DE1629219A1

DE1629219A1 - Strahlungsschweisseinrichtung zum Verschweissen von Kunststoffolien

Info

Publication number: DE1629219A1
Application number: DE19661629219
Authority: DE
Inventors: Dr Helmut Helbig; Heinz Hoernschemeyer; Kurt Rochla; August Schwarzkopf; Karl-Heinz Trautmann
Original assignee: Windmoeller and Hoelscher KG
Current assignee: Windmoeller and Hoelscher KG
Priority date: 1965-08-20
Filing date: 1966-06-02
Publication date: 1970-07-09
Also published as: FR1500197A; AT289377B

Description

Strahlungsschwei#einrichtung zum Verschweißen von Kunststoffolien Bei der Herstellung von Schwei#nähten zur Verbindung von Kunststoffolien miteinander bedient man sich in neuerer Zeit in immer zunehmendem Maße der Wärmeübertragung durch Strahlung, weil mit Kontakt-Schwei#einrichtungen, insbesondere solchen mit Schweißrollen, die Herstellung befriedigender Schweißnähte an kontinuierlich relativ zur Schweißeinrichtung bewegten Kunststoffbahnen nur bei verhältnismäßig geringen Arbeitsgeschwindigkeiten möglich ist, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Kunststoffsäcken nicht in Kauf genommen werden können. Das Wärme-Strahlungsschweißverfahren ist aber mit au#erordentlich hohen Energieverlusten verbunden, weil der aus einem Widerstandselement bestehende Strahler allseitig strahlt und trotz Verwendung von Spiegelnnur ein kleiner Bruchteil der abgestrahlten Energie den schmalen Schweißnahtbereioh erreichte Andererseitß ist es auch schwierig, die Strahlungseinwirkung auf den gewünschten schmalen Bereich zu beschränken. Zu diesem Zweck müssen diejenigen Folienteile, die unverschweißt bleiben sollen, lurch zusätzliche Bauteile abgeschirmt oder in sonstiger Weise vor der Wärmeeinwirkung geschlitzt werden. Da angesichts des verhältnismäßig ungünstigen Wirkungsgrades der Strahlungseinrichtungen und andererseits der hohen Transportgeschwindigkeit der Folien eine Einwirkung der Strahlungswärme über eine recht große Wegstrecke erforderlich ist, müssen die Schweißstationen der Verarbeitungsmaschinen sehr lang ausgebildet sein und dieser Raumbedarf muß sich mit jeder erreichten Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit der anderen Bearbeitungsstationen noch vergrößern. Die Strahlungseinrichtungen müssen ferner, um einen noch einigermaßen brauchbaren Wirkungsgrad zu erreichen, sehr nahe an die Schweißstelle herangebracht werden. 1)ie,tämpfe des erweichenden PolyEthylens führen dann aber zu einem Verschmutzen oder Beschlagen der Spiegelflächen des Reflektors, wodurch der Wirkungsgrad wieder so stark gemindert werden kann, daß eine Schweißnahtbildung nicht mehr erreichbar ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Strahlungsschweißeinrichtung- zum Verbinden von tunststoffolien mit ein ander anzugeben, bei der die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Strahlungsschweißeinrichtungen nicht mehr vorhanden sind, wird erfindungsgernäß dadurch gelöst, daß als Strahlungselement ein Laser mit kontinuierlicher Emission auf der Wellenlänge wenigstens eines Absorptionsmaximums der Kunststoffolien Verwendung findet. Die Lichtverstärkung durch erzwungene Strahlungsemission nach dem Laser-Prinzip ist bekannt und bedarf hier keiner weiteren Beschreibung, ebensowenig die zur Anwendung dieses Prinzips entwickelten Gas- und Festkörper-Laser. Beide Typen erseugen einen selektiven, fast parallelen Strahl von einigen Quadratmillimetern Querschnitt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zur noch stärkeren fliindelung dieses Laserstrahles auf einen Quadratmillimeter und weniger in den Strahlengang noch eine Sammellinse gebracht werden. Grundsätzlich lassen sich, wie die Anmelderin gefunden hat, für die-Sunststoffverschweißung sowohl Gas- wie auch Festkörper-Läser verwenden. Die Auswahl. richtet sich nach der Wellenlänge der selektiven Strahlung, die möglichst vollständig. oder zu einem großen Anteil im Absorptionsgebiet des zu verschweißenden Kunststoffes liegen soll. Bei dem in erster Linie in Frage kommenden Hochdruckpolyäthylen findet sich ein starkes Absorptionsmaximum bei 3,4 . Wird ein Helium-Neon-Gaslaser mit einer Wellenlänge der emittierten Strahlung von 3,39 @ verwendet, dessen Erregerleistung ca.
500 lWatt beträgt, während seine Nutzleistung bei ioo mW pro 1/100 Quadratmillimeter liegt, so kann mit ganz geringen Verlusten eine Umsetzung der Strahlung in Schweißwärme erfolgen. Strahlungsverluste finden praktisch nicht mehr statt, da durch die Bündelung des Laser-Strahles, @ie durch die Verwendung von Sammellinsen noch verstärkt werden kann; sowie durch die spektrale Anpassung erreicht wird, aaß sich die ganze abgestrahlte Energie im Material selbst in Schweißwärme umsetzt. Deshalb hat es sich auch überraschend als möglich herausgestellt, einen kontinuierlich arbeitenden Laser zu verwenden, dessen Nutzleistung bekanntlich relativ gering ist. werner hat die Anmelderin gefunden, ia@ die Annahme, taser konnten wegen ihrer höheren Anschaffungskosten nur für die Rerstellung sehr hochwertiger und mit anderen Kitteln ka'' durchführbarer Verschweißungen eingesetzt weraen, nicht gerechtfertigt ist, weil die nahezu hundertprozentige Umsetzung der Energie des Laser-Strahles im Kunststeff in Schwei@wärme bei richtiger spektraler knpassium den Energieaufwand gegenüber den herkömmlichen Strahlungsschwei#inrichtungen so verringert, daß die erhöhten Anschaffungskosten dennoch durch die Einsparung an laufenden Energiekosten innerhalb verhältnismäßig' kurzer Zeit aufgewogen werden.
Weitere besondere Vorteile der Verwendung eines Laser-Strahles für die Übertragung der Schweißenergie bestehen darin, daß sich außerordentlich schmale Schweißnähte erzielen lassen und daß keine Gefahr der Erwärmung umliegender Maschinenteile und auch der der Schweißnaht benachbarten Folienteile entsteht, so daß sich eine weitere Verbilligung und Verringerung des Raumbedarfes durch Verzicht auf Kühlelemente ergibt. Die Schweißstation selbst hat praktisch keine Längenausdehnung mehr und da der Laser in ausreichend großer Entfernung von der Schweißstelle untergebracht werden kann, ist auch eine ungünstige Beeinflussung durch Dämpfe des erweichten Polyäthylens nicht mehr zu befürchten0 Die Nutzbarmachung des konzentrierten Energiestrahles muß so erfolgen, daß das zu verschweißende Material in aneinander gepreßtem Zustand an dem Energiepunkt vorbeigeführt wird. Die Verweilzeit und damit die Arbeitsgeschwindigkeit bein Schweißvorgang richtet sich nach der Materialdicke und der größe des asers. Bei Polyäthylenfolien, die für die Herstellung von 1r;rnststoffbetiteln verwendet werden, hat sich eine Arbeitsgeschwindigkeit von 40 m/min bei Verwendung eines Helium-Neon-Gaslasers als zweckmäßig erwiesen.
Es ist wesentlich, da# der Laser eine Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert, bei der ein Absorptionsmaximum des zu verschwei#enden Kunststoffes liegt, Bei Polyäthylen mu# die Strahlung, wie bereits gesagt, eine Wellenlänge von etwa 3,3 ~ C, 2 besitzen. 0b der Laser allein diese günstige Wellenlänge ausstrahlt, wie ein Helium-Neon-Laser, oder nebenbei noch andere Wellenbereiche beschickt, wie ein Festkörper-Leaser, ist für den Schwei#vorgang eigentlich ohne Bedeutung und nur im Zusammenhang mit dem Gesamt-Wirkungsgrad im Verhältnis zur Erregerenergie wesentlich.
Der einfachste Anwendungsfall der Laser-SchweiBeinrichtung bei der Verschweißung von Kunststoffolienbahnen besteht darin, daß der Laserstrahl senkrecht von außen auf die miteinander zu verschweißenden Folien gerichtet wird,-gegebenenfalls nach vorheriger Bündelung durch eine Sammellinse, und daß dann eine Verfestigung der gebildeten Schweißnaht durch Andrückrollen erfolgt. Zum VerschweiBen von besonders starken Kunststoffbahnen kann auch je ein Laser auf jeder Seite der Bahnebene angeordnet sein. Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß der Laser nach, Art eines Schweißkeils zwischen die beiden erst am Auftreffpunkt des Laserstrahls zusammengeführten Bahnen strahlt, unmittelbar bevor diese zwischen zwei Preßrollen einlaufen. Der Laser strahl kann andererseits zwischen die auseinandergespreizten Längsseitenränder zweier übereinanderliegender Bahnen gerichtet werden, die unmittelbar nach der Erweichung durch den Laserstrahl aufeinander gelegt und so miteinander verschweißt werden. Der Laserstrahl kann auch auf wie Stirnfläche der beiden vorbeitransportierten Kunststoffbahnen gerichtet werden, die anschließend wieder zwischen Anpreßrollen durchlaufen.
Es ist auch möglich, daß die Kunststoffbahnen während der Verschweißung stillstehen, während der Laser kontinuierlich bewegt wird. Hierzu kann der Laser zweckmäßig um eine zur Strahlrichtung senkrechte Achse schwenkbar aufgehängt sein.
Eine derartige Einrichtung ist auch als Querschweißvorrichtung für kontinuierlich durchlaufende,Bahnen denkbar, wenn der Laser während seiner Schwenkbewegung gleichzeitig in Bahntransportrichtung mit Bahntransportgeschwindikeit weiter bewegt wird.
Mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung sind in der nachstehenden- Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig0 1 eine laserschwei#vorri chtung zum kontinuierlichen längsverschweißen zweier zusammengeführter Lunststoffbahnen, Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Vorrichtung mit zusätzlich im Strahlengang vorgesehener Sammellinse, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie Til - III der Fig. 1, Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, in der jedoch an Stelle von Kunststoffbahnen Kunststoffbahnstücke gezeichnet sind, Fig. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsbeispiele von Laser schweißvorrichtungen zum kontinuierlichen Herstellen von Längsnähten in Darstellungen entsprechend den Fig. 1 und 2, Fig. 7 und 8 zwei Ausführungsbeispiele von Laserschweißvorrichtungen, bei denen der Laserstrahl auf die Stirnfläche der vorbeitransportierten Bahnen gerichtet ist und Fig. 9 und 10 zwei Lasers-chweißvorriqhtungen zum Herstellen von Querschwei#nähten.
Die in Fig. 1 dargestellte Schweißvorrichtung zum kontinuierlichen Längsnahtbilden zum Verschweißen von zwei in den eingezeichneter. Pfeilrichtungen transportierten Polyäthylenbahnen 1 und 2 besitzt einen Helium-Neon-Gaslaser 3-. Die Wellenlänge, des Strahls dieses Lasers beträgt 3,39 Bei dieser Wellenlänge liegt ein Absorptionsmaximum des Polyäthylenbah-Im Inneren des Lasers ist an jedem Ende ein Spiegel für Wellen der Länge 3, 39 vorgesehen, wobei der am in Fig. 1 rechten Laserende vorhandene Spiegel ein Mittelloch zum, Austritt des Strahls 4 besitzt. Die Erregung dea Lasers 3 geschieht mittels eines Generators 5. Die Erregerleistung des verwendeten Lasers beträgt ca. 500 W, während seine Nutzleistung ca.
100 mW pro 1/1Q0 Quadratmillimeter beträt.
Der Strahl 4 trifft rechtwinkelig auf die Polyäthylenbahnen 1, 2, die mit einer Geschwindigkeit von 40 m/min bewegt werden. Zum Transport der Polyäthylenbahnen dienen zwei angetriebene Walzen 6, 7. Die Walze 5 wirkt mit Andrückrollen 8 zusammen, während die Walze 7 mit Andrückrollen 9 9 zusammenwirkt, von denen eine über die Schwei#naht 10 (Fig. 3) läuft und diese zusammendrückt.
Die Laserschwei#vorrichtung naeil Fig. 2 entsprich-t im wesentlichen 4er vorrichtung nach Fig. 1. Für Ieidhe Teile finden darum dieselben, Bezugszahlen Verwendung. Bei r Vorrichtung nach Fig. 2 ist im Strahlengang eine Sammellinse 11 vorgesehen, so naß der Strahl 4 nodl fokussiert wird.
Fig. 4 zeigt die Anwendung der Vorrichtung zum Verschwei#en aufeinanderliegender Kunstst offbahns tücke . Im vor ii egenen Falle handelt es sich um das Zuschwei#ben eines Endes von quer zur Schlauchrichtung transportierten Schlauchstücken 12 aus Polyäthylen zum Herstellen offener Säcke oder Beutel.
Fig. 5 zeigt eine Schweißvorrichtung mit zwei Lasern 13, 14, die von beiden Seiten auf die zusammengeführten Polyäthylenbahnen 1-, 2 strahlen. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Verschweißen von starken Polyäthylenbahnen.
Die Schweißvorrichtung nach Fig. 6 sieht einen Laser 15 vor, der nach Art eines Schweißkeils zwischen die beiden Bahnen 16, 17 strahlt und die Bahnen unmittelbar vor dem Einlaufen zwischen die Preßrollen 18 im gewünschten Nahtbereich auf die Schweißtemperatur erwärmt.
Bei der Schweißvorrichtung nach Fig. 7 ist der Strahl aus dem Laser 19 zwischen die auseinandergespreizten Längsseitenränder zweier übereinanderliegender Bahnen 20, 21 gerichtet. An der so gebildeten Scheitellinie werden beide Bahnen auf die notwendige Schweißtemperatur gebracht und beim anschließenden Wiederaufeinanderlegen der Ränder miteinander verschweißt. Die so gebildete Schweißnaht 22 wird anschließend noch zusammengedrückt. Transportwalzen 6, 7 und Andrückrollen 8,, 9 entsprechen denjenigen nach den Fig. 1 bis 5.
Zum Auseinanderspreizen der Bahnränder dient beispielsweise ein Spreizfinger 23. Zur Festlegung der Scheitellinie ist beiderseits der Bahn jeweils ein Winkelstück 24 vorge:sehen.
Die beiden Winkelstücke liegen einander genau gegenüber und haben einen Abstand voneinander, der gerade ein Hindurchlaufen der übereinanderliegenden Bahnen gestattet.
Bei der Laserschweißvorrichtung nach Fig. 8 ist der aus -aem Laser 25 tretende Strahl auf die Stirnfläche der beiden vorbeitransportierten Polyäthylenbahnen 26 und 27 gerichtet.
Unmittelbar neben der Auftreffstelle des Strahls werden die beiden erwärmten und miteinander zur Stirnnaht 28 verschweißten Ränder noch zusammengedrückt.
Die soeben beschriebenen Laserschwei#vorrichtungen lassen sich in konstruktiv etwas abgewandelter Form auch zur Bildung einer Längsnaht beim Herstellen eines Schlauches aus einer Kunststoffbahn in Maschinen zum Herstellen, Füllen und Schließen von Kunststoffbeuteln verwenden. Ferner können insbesondere die Laserschweißvorrichtungen nach Fig. 7 und 8 auch, wiederum in konstruktiv etwas abgewandelter Form, zum Zuschweißen gefüllter offener Säcke oder Beutel aus Kunststoff eingesetzt werden.
Die Schweißvorrichtung nach Fig. 9-dient zum Herstellen von Querschweißnähten an aufeinanderliegenden Kunststoffbahnen 29, 30 während des Bahnstillstandes. ITach dem Herstellen einer Querschweißnaht 31 werden die Bahnen durch angetriebene Walzen 32, 33 und mit diesen zusammenwirkende Andrückwalzen 34, 35 ein dem gewünschten Schweißnahtabstand entsprechendes Stück z. B. in der eingezeichneten Pfeilrichtung weitertranssortiert. Eine Klemmeinrichtung 36 dient dazu, während des Stillstandes der Bahnen 29, 30 diese festzuklemmen, damit die Schweißzone der Bahnen während des Schweißvorganges frei von zugspannungen bleibt. Der Laser, dessen Strahl wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen strichpunktiert eingezeichnet ist, ist bei dieser Ausführung in einem Gehäuse 37 untergebracht, das um eine parallel -zur Transportrichtung der Bahnen liegende Achse 38 derart schwenkbar ist, daß der Strahl die Bahnen querüberstreichen und dadurch miteinander verschweißen kann.
Figur 10 zeigt die Schweißvorrichtung nach Figur 9, jedoch unter Weglassung der Klemmeinrichtung. Diese Vorrichtung läßt sich insbesondere zum Verschweißen stärkerer Folien miteinander anwenden, und zwar immer dann, wenn der momentane Schweißbereichs also der Bereich, der sich im teigigen oder flüssigen Zustand befindet, im Verhältnis zur Bahnbreite klein ist, so daß er drch die auf die Bahnen wirkende Zugspannung praktisch nicht beeinflußt wird. benso wie bei der Ausführung nach zum 5 können aucii bei der zuletzt beschriebenen ausführungsform zwei Laser von beiden Seiten her auf die Kunststoffbahnen strahlen.
Die Vorrichtung nach Fig. 1C ist auch als Querschwei#vorrichtung für kontinuierlich durchlaufende Bahnen 29, 30 denkbar, wenn das Gehäuse 37 zviischen den Walzenpaaren 32, 34 und 33, 35 in Richtung der Achse 36 hin- und nerverschiebbar ist, wobei die Bewegung des Gehäuses in Laufrichtung der Bahnen der Bahntransportgeschwindig'Keit entsprechen mu#.
Während dieser Bewegung erfolgt dann gleichzeitig auch das Schwenken des Gehäuses um die achse 38. Während er Bewegung des Gehäuses entgegen der Bahnlaufrichtung wird es nicht geschwenkt. Auf diese Weise wird eine Querschweißnaht 31 vom rechten Bahnrand ausgehend und die nächste Querschwei#naht von linken Bahnrand ausgehend geschweißt, wie es zweckmä#ig auch bei Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 9 geschieht.
Außer zum Herstellen von Längs- und Quernähten an Kunstostoffbahnen, -Säcken oder -Beuteln läßt sich die laserschwei#vorrichtung auch besonders gut zum Schweißen beliebiger Konturen verwenden. Ein praktisches Beispiel für das konturenschwei#en ist die Herstellung von Kunststoffhandschuhen aus zwei übereinanderliegenden Kunststoffbahnen. Beim Konturenschwei#en wird während des Stillstandes der Bahnen der Laserstrahl kontinuierlich längs der gewunschten Schweißlinie geführt.

Claims

Patentansprüche 1. Strahlungsschwei#einrichtung zum Verbinden von Kunststofffolien miteinander während eine kontinuierlichen Relativbewegung zwischen der Schwei#einrichtung und den Kunststoffolien, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungselement ein Laser mit kontinuierlicher Emission auf der Wellenlänge wenigstens eines Absorptionsmaximums der Kunststoffolien verwendet ist.
2. Strahlungsschwei#einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des Laserstrahls eine Sammellinse eingeschaltet ist.
3. Strahlungsschwei#einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da# das Schweißelement aus einem Helium-He on-Gaslaser mit einer Wellenlänge der emittierten Strahlung von 3,3 ~ C,2 besteht
4. Strahlungsschwei#einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Erregerleistung zirka 500 Watt beträgt, während die Nutzleistung des Lasers bei 100 mW pro 1/100 Quadratmillimeter liegt.
5. Strahlungsschwei#einrichtung nach einem der Ansprüche 1 Bis 4, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung des Lasers, daß der Laserstrahl nach uer Art eines Schweißkeils zwischen die erst an seinem Auftreffpunkt zlsammengeführten kunststoffba2'rnen strahlt, die unmittelbar danach zwischen zwei Preßrolle einlaufen.
6. Strahlungsschwei#einrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser zum eine zur Strahlrichtung senkrechte und zur Bahntransportrichtung parallele Achse schwenkbar aufgehängt ist.

7e Strahlungsschweißeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser während seiner Schwenkbewegung gleichzeitig in Bahntransportrichtung mit Bahntransportgeschwindigkeit beweglich ist.