements 31 betrugen 1,0 mm
für die
Breite X und 0,5 mm für die
Höhe Y.
Der Abstand L zwischen der äußeren Seitenwand 24 und
der inneren Seitenwand 25 betrug 1,4 mm, die Wandstärke T der
Wulst 11 betrug 1,15 mm, die Höhe A der äußeren Seitenwand 24 betrug
2,0 mm, die Höhe
B der inneren Seitenwand 25 betrug 1,5 mm, die Höhe H der
Wulst 11 betrug 2,2 mm, und die anderen Maße waren
die selben wie in Ausführungsform
1.
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Mit diesen Maßen ergab sich eine zufriedenstellende
Haftverbindung.
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In den Tabellen 1 bis 3 sind die
entsprechenden Ergebnisse von Zugfestigkeit, Fallversuch und Dichtheitsversuch
aufgeführt.
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Bei jedem Ausführungsbeispiel wurde ein ringförmiges Widerstandsheizelement
zum Versiegeln bzw. Abdichten des Gehäuses eingesetzt. Die Struktur
gemäß dieser
Erfindung lässt
sich allgemein auf jedes Verfahren zum Einschließen eines Heizelements zwischen
miteinander zu verbindenden Abschnitten von Formteilen anwenden.
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Parameter
der Prüfverfahren
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- 1. Zugversuch: Der verbundene Abschnitt wurde
in 20 × 20
mm große
Teile zerschnitten und unter Einsatz einer Zugversuchseinrichtung
vom Typ 9Model Y10-C der Fa. Toyo Seiki Co., Ltd. geprüft.
- 2. Fallversuch: Eine Platte mit einem Gewicht von 450 g wurde
im Inneren des Gehäuses
angebracht, und aus 1 m Höhe
frei auf einen Betonboden fallengelassen. Selbst bei einem sich
nur teilweisen Ablösen
des verbundenen Abschnitts ist das Prüfergebnis als nicht gut zu
bewerten.
- 3. Dichtheitsversuch: Eine Durchgangsöffnung zum Anschluss einer
Luftleitung wurde an einem Teil des Gehäuses vorgesehen, ein Luftschlauch
wurde angeschlossen und die Einheit in Wasser getaucht. Duckluft
mit 98 kPa wurde eingeleitet und das Wasser auf Bläschenbildung
hin untersucht.
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[Tabelle
1] Ergebnis des Zugversuchs
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[Tabelle
2] Ergebnis des Fallversuchs
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[Tabelle
3] Ergebnis des Dichtheitsversuchs
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Wie hierin beschrieben, sieht diese
Erfindung die Nut zur Befestigung des Heizelements an dem Pressteil
auf einer Seite sowie die vorragende Wulst, die in die genannte
Nut einzupassen ist, vor. Eine zufriedenstellende Festigkeit lässt sich
erhalten, indem die Maße
von Nut und Wulst auf der Grundlage der Größe des Heizelements definiert
werden. Die Vorteile dabei sind:
- 1. Da die
Peripherie des Heizelements vom zu schmelzenden Kunststoff umgeben
ist, erweitert sich der geschmolzene Kunststoff nicht wie im Fall
eines ebenen Stumpfstoßes,
da der Kunststoff das Heizelement umgibt und unter Ausbildung einer
dicken Schicht erhärtet.
- 2. Ist die Form des Heizelements erst einmal definiert, reicht
es aus, eine dimensionale Relation, wie von dieser Erfindung definiert,
bereitzustellen, und eine zufriedenstellende Haftfestigkeit lässt sich
mit weniger bzw. überhaupt
keiner experimentellen Tätigkeit
erhalten.
- 3. Da der geschmolzene Kunststoff in die Lücke zwischen der Wulst und
der Nut eindringt, deren Maße in dieser
Erfindung definiert sind, kann der Verbindungsbereich groß sein,
und die Scherbeanspruchung aufgrund von Verdrehen lässt sich
verbessern.
