DE10059452B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen zur rückstandfreien Ablösung des viskosen Schweißnahtwerkstoffes thermoplastischer Schweißteile vom Heizelement nach dem Anwärmvorgang, dadurch gekennzeichnet,
dass die geschliffenen Arbeitsflächen des Heizelement-Schweißwerkzeuges oder die Kontaktplatten in den Arbeitsflächen des Heizelement-Schweißwerkzeuges kurz vor dem Ende des Anwärmvorganges und während des Umstellvorganges oder während der gesamten Anwärmzeit und während des Umstellvorganges zum Abheben und Entfernen der Schweißteile vom Heizelement mit einer mechanischen Schwingung mit einer solchen Frequenz beaufschlagt werden, dass diese Schwingung zu einer Scherung der Kunststoffschmelze an der Grenzfläche zur Arbeitsfläche des Heizelement-Schweißwerkzeuges und damit zu einem Trenneffekt und zu einer rückstandfreien Trennung führt,
dass die Arbeitsflächen oder die Kontaktplatten des Heizelement-Schweißwerkzeuges, angepasst an den Thermoplastwerkstoft, die Schweißparameter und die geometrische Form der Fügeflächen der Schweißteile, in longitudinale, transversale, biaxiale oder Torsionsschwingungen versetzt werden,
dass in Abhängigkeit von der verwendeten Schwingungsart eine oder auch mehrere Schwingungsquellen eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen zur rückstandfreien Ablösung des viskosen Schweißnahtwerkstoffes thermoplastischer Schweißteile vom Heizelement nach dem Anwärmvorgang.
  • Das Heizelementschweißen von Kunststoffen ist das wichtigste Schweißverfahren für Serienteile mittlerer Größe. Seine Verfahrensschritte sind straft gegliedert, eindeutig und deshalb gut mechanisierbar und automatisierbar. Fast immer wird vorausgesetzt, dass die zu verschweißenden Teile vor dem Schweißen nicht bearbeitet werden müssen.
  • Die Verbindungsflächen der Schweißteile werden im Allgemeinen durch Berührung mit einem Heizelement auf Schweißtemperatur erwärmt und unter Druck ohne Zusatzwerkstoff miteinander verschweißt.
  • Die bei der Berührung des Thermoplastes mit dem Heizelement entstehende Schmelze bleibt teilweise aufgrund der Adhäsionskraft zwischen Schmelze und Heizelement auf der Oberfläche des Heizelementes kleben.
  • Deshalb werden die ebenen oder räumlich geformten Heizelemente beim Heizelementschweißen bis 260 °C mit PTFE besintert oder plane Heizelemente auch mit PTFE-Folie bespannt, um beim Abheben der Schweißteile vom Heizelement ein rückstandfreies Ablösen der Nahtschmelze vom Heizelement zu gewährleisten.
  • Solche Lösungen sind aus der Praxis und aus der Schutzrechtsliteratur bekannt. So wird in der DE 29 24 930 A1 eine Heizelementbeschichtun aus Polyfluoräthylen genannt. Heizelementüberzüge aus PTFE-Folie oder PTFE-Gewebe sind aus der DE 37 41 100 A1 , sowie aus den DE 88 06 83 U1 und DE 89 06 083 U1 bekannt.
  • Nachteilig bei allen diesen PTFE-Beschichtungen oder Überzügen ist, dass sie beim Schweißen in der Serienfertigung einem hohen Verschleiß unterliegen und die zyklische Erneuerung dieser Beschichtungen oder Überzüge auf den Heizelementen den kontinuierlichen Prozeßablauf stört.
  • Weiterhin kann es bei Werkstoffen mit niedriger Schmelzeviskosität trotz Antihaftbeschichtung des Heizelementes mit PTFE zum teilweise Anhaften von Schmelze am Heizelement kommen. Dies ist dann der Fall, wenn die Adhäsion der Nahtschmelze auf dem Heizelement größer ist als die Kohäsion in der Schmelze.
  • Darüber hinaus sind PTFE-Beschichtungen beim Schweißen mit Temperaturen > 270 °C nicht mehr einsetzbar, da PTFE nur bis 327 °C temperaturbeständig ist und sich bei einer Temperatur von 400 °C zersetzt.
  • Eine Vertahrensvariante des Heizelementschweißens ist das Hochtemperaturschweißen. Dieses wird in der automatisierten Serienschweißtechnik eingesetzt. Der Verfahrensablauf entspricht dem des traditionellen Heizelementschweißens, jedoch werden die Fügeflächen bei Heizelementtemperaturen > 270 °C und in wesentlich kürzeren Anwärmzeiten durch Kontakt mit der metallisch blanken Heizelementoberfläche plastiziert. Es lassen sich nur Thermoplaste schweißen, deren thermische Zersetzungsprodukte mit zunehmender Temperatur flüssig oder gasförmig sind (z. B. Polyolefine, Polyamide u. a.). Es entsteht eine sehr dünnflüssige Schmelze, deren teilweise thermisch geschädigte Bestandteile beim Fügen aus der Naht gedrückt werden. Am Hochtemperaturheizelement entsteht eine Schmelzzone mit einem sehr komplexen Schichtaufbau, von der Dampfphase bis zu einer integralen Schmelzeschicht. Innerhalb dieser Schmelzeschicht entstehen auch reaktionsfähige Schmelzeanteile, die mit gleicher Schmelze unter Druck eine Schweißverbindung eingehen.
  • Einige Werkstoffe, z. B. Polyamide, neigen aber auch beim Hochtemperatur-Heizelementschweißen aufgrund ihrer sehr geringen Schmelzeviskosität zum Klebenbleiben der Schmelze am Schweißwerkzeug, was zu einer unstabilen Nahtqualität führt und verschmutzte Heizelemente zur Folge hat.
  • Diese verschmutzten Heizelemente müssen ausgetauscht oder gereinigt werden, wodurch Unterbrechungen und Störungen im Prozeßablauf verursacht werden. Eine Antihaftbeschichtung des Heizelementes aus PTFE oder Überzüge aus PTFE-Folien oder -Gewebe scheidet aus, da PTFE beim Hochtemperaturschweißen. mit Heizelementtemperaturen > 270 °C selbst versagt.
  • In der DE 32 31 861 C2 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von zwei Palettenhalbschalen zu einer kompletten Transportpalette mittels Heizelementschweißen beschrieben. Die Schweißflächen der Kunststoff-Formteile werden durch Berührung mit dem Heizelement auf Schweißtemperatur erwärmt und unter Druck ohne Zusatzwerkstoff miteinander verschweißt. Problematisch bei der Erwärmung der Schweißflächen ist, daß die bei der Berührung mit dem Heizelement entstehende Schmelze teilweise aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen Schmelze und Heizelement auf der Oberfläche des Heizelementes klebt und anhaftet. Die Schweißflächen werden durch die fehlende und auf dem Heizelement haftende Schmelze geometrisch unregelmäßig, was eine ebenfalls unregelmäßige Schweißnaht mit geringer mechanischen Festigkeit zur Folge hat. Darüber hinaus wird die am Heizelement anhaftende Schmelze durch die hohen Heizelementtemperaturen thermisch geschädigt und die Abbauprodukte werden beim nachfolgenden Schweißvorgang mit in die Schweißnaht transportiert, was ebenfalls eine geringe mechanische Festigkeit der Schweißnaht bewirkt. Zur Vermeidung des Anhaftens der Kunststoffschmelze am Heizelement wird vorgeschlagen, das Formteil nach dem Erwärmen und Anschmelzen schlagartig mit einer hohen Geschwindigkeit von mehr als 300 mm/s vom Heizelement zu trennen. Die Schweißvorrichtung dazu besteht aus einem stabilen, steifen Maschinengestell mit einer Aufspannplatte für die Formteile, die wiederum auf einer translatorisch, in vertikaler Richtung verfahrbaren, Bewegungseinrichtung angeordnet ist. Die Bewegungseinrichtung wird durch Hydraulikzylinder angetrieben.
  • Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß eine aufwendige und kostenintensive Maschinentechnik mit sehr hohen Beschleunigungen und schnellen Verfahrbewegungen notwendig ist. Diese Bewegungsabläufe erfordern eine steife und robuste Konstruktion der Schweißvorrichtung und führen zu hohen mechanischen Belastungen und zu hohem Verschleiß der Bauteile.
  • Der Erfindung liegt die, Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen zu schaffen, bei dem die auf Schweißtemperatur angewärmten Schweißteile, insbesondere solche mit niedrigviskoser Nahtschmelze, rückstandfrei vom Heizelement-Schweißwerkzeug getrennt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die geschliffenen Arbeitsflächen des Heizelement-Schweißwerkzeuges während des Umstellvorganges zum Abheben und Entfernen der Schweißteile vom Heizelement mit mechanischen Schwingungen beaufschlagt werden, die zu einer Scherung der Kunststoffschmelze in der Grenzfläche zum Heizelement-Schweißwerkzeug führen und dadurch eine rückstandfreie Trennung zwischen den Schweißteilen und dem Heizelement-Schweißwerkzeug bewirken. Es entsteht an der Kontaktfläche zwischen Nahtschmelze und Heizelement-Schweißwerkzeugoberfläche eine intensive Scherung, bei der die Kohäsionskräfte der Schmelze größer sind als die Adhäsionskräfte zur Schweißwerkzeugoberfläche. Dieser Trenneffekt bewirkt, dass es zu einer rückstandlosen Trennung zwischen Schweißwerkzeug und Schweißteil kommt.
  • Die Schwingungserzeugung kann mit mechanischen, elektrischen oder akustischen Schwingungsquellen erfolgen. Am Heizelement-Schweißwerkzeug können eine oder mehrere Schwingungsquellen eingesetzt werden.
  • Die Arbeitsflächen des Heizelement-Schweißwerkzeuges können, angepasst an den Thermoplastwerkstoff, die Schweißparameter und die geometrische Form der Fügeflächen der Schweißteile, in longitudinale, transversale, biaxiale oder Torsionsschwingungen versetzt werden. In Abhängigkeit von der verwendeten Schwingungsart können die Arbeitsflächen auch sphärische Formen aufweisen.
  • Zum Schutz der temperaturempfindlichen Schwingungsquelle ist zwischen Heiz element-Schweißwerkzeug und Schwingungsquelle ein Kühlelement angeordnet, welches in der Lage ist, mechanische Schwingungen zu übertragen und einer Wärmeleitung von der heißen Schweißwerkzeugoberfläche zur Schwingungsquelle entgegenzuwirken bzw. die Wärme abzuführen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem Heizelement-Schweißwerkzeug mit an den Arbeitsflächen angeordneten beweglichen Kontaktplatten, die durch den Heizelement-Körper auf die erforderliche Schweißfemperätur erwärmt werden und als Anlageflächen für das Anwärmen der Schweißteile dienen. Die Kontaktplatten sind über ein Kühlelement mit einer Schwingungsquelle fest verbunden. Das Kühlelement muß schwingfähig und an die jeweilige Schwingungsquelle angepasst sein. Beim Erwärmen von Schweißteilen an den Kontaktplatten bewegen sich die Kontaktplatten zunächst nicht, um einen effektiven Wärmeübergang zu erzielen. Kurz vor dem Ende des Anwärmvorganges und während des Umstellvorganges werden die Kontaktplatten durch die Schwingungsquelle in Schwingungen versetzt, sodass ein Trenneffekt einsetzt, dadurch, dass an der Grenzfläche des viskosen Schweißnahtwerkstoffes zur Kontaktplatte eine sehr hohe Scherung entsteht, die zu einem rückstandlosen Ablösen der Schweißteile von den Kontaktplatten führt.
    •
  • Der Heizelementkörper mit den Kontaktplatten kann auch eine sphärische Form aufweisen und der Geometrie der Fügeflächen der Schweißteile angepasst sein. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Heizelement mit transversal schwingenden Oberflächen
  • 2 ein Heizelement mit longitudinal schwingender Oberfläche
  • Nach einem ersten Ausführungsbeispiel, 1, befinden sich im Heizelementkörper 1 zum Stumpfschweißen von thermoplastischen Teilen 7 bei Heizelementtemperaturen über 270 °C in den Heizelementarbeitsflächen 2 an beiden Seiten Längsführungen 3, in denen längs bewegliche Kontaktplatten 4 mit geschliffener, metallisch blanker Oberfläche angeordnet sind, die durch den Heizelementkörper 1 auf die erforderliche Schweißtemperatur erwärmt werden. Die Kontaktplatten 4 sind die Anlageflächen zum Anwärmen der Schweißteile 7. Die am hinteren Ende des Heizelementkörpers miteinander fest verbundenen Kontaktplatten 4 sind über ein Kühlelement 8 mit einer mechanischen Schwingungsquelle 5, z. B. mit einem Ultraschallschwingsystem, fest verbunden. Das Kühlelement 8 muss schwingfähig und an die jeweilige Schwingungsquelle angepasst sein.
  • Beim Erwärmen von Schweißteilen 7 an den Kontaktplatten 4 auf Schweißtemperatur bewegen sich die Kontaktplatten 4 zunächst nicht, um einen effektiven Wärmeübergang zu erzielen. Erst kurz vor dem Ende des Anwärmvorganges und während des Umstellvorganges bis zum Ablösen des Schweißteiles 7 werden die Kontaktplatten 4 durch die Schwingungsquelle 5 in transversale Schwingungen 6 versetzt, wodurch an der Grenzfläche des viskosen Schweißnahtmaterials zur Kontaktplatte 4 eine sehr hohe Scherung entsteht, die zu einem rückstandlosen Ablösen der Schweißteile 7 führt.
  • Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, 2, werden mit Hilfe einer Schwingungsquelle 5, z. B. mit einem Ultraschallschwingsystem über ein Kühlelement 8 und ein Koppelstück 9 longitudinale Schwingungen 6 auf den Heizelementkörper 1 übertragen. Die Heizelementarbeitsfläche 2 schwingt somit mit longitudinalen Schwingungen 6. Das Kühlelement 8 sowie das Koppelstück 9 müssen schwingfähig und an die jeweilige Schwingungsquelle angepasst sein. Zum Stumpfschweißen thermoplastischer Teile 7 werden diese durch den Heizelementkörper 1 auf die erforderliche Schweißtemperatur erwärmt. Die Heizelementarbeitsfläche 2 kann während der gesamten Erwärmungszeit oder auch erst kurz vor dem Ende des Anwärmvorganges bis zum Ablösen der Schweißteile 7 schwingen, wodurch an der Grenzfläche des viskosen Schweißnahtmaterials zur Heizelementarbeitsfläche 2 eine sehr hohe Scherung entsteht, die zu einem rückstandlosen Ablösen der Schweißteile 7 führt. Zum Anschmelzen der beiden Schweißteile 7 werden entweder zwei räumlich getrennte schwingbare Heizelementkörper 1 vorgesehen oder beide Teile werden nebeneinander an einem Heizelementkörper 1 angewärmt. Das Fügen beider Teile kann über eine nicht weiter dargestellte Bewegungsmechanik, die über mehrere Bewegungsrichtungen verfügt, erfolgen, z. B. indem Schweißteile 7, die nebeneinander an einem Heizelementkörper angewärmt werden, durch eine 90-Grad-Schwenkbewegung vom Heizelementkörper 1 gelöst werden, sich nach erfolgter Schwenkbewegung in Fügeposition befinden und dann gefügt werden. Die Heizelementarbeitsflächen 2 können auch eine sphärische Form besitzen, die der Geometrie der Fügeflächen angepasst ist.
    • 1
    Heizelementkörper
    2
    Heizelementarbeitsflächen
    3
    Längsführungen
    4
    Kontaktplatten
    5
    Schwingungsquelle
    6
    Schwingrichtung
    7
    Schweißteil
    8
    Kühlelement
    9
    Koppelstück

Claims (2)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen zur rückstandfreien Ablösung des viskosen Schweißnahtwerkstoffes thermoplastischer Schweißteile vom Heizelement nach dem Anwärmvorgang, dadurch gekennzeichnet, dass die geschliffenen Arbeitsflächen des Heizelement-Schweißwerkzeuges oder die Kontaktplatten in den Arbeitsflächen des Heizelement-Schweißwerkzeuges kurz vor dem Ende des Anwärmvorganges und während des Umstellvorganges oder während der gesamten Anwärmzeit und während des Umstellvorganges zum Abheben und Entfernen der Schweißteile vom Heizelement mit einer mechanischen Schwingung mit einer solchen Frequenz beaufschlagt werden, dass diese Schwingung zu einer Scherung der Kunststoffschmelze an der Grenzfläche zur Arbeitsfläche des Heizelement-Schweißwerkzeuges und damit zu einem Trenneffekt und zu einer rückstandfreien Trennung führt, dass die Arbeitsflächen oder die Kontaktplatten des Heizelement-Schweißwerkzeuges, angepasst an den Thermoplastwerkstoft, die Schweißparameter und die geometrische Form der Fügeflächen der Schweißteile, in longitudinale, transversale, biaxiale oder Torsionsschwingungen versetzt werden, dass in Abhängigkeit von der verwendeten Schwingungsart eine oder auch mehrere Schwingungsquellen eingesetzt werden.
  2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale, dass das Heizelement-Schweißwerkzeug (1) an den Arbeitsflächen (2) bewegliche Kontaktplatten (4) besitzt, die als Anlagefläche für das Anwärmen der Schweißteile (7) dienen, dass die Kontaktplatten (4) an einem Ende miteinander verbunden sind und an dem verbundenen Ende über ein Kühlelement (8) mit einer Schwingungsquelle (5) verbunden sind, dass das Kühlelement (8) schwingfähig ist und der Schwingungsquelle angepasst sein muss, dass die Arbeitsflächen (2) des Heizelement-Schweißwerkzeuges (1) über ein Koppelstück (9) und ein Kühlelement (8) mit einer Schwingungsquelle (5) verbunden sind, dass die Arbeitsflächen (2) des Heizelement-Schweißwerkzeuges (1) in Abhängigkeit von der verwendeten Schwingungsart sphärische Formen aufweisen können.
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