DE19820198A1 - Vorrichtung zum Verschweißen großflächiger Spritzgußbauteile aus Kunststoff - Google Patents

Vorrichtung zum Verschweißen großflächiger Spritzgußbauteile aus Kunststoff

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Verschweißen großflächiger Spritzgußbauteile aus Kunststoff an einer länglichen Fügefläche beschrieben, die eine Vielzahl von Heizelementen aufweist. Die Heizfläche eines einzelnen Heizelementes ist jeweils klein gegenüber der entsprechenden, gesamten Fügefläche des Spritzgußbauteils, so daß sich für jedes einzelne Heizelement ein entsprechender kurzer Verstellweg zwischen einer ersten Position, in der der Kunststoff an den Fügeflächen bis zur Plastifizierung erwärmt wird und einer zweiten Position, in der die Spritzgußbauteile zum Verschweißen zusammenbringbar sind, ergibt. Dies hat eine kurze Umstellzeit zwischen Erwärmen des Kunststoffes der Fügeflächen und Zusammenbringen der Fügeflächen der Spritzgußbauteile zur Folge, wodurch auch schnell abkühlende oder oxidierende Werkstoffe in Form großflächiger Spritzgußbauteile verarbeitet werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschweißen mindestens zweier großflächiger Spritzgußbauteile aus Kunststoff, die Heizelemente zum Pla­ stifizieren des Kunststoffes an den Fügeflächen verwendet.
Spritzgußbauteile aus Kunststoff können durch Erwärmen des Kunststoffes bis zur Plastifizierung miteinander verschweißt werden. Die Erwärmung kann ent­ weder durch Reibung der Bauteile untereinander erfolgen, wie das z. B. beim Ultra­ schallschweißen geschieht, oder durch Erwärmung des Kunststoffes durch ein auf­ geheiztes Heizelement. Bei letzterem - als Spiegelschweißen bezeichneten - Verfah­ ren wird der Kunststoff an den Fügeflächen durch ein von der Seite her zwischen die Werkstücke eingeschobenes beheiztes Heizelement erwärmt, bis der Kunststoff plastifiziert ist. Nach dem Herausziehen des Heizelements werden die Werkstücke zusammengebracht und an ihren erhitzten Fügeflächen miteinander verschweißt. Eine entsprechende Schweißvorrichtung ist beispielsweise aus DE-PS 39 19 800 bekannt. Die DE 196 27 742 beschreibt einen durch Spiegelschweißen hergestellten Kraftstoffbehälter.
Sollen großflächige Werkstücke auf diese Weise verbunden werden, ist ein entsprechend großes Heizelement erforderlich. Dadurch wächst die Umstellzeit, die erforderlich ist, um die zu fügenden Werkstücke vom Heizelement abzuheben, den Schweißspiegel in die Ausgangslage zu fahren und die Werkstücke zum Fügen zu­ sammenzubringen. Bei schnell abkühlenden oder oxidierenden Kunststoffen ist je­ doch nur eine begrenzte Umstellzeit zulässig, da sonst ein vorzeitiges Erstarren oder Oxidieren des plastifizierten Kunststoffes auftreten könnte. Großflächige Werk­ stücke aus diesen Werkstoffen können somit bislang nicht durch Spiegelschweißen gefügt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ver­ schweißen großflächiger Spritzgußbauteile aus Kunststoff zu schaffen, die trotz der großen Abmessungen der Spritzgußteile eine kurze Umstellzeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Die Verwendung einer Vielzahl von Heizelementen, die klein gegen die Fü­ gefläche sind, ermöglicht es, einen kurzen Verstellweg für jedes einzelne Heizele­ ment zu erreichen. Die Umstellzeit ist verglichen mit herkömmlichen Verfahren entsprechend stark verkürzt. Alle Heizelemente erwärmen in einer ersten Position den Kunststoff an der Fügefläche bis zur Plastifizierung, werden danach in eine Ausgangslage zurückgefahren, worauf die Werkstücke zum Fügen zusammenge­ bracht werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Bauteil eines Behälters mit schema­ tisch dargestellten Heizelementen,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das Bauteil des Behälters mit den Heiz­ elementen senkrecht zur Schnittdarstellung der Fig. 1 und
Fig. 3 einen Schnitt durch die Fügeebene der beiden Bauteile des Behälters mit einem Heizelement.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dazu, zwei Spritzgußbauteile an ih­ ren Fügeflächen zu verschweißen. In Fig. 3 sind zwei solche Bauteile 4, 5 im Schnitt durch die Fügeebene dargestellt. Sie sollen an ihren Fügeflächen 1, 6 ver­ schweißt werden. Dazu werden die Fügeflächen 1, 6 mittels vieler Heizelemente 2 bis zum Plastifizieren des Kunststoffes erwärmt. Zum Aufheizen des Kunststoffes an den Fügeflächen 1, 6 befindet sich jedes Heizelement 2 in einer ersten Position zwischen und in Kontakt mit den Fügeflächen 1, 6. Die Plastifizierung des Kunst­ stoffes an den Fügeflächen 1, 6 erfolgt dann durch Wärmetransfer von den Heiz­ elementen 2, die elektrisch oder durch ein Wärmeträgermedium beheizt sein kön­ nen. Ist der Kunststoff an den Fügeflächen 1, 6 bis zur Plastifizierung erwärmt, wer­ den die Spritzgußbauteile 4, 5 von den Heizflächen der Heizelemente 2 abgehoben und diese von ihren Stellgliedern 3, die elektrisch oder pneumatisch betrieben sein können, in eine zweite Position gefahren. In dieser Position sind die Spritzgußbau­ teile 4, 5 zum Verschweißen zusammenbringbar.
In Fig. 1 ist die Fügefläche 1 des Spritzgußbauteils 4 zusammen mit der Viel­ zahl von Heizelementen 2 dargestellt. Die Heizelemente sind umlaufend außerhalb der Fügefläche 1 mit ihren entsprechenden zugehörigen Stellgliedern 3 schematisch dargestellt. Die Heizfläche eines Heizelementes 2 ist dabei klein gegen die Fügeflä­ che 1. Die dargestellte Position der Heizelemente 2 in der Fig. 1 entspricht der zweiten Position, in der die Spritzgußbauteile zum Schweißen zusammenbringbar sind. Zum Erwärmen des Kunststoffes der Fügefläche 1 wird jedes Heizelement 2 von seinem zugehörigen Stellglied 3 über die Fügefläche 1 gefahren und in Kontakt mit dieser gebracht. Letzteres kann durch eine entsprechende Bewegung der Heiz­ elemente 2 oder durch eine entsprechende Bewegung des Spritzgußbauteils 4 erfol­ gen. Ebenso wird die Fügefläche 6 des Spritzgußbauteils 5 in Kontakt mit den Heiz­ elementen 2 gebracht.
In dieser Position sind die Heizelemente sind so angeordnet, daß im aufge­ heizten Zustand zwischen ihnen nur ein minimaler, vernachlässigbarer Luftspalt vorliegt, wenn sie in dieser ersten Position in Kontakt mit den Fügeflächen 1 sind. Im Bereich des minimalen Luftspaltes erfolgt Wärmetransfer durch Wärmeleitung im Kunststoff der Fügeflächen 1, 6, und durch Strahlungs- sowie Konvektionswär­ meübergang von den Heizelementen 2.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, können die Heizelemente 2 an die Kontur der Fü­ gefläche 1 bzw. 6 angepaßt sein. Somit muß die Fügefläche nicht in einer Ebene verlaufen, wobei die Einschränkungen des Ultraschallschweißens hinsichtlich eines begrenzten Fügewinkels nicht bestehen.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Fügeebene im Detail dargestellt. Ein Heiz­ element 2 befindet sich in der Darstellung der Fig. 3 in einer Stellung zwischen der ersten und der zweiten Position. Jedes Heizelement 2 besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und ist an seinen Heizflächen mit einer Antiadhäsivbe­ schichtung 12 versehen. Eine solche Antiadhäsivbeschichtung 12 kann beispiels­ weise aus Teflon sein, das für Temperaturen bis 240°C tauglich ist. Es sind aber auch andere Antiadhäsivbeschichtungen 12 für niedrigere oder höhere Temperatu­ ren denkbar. Für sehr hohe Temperaturen der Heizelemente, beispielsweise 300°C, können die Heizflächen der Heizelemente 2 poliert sein. Durch diese Maßnahmen wird verhindert, daß plastifizierter Kunststoff an den Heizelementen 2 festklebt.
Die Ausbildung der Fügeflächen 1 bzw. 6 weist Nuten 10, 8 bzw. 9, 7 auf, die zur Aufnahme plastifizierten Materials Raum geben. Durch die Lippe 11 am Spritzgußbauteil 4 sowie die Nuten 7, 8, 9, 10 ist sichergestellt, daß nach dem Ver­ schweißen eventuell verformter plastifizierter Kunststoff nicht an der Innen- oder Außenwand der verbundenen Spritzgußbauteile 4, 5 austritt. Dadurch ist ein saube­ rer Abschluß sichergestellt.
Nach dem Plastifizieren des Kunststoffes an den Fügeflächen 1 und 6 werden die Spritzgußbauteile 3, 5 auseinander bewegt und die Heizelemente 2 in die zweite Position gebracht. Diese Bewegung der Spritzgußbauteile 4, 5 und der Heizelemente 2 kann zum einen dadurch geschehen, daß das Spritzgußbauteil 4 von den auf dem Spritzgußbauteil 5 befindlichen Heizelementen 2 abgehoben und danach die Heiz­ elemente 2 in Richtung des Spritzgußbauteils 4 und dann aus dem Spalt zwischen den Fügeflächen 1 und 6 herausbewegt werden. Es ist aber auch möglich, die Spritzgußbauteile 4 und 5 beide auseinander zu bewegen und die Heizelemente 2 aus dem so entstandenen Spalt zwischen den Fügeflächen 1 und 6 zu ziehen.
Sind die Heizelemente 2 in der zweiten Position angekommen, werden die Spritzgußbauteile 4 und 5 aufeinanderzu bewegt, bis ihre Fügeflächen 1, 6 in Kon­ takt sind. Nach Erstarren des plastifizierten Kunststoffes sind die Spritzgußbauteile 4 und 5 verschweißt. Die Umstellzeit ist aufgrund des kurzen Verstellweges des Heizelements 2, der nicht viel länger sein muß als der Abstand zwischen innerer Kante der Fügeflächen 1, 6 und äußerer Kante der Fügeflächen 1, 6, sehr kurz. Der Verstellweg jedes Heizelementes beträgt vorzugsweise weniger als 5 cm, und die Umstellzeit ist vorzugsweise kürzer als 3 sec.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit das Fügen großflächi­ ger Spritzgußbauteile aus Werkstoffen, die schnell oxidieren oder abkühlen, wie z. B. teilkristalline Kunststoffe. Solche Werkstoffe können zur Herstellung von Be­ hältern, wie z. B. Kraftstofftanks, verwendet werden, da sie vorteilhafte Diffusi­ onseigenschaften aufweisen. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz einer Vielzahl kleiner Heizelemente einen modularen Aufbau. Während bisher ein schadhafter Schweißspiegel zur Gänze ausgewechselt werden mußte, ist nun nur die Auswechs­ lung eines oder weniger Heizelemente erforderlich. Darüber hinaus kann eine Um­ stellung der Vorrichtung auf anders geformte Spritzgußbauteile schnell und leicht erfolgen. Schließlich bringt der Einsatz einer Vielzahl kleiner Heizelemente auch energetische Vorteile, da die Heizflächen der Heizelemente 2 so gestaltet werden können, daß Überstandsflächen, an denen ein Heizelement 2 nicht an der Fügefläche 1, 6 anliegt, minimiert sind.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Verschweißen mindestens zweier großflächiger Spritzgußbauteile (4, 5) aus Kunststoff an je einer länglichen Fügefläche (1, 6) mit einer Vielzahl von Heizelementen (2), die zwischen einer ersten Position, in der der Kunststoff an den Fügeflächen (1, 6) bis zur Plastifizierung erwärmt wird, und einer zweiten Position, in der die Spritzgußbauteile (4, 5) zum Verschweißen zusammen­ bringbar sind, verstellbar sind und mindestens zwei Heizflächen aufweisen, die je­ weils klein gegen die entsprechende, gesamte Fügefläche (1, 6) des zugehörigen Spritzgußteiles sind, so daß sich für jedes Heizelement (2) ein entsprechend kurzer Verstellweg zwischen den beiden Positionen ergibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­ elemente (2) so angeordnet sind, daß in der ersten Position im aufgeheizten Zustand zwischen den einzelnen Heizelementen (2) nur ein minimaler Luftspalt besteht.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Verschweißen umlaufender Fügeflächen (1, 6) die Heizelemente (2) in der zweiten Position rings um die Fügeflächen (1, 6) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verstellweg jedes Heizelementes (2) unter 5 cm beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei nicht in einer Ebene liegenden Fügeflächen (1, 6) einzelne Heiz­ elemente (2) in verschiedenen Ebenen liegen.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Form der Heizelemente (2) an die Kontur der Fügeflächen (1, 6) angepaßt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizelemente (2) elektrisch beheizt sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizelemente (2) durch ein Wärmeträgermedium beheizt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Heizelemente (2) und Spritzgußbauteile (4, 5) relativ zueinander senk­ recht zur Fügefläche (1, 6) bewegbar sind, so daß nach dem Plastifizieren des Kunststoffes durch die Heizelemente (2) in der ersten Position ein Spalt zwischen Heizelementen (2) und den Fügeflächen (1, 6) der Spritzgußbauteilen einstellbar ist, bevor die Heizelemente (2) in die zweite Position verstellt werden.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umstellzeit zwischen erster und zweiter Position 3 s nicht über­ schreitet.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie zur Herstellung eines Behälters ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ hälter ein Kraftstofftank aus einem teilkristallinen Werkstoff ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizelemente (2) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf­ weisen.
14. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen mit einer Antiadhäsivbeschichtung (12) versehen sind.
15. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen poliert sind.
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