WO2008148446A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufschmelzen eines thermoplastischen kunststoffes, insbesondere zum schweissen von kunststoffteilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum aufschmelzen eines thermoplastischen kunststoffes, insbesondere zum schweissen von kunststoffteilen Download PDF

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plastic
radiation
gas
heating
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Joachim Natrop
Ralf Bauer
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    • B29C65/1403—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the type of electromagnetic or particle radiation
    • B29C65/1412—Infrared [IR] radiation
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    • B29C66/91421—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature, the heat or the thermal flux by controlling or regulating the temperature of the joining tools

Definitions

  • thermoplastic material in particular for welding plastic parts
  • the invention relates to a method and a device for melting a thermoplastic material, in particular for welding plastic parts, in which (the) the plastic is heated by means of a radiation body by heat radiation and at the same time by applying a hot gas by convection.
  • a method and a device of the generic type are known, in which (the) for melting the plastics they are heated by means of thermal radiation and at the same time acted upon with a hot gas.
  • a hot gas either heated air is used, or it is a protective gas, for.
  • nitrogen or other inert gas used which are supplied through openings in the radiation body to the plastic.
  • the heating of the gas takes place by means of heating elements, such as heating wires or heating cartridges.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus of the generic type, in which (the) the energy is used very efficiently.
  • Figure 1 shows the side view of a welding machine with the invention
  • FIG. 2 shows the section through a device according to the invention
  • FIG. 3 is a perspective view of the embodiment according to FIG. 2,
  • FIGS. 4 to 8 show the construction of the device according to FIG. 2,
  • Figure 9 shows a perspective view of an alternative device which serves to melt a flat welding part.
  • the apparatus 1 for melting plastics is part of a welding machine for welding plastic parts, which are provided in Figure 2 by the reference numerals 2 and 3.
  • Welding machines are heated by means of the device 1, the surfaces of two plastic parts to be connected 2, 3 to the bonding temperature at which the plastics of both parts along the weld line are in a plastic state. The heated surfaces are then joined under pressure.
  • the device shown in perspective in section and in FIGS. 3 to 8 serves in each case for heating a rectilinear, elongated and narrow joining surface 2. 1, 3. 1 on the plastic parts 2, 3.
  • the device has at least one channel-shaped radiation body 4 which burns on its inside a heating gas is heated and the outer surface emits the combustion energy in the form of heat radiation.
  • the radiation body 4 has outlet openings 5 for the combustion exhaust gases, which are respectively directed to the joining surfaces of the plastic parts 2, 3.
  • the device For heating both plastic parts 2, 3, the device has two radiation bodies
  • the two radiation body 4 are mirror images of each other and arranged and have a common supply channel 6 for the heating gas, preferably a gas / air mixture.
  • both parts of the device each contain a supply channel 6 for the heating gas, the two channels when screwing the two parts close to each other, so that a shared feed channel 6 is formed in which distributes the supplied fuel gas evenly.
  • Both channels 6 each have along their bottom a number of Gasaustrittsöffnu ⁇ gen 7, which are covered by a seal 8.
  • On the seal 8 is a fleece 10, which in turn is covered by a cover plate 14.
  • the seal 8, the fleece 10 and the cover plate 14 also have openings, so that the openings 7 are not covered.
  • the openings 7, the seal 8, the fleece 10 and the cover plate 14 form a burner 9, the flame and exhaust gas space is the interior of the radiation body 4.
  • the fleece 10 thereby causes the heating gas in the burner 9 burns very evenly.
  • the burner 9 On the exhaust side, the burner 9 is closed by the channel-shaped radiation body 4, so that all the exhaust gases are passed through the radiation body 4 and then through the openings 5 to the outside.
  • the radiation body 4 is heated via its inner side so that its outer surface radiates heat and releases it to the plastic part 2, 3.
  • the heating gas is ignited by an igniter. It burns evenly in the burner 9 on the nonwoven fabric 10.
  • the burner 9 is operated so that the radiation body 4 heats up strongly and emits radiant heat on its outer surface. This radiant heat is emitted via the correspondingly shaped surface 11 of the surface of the radiation body 4 to the joining surface 2.1, 3.1 of the plastic parts 2, 3.
  • the exhaust gas formed in the burner 9 collects inside the channel-shaped radiation body 4, then exits through the openings 5 and impinges on the joining surfaces 2.1, 3.1.
  • the radiating surface 11 of the radiation body 4 and the openings 5 are designed and arranged such that they follow the joining surface 2.1, 3.1 to be heated.
  • a temperature sensor 12 is arranged in the region of the radiating surface 11 of the radiation body 4, which measures the temperature of the surface 11.
  • the burner 9 is operated so that the desired temperature of the radiation surface 11 is established.
  • a second temperature sensor 13 is arranged in the interior of the radiation body 4, from which the exhaust gas temperature is measured.
  • the burner 9 can thus be controlled or controlled so that the desired exhaust gas temperature or temperature at the surface 11 sets.
  • the joining surface 2.1, 3.1 of the plastic parts 2, 3 can be so targeted melt by the hot exhaust gas and by the radiant heat emitted by the radiation body 4.
  • the gas / air mixture is adjusted for burning so that the oxygen content in the exhaust gas is minimal.
  • the exhaust gas thus acts during heating of the plastic parts 2, 3 at the same time as inert gas.
  • the formation of oxygen compounds on the surface of the plastic during heating is reduced or even avoided.
  • the contour of the radiation body 4 is adapted to that of the plastic parts 2, 3 to be heated. If certain areas of a plastic nozzle 2, 3 exposed to heat radiation or convection are not to be heated, this can be achieved by means of blind-type covers. These covers are attached to the outside of the radiation body 4 at the corresponding locations and prevent the corresponding areas of the plastic parts 2, 3 from being heated up inappropriately.
  • the radiating outer surface 11 of the radiation body 4 is circular on the outside and has a cross-shaped shape in the middle.
  • a large number of outlet openings 5 for the exhaust gas from the combustion are arranged inside the radiating surface 11.
  • the contour of the parts to be welded is shown, here by way of example a circle and a cross. It can also be any other contour corresponding to the weld seam are displayed.
  • the openings 5 are arranged according to the weld seam.

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Abstract

Verfahren zum Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes, insbesondere zum Schweißen von Kunststoffteilen, bei dem der Kunststoff mittels eines Strahlungskörpers (4) durch Wärmestrahlung und zugleich durch Beaufschlagung mit einem heißen Gas erhitzt wird, wobei erfindungsgemäss vorgesehen ist, dass der Strahlungskörper (4) an seiner Innenseite durch Verbrennung eines Heizgases erhitzt wird und dass der Kunststoff mit dem Abgas der Verbrennung beaufschlagt wird.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren und Vorrichtung zum Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes, insbesondere zum Schweißen von Kunststoffteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes, insbesondere zum Schweißen von Kunststoffteilen, bei dem (der) der Kunststoff mittels eines Strahlungskörpers durch Wärmestrahlung und zugleich durch Beaufschlagung mit einem heißen Gas durch Konvektion erhitzt wird.
Bekannterweise werden beim Schweißen von Kunststoffteilen die Oberflächen zweier zu verbindender Fügeteile auf eine Fügetemperatur erwärmt, bei der der Kunststoff aufgeschmolzen ist, und die erwärmten Flächen werden anschließend unter Druck gefügt. Zum Aufschmelzen der Kunststoffe entlang der Schweißlinie werden verschiedene physikalische Möglichkeiten genutzt: Wärmeleitung, innere und äußere Reibung, Konvektion und/oder Strahlung. Damit sich die zu verschweißenden Kunststoffteile verbinden, müssen sich die Kunststoffe beim Fügen in einem plastischen Zustand befinden.
Aus der EP 1 415 789 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem (der) zum Aufschmelzen der Kunststoffe diese mittels Wärmestrahlung erwärmt und zugleich mit einem heißen Gas beaufschlagt werden. Als heißes Gas wird entweder erwärmte Luft verwendet, oder es wird ein Schutzgas, z. B. Stickstoff oder ein anderes Inertgas, eingesetzt, das durch Öffnungen im Strahlungskörper dem Kunststoff zugeführt werden. Die Erhitzung des Gases erfolgt mittels Heizelementen, wie Heizdrähten oder Heizpatronen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, bei dem (der) die Energie sehr effizient genutzt wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 4 gelöst.
Die Unteransprüche enthalten bevorzugte, da besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 die Seitenansicht einer Schweißmaschine mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Figur 2 den Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach Figur 2,
Figuren
4 - 8 zeigen den Aufbau der Vorrichtung nach Figur 2,
Figur 9 zeigt in perspektivischer Darstellung eine alternative Vorrichtung, die dazu dient, ein flächiges Schweißteil aufzuschmelzen.
Wie in Figur 1 dargestellt, ist die Vorrichtung 1 zum Aufschmelzen von Kunststoffen Teil einer Schweißmaschine zum Schweißen von Kunststoffteilen, die in Figur 2 mit den Bezugszeichen 2 und 3 versehen sind. Wie bei den bekannten Heizelement- Schweißmaschinen werden mittels der Vorrichtung 1 die Oberflächen zweier zu verbindender Kunststoffteile 2, 3 auf die Fügetemperatur erwärmt, bei der sich die Kunststoffe beider Teile entlang der Schweißlinie in einem plastischen Zustand befinden. Die erwärmten Flächen werden anschließend unter Druck gefügt.
Die im Schnitt und in den Figuren 3 bis 8 perspektivisch dargestellte Vorrichtung dient jeweils zum Erhitzen einer geradlinigen, langgestreckten und schmalen Fügefläche 2.1 , 3.1 an den Kunststoffteilen 2, 3. Die Vorrichtung weist zumindest einen kanalförmigen Strahlungskörper 4 auf, der an seiner Innenseite durch Verbrennung eines Heizgases erhitzt wird und dessen äußere Oberfläche die Verbrennungsenergie in Form von Wärmestrahlung abgibt. Der Strahlungskörper 4 weist Austrittsöffnungen 5 für die Verbrennungsabgase auf, die jeweils zu den Fügeflächen der Kunststoffteile 2, 3 gerichtet sind.
Zum Erhitzen beider Kunststoffteile 2, 3 weist die Vorrichtung zwei Strahlungskörper
4 mit Abgasöffnungen 5 auf, die mit jeweils entgegengesetzt zueinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Bevorzugt sind die beiden Strahlungskörper 4 spiegelbildlich zueinander aufgebaut und angeordnet und weisen einen gemeinsamen Zufuhrkanal 6 für das Heizgas auf, bevorzugt ein Gas-/Luftgemisch. Die äußere Kontur des Strahlungskörpers 4 und die Anordnung der Abgasöffnungen
5 ist den zur erwärmenden Fügeflächen der Kunststoffteile 2, 3 angepasst gestaltet.
Bei der Ausführungsform nach Figur 2 enthalten beide Teile der Vorrichtung jeweils einen Zuführkanal 6 für das Heizgas, wobei die beiden Kanäle beim Zusammenschrauben der beiden Teile sich gegenseitig schließen, so dass ein gemeinsam genutzter Zufuhrkanal 6 entsteht, in dem sich das zugeführte Heizgas gleichmäßig verteilt. Beide Kanäle 6 weisen jeweils entlang ihres Bodens eine Reihe von Gasaustrittsöffnuπgen 7 auf, die von einer Dichtung 8 abgedeckt sind. Auf der Dichtung 8 liegt ein Vlies 10 auf, das wiederum von einem Abdeckblech 14 abgedeckt wird. Die Dichtung 8, das Vlies 10 und der Abdeckblech 14 weisen ebenfalls Öffnungen auf, damit die Öffnungen 7 nicht abgedeckt sind. Die Öffnungen 7, die Dichtung 8, das Vlies 10 und das Abdeckblech 14 bilden einen Brenner 9, dessen Flamm- und Abgasraum das Innere des Strahlungskörpers 4 ist. Das Vlies 10 bewirkt dabei, dass das Heizgas im Brenner 9 sehr gleichmäßig verbrennt.
Abgasseitig wird der Brenner 9 durch den kanalförmigen Strahlungskörper 4 verschlossen, so dass alle Abgase durch den Strahlungskörper 4 und anschließend durch die Öffnungen 5 nach außen geführt werden. Mittels des Brenners 9 wird der Strahlungskörper 4 über seine Innenseite so erhitzt, dass seine äußere Oberfläche Wärme abstrahlt und an das Kunststoffteil 2, 3 abgibt.
Zu Beginn der Erwärmung wird das Heizgas durch eine Zündvorrichtung gezündet. Es verbrennt gleichmäßig im Brenner 9 auf dem Vlies 10. Der Brenner 9 wird so betrieben, dass sich der Strahlungskörper 4 stark erhitzt und auf seiner äußeren Oberfläche Strahlungswärme abgibt. Diese Strahlungswärme wird über die entsprechend gestaltete Fläche 11 der Oberfläche des Strahlungskörpers 4 an die Fügefläche 2.1 , 3.1 der Kunststoffteile 2, 3 abgegeben. Das im Brenner 9 entstehende Abgas sammelt sich im Inneren des kanalförmigen Strahlungskörpers 4, tritt anschließend durch die Öffnungen 5 aus und trifft auf die Fügeflächen 2.1, 3.1 auf. Die strahlende Oberfläche 11 des Strahlungskörpers 4 und die Öffnungen 5 sind dabei so gestaltet und angeordnet, dass sie der zur erwärmenden Fügefläche 2.1 , 3.1 folgen.
Zur Steuerung des Aufschmelzvorgangs ist ein Temperaturmessfühler 12 im Bereich der strahlenden Oberfläche 11 des Strahlungskörpers 4 angeordnet, der die Temperatur der Oberfläche 11 misst. Mittels des Fühlers 12 wird der Brenner 9 so betrieben, dass sich die gewünschte Temperatur der Strahlungsfläche 11 einstellt. Bevorzugt ist ein zweiter Temperaturmessfühler 13 im Innern des Strahlungskörpers 4 angeordnet, von dem die Abgastemperatur gemessen wird. Der Brenner 9 kann damit so geregelt oder gesteuert werden, dass sich die gewünschte Abgastemperatur oder Temperatur an der Oberfläche 11 einstellt. Die Fügefläche 2.1, 3.1 der Kunststoffteile 2, 3 läßt sich so gezielt durch das heiße Abgas und durch die vom Strahlungskörper 4 abgegebene Strahlungswärme aufschmelzen.
Bevorzugt wird das Gas-/Luftgeschmisch zum Verbrennen so eingestellt, dass der Sauerstoffgehalt im Abgas minimal ist. Das Abgas wirkt so beim Erwärmen der Kunststoffteile 2, 3 zugleich als Schutzgas. So wird das Entstehen von Sauerstoffverbindungen an der Oberfläche des Kunststoffes während der Erwärmung reduziert oder sogar vermieden.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Kontur des Strahlungskörpers 4 dem der zu erwärmenden Kunststoffteile 2, 3 angepasst. Falls bestimmte, der Wärmestrahlung oder Konvektion ausgesetzte Bereiche eines Kunststoffteüs 2, 3 nicht erwärmt werden sollen, so läßt sich dies durch blendenartige Abdeckungen erreichen. Diese Abdeckungen werden an der Außenseite des. Strahlungskörpers 4 an den entsprechenden Stellen angebracht und verhindern, dass die entsprechenden Bereiche der Kunststoffteile 2, 3 unzulässig aufgewärmt werden.
In Figur 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, die dazu dient, ein flächiges Kunststoffteil aufzuschmelzen. Die strahlende Außenfläche 11 des Strahlungskörpers 4 ist beispielhaft außen kreisförmig und in der Mitte kreuzförmig gestaltet, innerhalb der strahlenden Fläche 11 ist eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 5 für das Abgas aus der Verbrennung angeordnet. So wird die Kontur der zu schweißenden Teile abgebildet, hier beispielhaft ein Kreis und ein Kreuz. Es kann auch eine beliebige andere Kontur entsprechend dem Schweißnahtverlauf abgebildet werden. Die Öffnungen 5 werden entsprechend dem Schweißnahtverlauf angeordnet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1.
Verfahren zum Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes, insbesondere zum Schweißen von Kunststoffteilen, bei dem der Kunststoff mittels eines Strahlungskörpers (4) durch Wärmestrahlung und zugleich durch Beaufschlagung mit einem heißen Gas erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskörper (4) an seiner Innenseite durch Verbrennung eines Heizgases erhitzt wird und dass der Kunststoff mit dem Abgas der Verbrennung beaufschlagt wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsabgas durch Öffnungen in dem Strah/ungskörper (4) dem Kunststoff zugeführt wird.
3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch des Heizgases so eingestellt ist, dass der Sauerstoffgehalt im Abgas minimal ist.
4.
Vorrichtung zum Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes, insbesondere zum Schweißen von Kunststoffteifen, mit einem erhitzbaren Strahlungskörper (4), der eine Wärmestrahlung abgebende Oberfläche (12) und Austrittsöffnungen (5) für ein heißes Gas zur Erhitzung des Kunststoffes aufweist, gekennzeichnet durch einen mit einem Heizgas betriebenen Brenner (9), der den Strahlungskörper (4) an seiner Innenseite aufheizt und dessen Abgase dem Innern des Strahlungskörpers (4) zugeführt werden, und durch einen Strahlungskörper (4), der in der strahlenden Oberfläche Austrittsöffnungen (5) für die Abgase des Brenners (9) aufweist.
5.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Αußenkontur des Strahlungskörpers (4) zumindest teilweise der Kontur des zu erhitzenden Kunststoffteiles (2, 3) angepasst gestaltet ist.
6.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlende Oberfläche (11) des Strahlungskörpers (4) der Fügefläche (2.1 , 3.1) des Kunststoffteifes (2, 3) angepasst gestaltet ist.
7.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (12) zur Messung der Temperatur der strahlenden Fläche (11) des Strahlungskörpers (4).
8.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (13) zur Messung der Abgastemperatur im Innern des Strahlungskörpers (4).
9.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Strahlungskörpers (4) blendenförmige Abdeckungen angebracht sind, die eine unzulässige Erwärmung von bestimmten Bereichen der Kunststoffteile (2, 3) verhindern.
10.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorrichtung aus zwei entgegengesetzt zueinander angeordneten Strahlungskörpern (4) aufbaut, die jeweils einen Brenner (9) aufweisen.
11.
Schweißmaschine zum Schweißen von Kunststoffteilen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 4 bis 10 enthält.
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