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Einrichtung zur Wärmebehandlung thermoplastischer Stoffe im hodifrequenten
Kondensatorfeld Zur Wärmebehandlung thermoplastischer Stoffe, insbesondere in Folienform,
verwendet man heute vielfach hochfrequente Kondensatorfelder, die den Stoff durchsetzen
und auf diese Weise eine dielektrische Erwärmung desselben bewirken.
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Es sind auch bereits verschiedene Anordnungen und Vorrichtungen vorgeschlagen
worden, die nach dem obenerwähnten Prinzip arbeiten und mit deren Hilfe es gelingt,
eine Verschweißung oder Deformierung des zu behandelnden Stoffes zu erzielen.
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Eine Voraussetzung hierfür ist es jedoch, daß der Verlustfaktor (tag8)
des zu behandelnden thermoplastischen Stoffes eine bestimmte Größe nicht unterschreitet,
weil sich in diesem Falle keine oder zumindest keine hinreichende Erwärmung erzielen
läßt.
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Die Erfindung bezweckt, eine Erwärmung thermoplastischer Stoffe und
damit auch deren Warmbearbeitung (Deformation, Schweißung) im hochfrequenten Kondensatorfeld
auch dann zu ermöglichen, wenn der Verlustfaktor des zu behandelnden Stoffes so
klein ist, daß sich bei Anwendung der bisher bekannten, nach dem Prinzip der dielektrischen
Erwärmung arbeitenden Einrich-
tungen keine hinreichende Erwärmung
des Stoffes mehr erzielen läßt. Die Einwirkung des hochfrequenten Feldes ist nach
der Erfindung im Gegensatz zum Bekannten keine ausschließlich direkte mehr.
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Erfindungsgemäß werden vorzugsweise zwischen den Elektroden und dem
zu behandelnden Stoff zumindest an einer Seite eine oder mehrere Scheiben oder Folien
eines Stoffes mit relativ hohem dielektrischem Verlustfaktor eingelegt.
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Das Prinzip dieser Anordnung geht aus Fig. I hervor, in der die Folien
I und 2 aus thermoplastischem Stoff mit sehr geringen dielektrischen Verlusten zwischen
den Elektroden 3 und 4 durch Einwirkung einer Hochfrequenzspannung, die an die Elektroden
3 und 4 gelegt wird, miteinander verschweißt werden sollen. Nach Anlegen der -Spannung
wird sich zunächst die zwischengelegte Scheibe 5 aus einem Stoff mit vorzugsweise
hohen dielektrischen Verlusten erwärmen und sodann ihre Wärme u. a. an die thermoplastischen
Folien I und 2 abgeben. Die indirekte Erwärmung dieser Folien kann dabei durchaus
so weitgehend sein, daß sie in eilen plastischen Zustand versetzt und miteinander
verschweißt werden. Da der Verlustfaktor thermoplastischer Stoffe im allgemeinen
mit zunehmender Erwärmung größer wird, hesteht auch die Möglichkeit, daß nach Erreichung
einer gewissen Temperatur, die durch Wärrnefluß von der Zwischenscheibe 5 erzielt
wurde, eine direkte dielektrische Erwärmung und anschließende Verschweißung der
heiden Folien I und 2 in üblicher Weise erfolgt.
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Das Prinzip des Einlegens von Zwischenscheiben aus Stoffen mit relativ
hohem Verlustfaktor ist für sämtliche Anordnungen und Verfahren zur Warmbearbeitung
thermqplastisgher Stoffe anwendhar.
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Es muß nur dafür gesorgt werden, daß eine gegenseitige nachteilige
Beeinflussung (z. B. Klehen) der Zwischenlegscheibea und der zu bearbeitenden thermoplastischen
Stoffe vermieden wird. Man wird also zweckmäßig einen Stoff verwenden, welcher seinen
Aggregatzustand innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches nicht oder nur unwesentlich
verändert, beispielsweise Porzellan.
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Man kann auch wenigstens eine der zwei Elektroden mit einer Schicht
aus einem Stoff mit relativ hohen dielektrischen Verlusten überziehell.
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Die bisher beschriebene Anwendungsmöglichkeit der Einrichtung nach
der Erfindung betrifft im wesentlichen nur die Bearbeitung solcher thermoplastischer
Stoffe mit geringen dielektrischen Verlusten, die eine relativ geringe Dicke haben,
also vorzugsweise von Folien derartiger Stoffe. Ist dagegen die Dicke des zu bearbeitenden
Stoffes verhältnismäßig groß, so bereitet es wegen der geringen Kapazität zwischen
den Elektroden Schwierigkeiten, den eingelegten Scheiben aus Stoff mit hohen dielektrischen
Verlusten so viel Wärmeenergie zuzuführen, daß eine hinreichende Durchwärmung des
zu behandelnden Stoffes stattfindet, zumal die Wärmeleitfähigkeit derartiger Stoffe
ohnehin .iußerst gering ist. Es zeigt sich jedoch, daß sich auch dieser Nachteil
mit verhältnismäßig einfachen Mitteln leicht beseitigen läßt. Man verzichtet dabei
bewußt auf die mit erhöhter Temperatur evtl. einsetzende direkte dielektrische Erwärmung
des Stoffes mit geringen dielektrischen Verlusten.
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Entsprechend der weitergehenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der Weg des elektrischen Feldes durch den zu behandelnden Stoff mit geringen dielektrischen
Verlusten kurzgeschlossen wird.
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Das geschieht beispielsweise dadurch, daß man den zu behandelnden
Stoff mit einer vorzugsweise dünnen Folie aus elektrisch leitendem Material (z.
B. Kupfer) umgibt. Das wirkt sich so aus, als wenn zwischen den Elektroden nur die
Scheiben oder Folien der dielektrisch verlustreichen Stoffe liegen-,- die- sich
auf Grund der Zuführung hoch-. frequenter elektrischer Energie erwärmen und ihre
Wärme an die den zu bearbeitenden Stoff umgebende Folie aus leitendem Material abgeben,
wodurch sich eine hinreichende und wegen der guten Wärmeleitfähigkeit des Kupfers
auch eine ziemlich homogene Erwärmung des zu hearl)eitenden Stoffes erzielen läßt.
Statt dessen kann man natürlich auch zwischen dem zu bearbeitenden Stoff einerseits
und den eingelegten Scheiben oder Folien aus Stoffen mit hohen dielektrischen Verlusten
andererseits Scheiben oder Folien aus elektrisch leitendem Stoff einlegen, die galvanisch
miteinander verbunden sind.
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Bei der bisherigen Beschreibung solcher Schweiß-und Prägevorgänge,
die zusätzlicher Hilfsfolien bedürfen, war stets die Rede von der Bearbeitung oder
Verarbeitung von thermoplastischen Stoffen, die einen sehr geringen Verlustfaktor
(tg8) aufweisen. Es zeigt sich jedoch, daß der Erfindungsvorschlag auch für verlustbehaftete
Folien sehr vorteilhaft angewendet werden kann, inshesondere dann, wenn es sich
um die Bearbeitung, und zwar hauptsächlich um die Verschweißung, sehr dünner Folien
von einer Dicke von beispielsweise unter 0,I mm handelt.
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Die Schwierigkeit der direkten dielektrischen Verschweißung derartiger
extrem dünner Folien miteinander liegt darin, daß man hierzu einer sehr hohen Flä,chenleistung
von mehr als 200 Watt pro Quadratzentimeter bedarf; das führt, wenn man nicht extrem
hohe Frequenzen anwenden will, zu Feldstärken, denen die zu verarbeitenden Folien
nicht standzuhalten vermögen. Zur Vermeidung dieses Nachteiles wäre man hei der
direkten Verschweißung sehr dünner Folien zur Anwendung wesentlich höherer Frequenzen
gezwungen, als sie bei den bisher üblichen Vorrichtungen mit Erfolg verwendet werden.
Außerdem würde man zur Direktverschweißung derartig dünner Folien Elektroden und
Pressen von unwirtschaftlich hoher Präzision benötigen.
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Diese Schwierigkeiten umgeht man jedoch in einfacher Weise mit der
vorher l)eschriel)enen Verwendung von Hilfsfolien, wol)ei die Hilfsfolien einseitig
oder auf I>eideti Seiteii der zu verschv.-eißenden Folien gegehellellfalls nullter
Z'vischenlage
einer Trennfolie aus einem nichtthermoplastischen
Isolierstoff oder einer sehr dünnen Metallfolie eingelegt werden. I)ie Hilfsfolie
ist vorzugsweise zweckmäßig etwas stärker als die zu verschweißende dünne Folie.
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Sowohl die Verschweißung von nahezu verlustlosen Folien als auch
die Verschweißung von extrem dünnen verlustbehafteten Folien nach der Erfindung
lassen sich stapelweise derart durchführen, daß .innerhalb eines Folienpaketes Teilschweißungen
vorgenommen werden. Zu diesem Zweck legt man in den Stapel von teilweise miteinander
zu verschweißenden Folien solche Folien aus nichtthermol)lastischem Isolierstoff
oder aus dünnem Metall, die eine Verschweißung der benachbarten Folien verhindern.
Bei dieser Anordnung hat die Hilfsfolie vor allem auch die Funktion der richtigen
Temperaturvertei lung. Ist die Hilfsfolie stärker als etwa die hall>e Dicke des
zu verschweißenden Folienpaketes, so ergibt sich in diesem eine weitgehend homogene
Temperaturverteilung, die eine gleich starke Durchwärmung der einzelnen zu verschweißenden
Folien innerhalb des Stapels gewährleistet. Eine beispielsweise Anordnung der Schichtenlage
der Folien bei der Verschweißung von thermoplastischen Folien innerhalb eines Stapels
ist in schematischer Form in Fig. 2 dargestellt.
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Zwischen den Elektroden 6 und 7 ist ein Stapel von Folien angeordnet.
die jeweils paarweise miteinander verschweißt werden sollen. Zur Verhinderung unerwünschter
Zusammenschweißungen sind Zwischenlagen 8 aus Isolierstoff in den Stapel eingebracht.
Die dickeren Folien 9 dienen in erwähnter Weise dazu. das Feld innerhalb des eigentlichen
Folienpaketes zu homogenisieren und gleichzeitig zur Verhinderung einer Wärmeahleitung
aus den äußeren Schichten.
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Will man eine Stapelschweißung von Folien aus nur mit geringen Verlusten
behaftetem Material herstellen. so wählt man als Trennfolie zwischen den Lagen,
die nicht miteinander verschweißen sollen, einen mit Verlusten l>ehafteten Thermoplasten,
beispielsweise ein weichgestelltes Polyvinylchlorid. Auf diese Weise läßt sich ein
wesentlich schnelleres Verschweißen der verlustarmen Folien erzielen und vor allen
Dingen auch eine Stapelschweißung von dickeren Folien aus verlustarmem therrnol,lastischem
Material ermöglichen.
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Um die Homogenität der I)urchwärmung weiter zu erhöhen. kann man
nach Bedarf auch einzelne dieser Wärme erzeugenden Folien durch nichtthermol>lastische
oder metallische Folien ersetzen.
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Als I,esonders zweckmäßig erweist sich eine Anordnung zum beispiel
zur Stapelverschweißung von beutelit. Tüten oder ähnlichen Behältern, wenn man immer
abwechsellld zwei Folien aus thermoplastischem Stoff mit geringem Verlustfaktor
und zwei Folien aus mit Verlusten behaftetem, thermoplastischem Stoff in den Stapel
einlegt. Diese Folien wirken gegenseitig als Trennfolien und die verlustbehafteten
Folien zusätzlich noch als Hilfsfolien.
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Auf diese Weise erhält man in einem Arbeitsgang gleichzeitig fertige
Schweißerzeugnisse aus verschiedenen Stoffen. die man dann ohne Entfernuiig irgendwelcher
Zwischenfolien schneiden, stanzen usw. kann. Bei dieser Anordnung ist man natürlich
keineswegs zu einer Stapelung in dem bescllriel)ene Verhältnis 2 2 gezwungen.