DE4242812A1 - Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von Kunststoffen - Google Patents
Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von KunststoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und
Aufschmelzen von Kunststoffen gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Insbesondere handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung
um eine Infrarotschweißvorrichtung mit Strahlfokussierung.
Damit können Kunststoffwerkstücke mit einer Schweißnaht
miteinander verbunden werden. Typischerweise wird die
Oberfläche der zu verbindenden Werkstücke in einer Breite
von 3 bis 4 mm und einer Tiefe von etwa ≧ 0,3 mm erwärmt und
aufgeschmolzen und nach dem Entfernen der Heizvorrichtung
werden die Teile unter Druck gefügt, bis sich die Schweiß
naht verfestigt hat. Die Heizvorrichtung besteht aus einem
Infrarotstrahler, dessen Länge durch die Abmessungen der zu
fügenden Werkstücke bestimmt ist. Der Infrarotstrahler ist
im Brennpunkt eines Reflektors angeordnet, der die Strahlen
fokussiert, so daß auf der Werkstückoberfläche in dem eng
begrenzten Bereich der Schweißnaht eine hohe Energiedichte
erzeugt wird. Heizstrahler und Reflektor sind somit getrenn
te Bauteile. Hierzu wird auf US-PS 5,151,149 hingewiesen.
Die Leistungsdichte im Bereich des aufzuschmelzenden Kunst
stoffs ist so hoch, daß die Heizvorrichtung oszillierend
bewegt wird, um ein Verbrennen des Kunststoffs zu vermeiden.
Darüber hinaus ist es natürlich für sehr viele technische
Anwendungen bekannt, zum Erwärmen von Kunststoffwerkstücken,
beispielsweise zum Erhitzen von Vorformlingen beim Blas
formen von Behältern, die Heizstrahler in Kombination mit
einem Reflektor anzuordnen, um die Strahlung auf das Werk
stück zu richten, ohne daß hier eine Fokussierung vorge
nommen wird.
Bei dem eingangs erwähnten Herstellen einer Schweißnaht in
verhältnismäßig eng begrenzten Bereichen kann auch mit einer
verringerten Leistungsdichte gearbeitet werden, so daß eine
Oszillationsbewegung nicht unbedingt erforderlich ist. Dies
hängt auch in erheblichem Male von der Art des zu fügenden
Kunststoffs ab.
Infrarotstrahler zum Aufschmelzen von Kunststoff sind im
Handel erhältlich, z. B. aus dem Lieferprogramm der Firma
Heraeus. Dabei handelt es sich beispielsweise um Infrarot-
Zwillingsrohrstrahler mit elliptischem Reflektor, oder um
einseitig vergoldete Infrarotstrahler, unfokussiert, bei
denen die Strahlung aus einem Schlitz austritt. Diese
Strahler sind in unterschiedlichen Gesamtlängen erhältlich.
Zum Verschweigen von Kunststoffteilen, ist es oft erwünscht,
die Bauform des Strahlers der Geometrie der zu verbindenden
Kunststoffteile anzupassen, insbesondere auch zweidimensio
nal und sogar dreidimensional. Somit besteht die der Erfin
dung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine Vorrichtung der
eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß die Bauweise
des Strahlers eine zwei- bzw. dreidimensionale Anpassung an
die Werkstückgeometrie erlaubt und eine dem jeweiligen Ver
wendungszweck angepaßte Fokussierung leicht möglich ist.
Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist somit der fokussierende Reflektor mit
dem Glaskolben integriert, das heißt, der Glaskolben besitzt
einen parabolischen oder elliptischen Querschnitt zum
Fokussieren des Strahls mit einer Beschichtung mit reflek
tierendem Material, das vorzugsweise auf der Rückseite des
Glaskolbens aufgebracht ist. Damit erhält man einen fokus
sierenden Heizstrahler, dessen Form der Geometrie der zu
verschweißenden bei der Herstellung angepaßt werden kann. So
kann der Heizstrahler geradlinige und gebogene Abschnitte
aufweisen, also zweidimensional geformt sein. Es ist aber
auch eine dreidimensionale Formgebung des Heizstrahlers
denkbar. Diese erfindungsgemäße Bauweise hat unter anderem
den Vorteil, daß die entsprechend geformten, meist aus
Metall gefertigten Reflektoren, die zusätzlich um den
eigentlichen Strahler angeordnet waren, entfallen. Solche
bekannten Reflektoren sind aufgrund ihrer Größe schwer und
unhandlich. Ferner sind sie nur sehr aufwendig zu biegen.
Beim Aufschmelzen des Kunststoffs beschlagen sie leicht mit
gasförmigen Ablagerungen des erwärmten Kunststoffes.
Ein zwei- bzw. dreidimensional geformter Infrarotstrahler
mit fokussierendem und reflektierendem Glaskolben muß in
einem geeigneten Halter abgestützt sein. Es ist aber auch
möglich, den Infrarotstrahler in einem Grundkörper aus Glas
auszubilden. Dabei ist die fokussierende Wandung des Strah
lers von einer Ausnehmung im Grundkörper gebildet. Die
Ausnehmung ist mit der reflektierenden Schicht versehen.
Will man auf die kurzwellige Infrarotstrahlung verzichten,
die einen evakuierten Glaskolben erfordert, und arbeitet man
mit mittel- oder langwelliger Infrarotstrahlung, so ist es
auch möglich, auf den Glaskolben zu verzichten. Dabei werden
in einem Grundkörper, insbesondere einer Platte aus reflek
tierendem Werkstoff die fokussierenden Ausnehmungen einge
formt. In dieser Ausnehmung werden die Drahtwendel daß
Strahler aufgehängt.
Erfindungsgemäß ist auch die Eindringtiefe der Strahlung in
den Kunststoff veränderbar, indem bei der Herstellung der
fokussierende Querschnitt anwendungsspezifisch gewählt wird
und außerdem die Wellenlänge der Strahlung kunststoffma
terialspezifisch optimiert wird. Die Wellenlänge und
Temperatur der Strahlung kann insbesondere durch Ändern der
Spannung eingestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand
der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsge
mäßen Strahlers;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Strahler gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Anordnung mit einem Doppelstrahler;
Fig. 4 eine zweidimensionale Formgebung für einen
Strahler und
Fig. 5 eine geänderte Ausführungsform eines zweidi
mensional geformten Strahlers.
Fig. 1 zeigt einen Glaskolben 1 mit einer Rückseite 2 von
elliptischem oder parabelförmigem Querschnitt, wobei im
Brennpunkt ein Drahtwendel 3 in der üblichen Weise
aufgehängt ist. Die Vorderseite 4 des Glaskolbens 4 ist
plan. Die Rückseite des Glaskolbens ist direkt mit einem
reflektierenden Material beschichtet, vorzugsweise durch
Aufdampfen einer Metallschicht.
In Fig. 1 hat der Infrarotstrahler mit integriertem
Reflektor einen geradlinigen Verlauf. Der Glaskolben läßt
sich aber ebenso in einem gebogenen oder gekrümmten Verlauf
herstellen entsprechend der Form der aufzuschmelzenden
Schweißnaht.
Im Schnitt der Fig. 2 sind die an der Reflektorschicht 5
reflektierten Strahlen dargestellt, die in einen Fokus 6
zusammenlaufen. Der Abstand x des Fokus 6 von der Stirnseite
4 des Strahlers sowie der Durchmesser y des Fokus läßt sich
durch die Querschnittsform der fokussierenden Rückwand 2
verändern. Desweiteren läßt sich durch Wahl eines gegenüber
dem Maß x geringeren oder größeren Abstandes zwischen
Werkstück und Stirnseite des Strahlers der Strahlquerschnitt
vergrößern. Ferner läßt sich der Durchmesser y auch durch
Verschieben des Drahtwendels in senkrechter Richtung
gegenüber der Rückseite des Strahlers verändern. Durch
bestimmte Querschnittsformen der fokussierenden Rückseite
sowie durch die Drahtwendelposition läßt sich bei der
Herstellung des Strahlers der Fokus so bestimmen, daß für
eine bestimmte Werkstückgeometrie und für den verwendeten
Kunststoff eine optimale Schweißnahtbreite und -tiefe
erzielt werden kann.
In Fig. 3 ist ein Doppelstrahler dargestellt, der aus zwei
Strahlern 1 der Fig. 1 zusammengesetzt ist und zwischen die
beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücke einge
schoben wird, um den Kunststoff längs der gewünschten
Schweißnaht in beiden Werkstücken aufzuschmelzen.
Fig. 4 zeigt einen Strahler, der in einem Grundkörper 8
ausgebildet ist. Dabei ist die fokussierende und mit einer
Reflektorschicht belegte Rückseite 9 von einer Ausnehmung in
dem Grundkörper 8 gebildet, in welcher der Drahtwendel 3 in
üblicher Weise aufgehängt ist. An der offenen Seite ist die
Ausnehmung 9 durch Anschmelzen einer Stirnfläche aus Glas
verschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, für den
Strahler einen Verlauf zu wählen, der für die Geometrie der
Schweißnaht erforderlich ist. Es läßt sich also ein Strahler
für ein bestimmtes Kunststoffwerkstück anwendungsspezifisch
herstellen. Fig. 3 zeigt einen zweidimensionalen Verlauf des
Strahlers. Dementsprechend ist die Oberfläche des Grundkör
pers 8 eine Ebene. Durch entsprechende Erhöhungen und Ver
tiefungen läßt sich auch eine dreidimensionale Formgebung
des Strahlers erzielen, so daß eine vollständige Anpassung
an die Werkstückgeometrie möglich ist.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Erfindung insofern, als der
Strahler als mittel- oder langwelliger Infrarotstrahler
ausgebildet ist, der keinen abgeschlossenen und evakuierten
Glaskolben benötigt, sondern auch unter atmosphärischen
Bedingungen bei normalen Luftdruck betrieben werden kann.
Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls in einem Grund
körper 10 eine Ausnehmung 9 mit parabolischem oder ellipti
schem Querschnitt zur Fokussierung der Strahlung des Heiz
wendels 3 eingeformt. Die Ausnehmung 9 ist mit einer reflek
tierenden Schicht versehen. In der Ausnehmung ist wiederum
der Drahtwendel 3 in der üblichen Weise aufgehängt. Die
Stirnseite 4 entfällt. Vorzugsweise kann anstelle des
Grundkörpers 10 eine reflektierende Metallplatte so verformt
werden, daß sie die fokussierende Ausnehmung 9 in dem
gewünschten Verlauf aufweist.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von
Kunststoffen mit mindestens einem Infrarotstrahler und einem
fokussierenden Reflektor, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rückseite (2) des Glaskolbens des Infrarotstrahlers einen
fokussierenden Querschnitt aufweist und auf die Rückseite
eine reflektierende Schicht (5) aufgebracht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rückseite (2) des Glaskolbens einen
elliptischen bzw. parabelförmigen Querschnitt aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rückseite des Glaskolbens auf der
Außenseite mit einem reflektierenden Material beschichtet
ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite (4) des
Glaskolbens plan ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskolben zur Anpassung des
Strahlers an die Geometrie des Werkstücks zweidimensional
bzw. dreidimensional geformt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Fokus vom
Strahler und der Durchmesser des Fokus durch den Querschnitt
der Strahlerrückseite und die Lage des Heizwendels (3) zur
Rückseite bestimmbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Strahlung
durch Spannungsänderung wählbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotstrahler in einem
Grundkörper ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die fokussierende Wandung des Infrarotstrah
lers von einer Ausnehmung (9) des Grundkörpers aus Glas
gebildet ist und die Ausnehmung mit einem reflektierenden
Werkstoff beschichtet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die fokussierende Wandung des Infrarotstrah
lers in einem Grundkörper (10) aus reflektierendem Material
eingeformt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahler Rücken an Rücken
vorgesehen sind.
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