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DE102005004404A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen zur Fertigung von Werkstücken - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen zur Fertigung von Werkstücken Download PDF

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DE102005004404A1
DE102005004404A1 DE102005004404A DE102005004404A DE102005004404A1 DE 102005004404 A1 DE102005004404 A1 DE 102005004404A1 DE 102005004404 A DE102005004404 A DE 102005004404A DE 102005004404 A DE102005004404 A DE 102005004404A DE 102005004404 A1 DE102005004404 A1 DE 102005004404A1
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filter
lamp
component
filter medium
workpiece part
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Ceased
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DE102005004404A
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English (en)
Inventor
Henning Dr. Hanebuth
Friedrich Lupp
Heinz-Ingo Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstückteilen, insbesondere von Kunststoffteilen, mittels Durchlichtschweißen. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Lampe (1), insbesondere Infrarotlampe, zur Emission eines Strahlungsspektrums zur Bereitstellung von thermischer Leistung in einer Fügezone (2) zwischen einem ersten Werkstückteil (3) und einem mit dem ersten Werkstückteil (3) zu verschweißenden zweiten Werkstückteil (4) vorgesehen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
  • In der EP 0 751865 B1 sind Werkstücke und Verfahren offenbart, die mittels Durchlichtschweißen mit Laserstrahlen hergestellt werden (Überlappstoss) und bei denen die zu fügenden Teile im sichtbaren Spektrum nahezu die gleiche Reflektivität, das heißt die gleiche Farbe, aufweisen. Verwendet werden dabei zwei Teile mit unterschiedlichen optischen Absorptionseigenschaften bei der verwendeten Laserwellenlänge. Während Teil 1 für den Laserstrahl transparent sein muss und diesen möglichst unverändert durchlässt, hat Teil 2 eine höhere Absorption, das heißt der Laserstrahl hat dort nur eine geringe Eindringtiefe. Die zum Schweißen notwendige Energie wird durch das transparente Teil auf die Oberfläche des absorbierenden Teils geführt, wo diese in einer dünnen Schicht absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt wird, die die Glas und Schmelztemperatur übertrifft, jedoch nicht die Zersetzungstemperatur erreicht. Beide Teile werden durch ein Spannwerkzeug zusammengepresst, um einen ausreichenden Fügedruck zu realisieren. Durch den mechanischen Kontakt wird die Wärme auch in den darüber liegenden Bereich des transparenten Teils geleitet, der dann ebenfalls aufschmilzt. Durch die Pressung können sich die Polymerketten der aufgeschmolzenen Teile in einer dünnen Schicht verhaken und damit nach dem Abkühlen eine zuverlässige Verbindung erzeugen. Die Bedingung, dass Teil 1 in dem Wellenlängenbereich des Lasers transparent sein muss, bedeutet nicht zwangsläufig, dass dieses Teil auch für das menschliche Auge transparent erscheinen muss. Es gibt Materialen, die durchaus im sichtbaren Bereich farbig oder schwarz erscheinen, jedoch transparent im Wellenlängenbereich des Lasers sind. Umgekehrt gibt es auch für das Auge transparente oder hell erscheinende Materialien, die im Wellenlängenbereich des Lasers absorbierend wirken. Die EP 0 751 865 B1 beschränkt sich lediglich auf Durchlichtschweißungen, die mit einem Laserstrahl durchgeführt werden. Der vollständige Inhalt der EP 0 751 865 gehört, insbesondere in Verbindung mit dem Durchlichtschweißverfahren, ausdrücklich zur Offenbarung dieser Anmeldung.
  • Nachteilig bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren sind die durch einen relativ hohen Aufwand verursachten hohen Kosten.
    •
  • Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen zur Herstellung von Werkstücken, und ebenso entsprechend gefertigte Werkstücke, dahin gehend zu verbessern, dass diese einfach und kostengünstig bereit gestellt sind.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch, durch ein Verfahren gemäß einem Nebenanspruch sowie durch ein Werkstück gemäß einem weiteren Nebenanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Für das Durchlichtschweißen von Kunststoffen wird nun anstelle eines Lasers mindestens eine Lampe, insbesondere eine Infrarot-(IR-) Lampe, eingesetzt. Zum Verschweißen von Werkstückteilen, insbesondere von Kunststoffteilen, mittels Durchlichtschweißen, wird mindestens eine Lampe, insbesondere Infrarotlampe, zur Emission eines Strahlungsspektrums zur Bereitstellung von thermischer Leistung in einer Fügezone zwischen einem ersten Werkstückteil und einem mit dem ersten Werkstückteil zu verschweißenden zweiten Werkstückteil vorgesehen. Die Lampen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Vergleich zu einem Laser hohe Lichtausbeuten zu sehr geringen Kosten generieren.
  • Lampen – die insbesondere durch elektrisches Aufheizen eines Metallabschnitts Strahlung emittieren – eigenen sich zum Durchlichtschweißen nicht in jedem Fall, da eine Lampe ein breites Spektrum an Licht aussenden kann. Im Fall der Verwendung von Lampen mit den in Verbindung mit dem Stand der Technik beschriebenen pigmentierten Kunststoffen, kann ein hoher Lichtanteil im sichtbaren Bereich ausreichen um auch die Oberfläche bzw. ein erstes Werkstückteil anzuschmelzen. Dies ist unerwünscht. Der für das menschliche Auge sichtbare Bereich sei mit ca. 380 nm bis ca. 780 nm angenommen. Die Grenzen sind aufgrund individueller Abweichungen von Mensch zu Mensch fließend. Die Lampe soll damit möglichst außerhalb des sichtbaren Bereichs emittieren. Entsprechend sollte das Strahlungsspektrum einer Lampe entsprechend vorteilhaft ausgewählt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sendet die Lampe, insbesondere IR-Lampe, ein Spektrum elektromagnetischer Strahlung aus, und zwar lediglich im Infrarotbereich, im Wesentlichen im Bereich zwischen ca. 800 nm und 1500 nm.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können Lampen, insbesondere IR-Lampen, mit einer Lichtleistung bis zu 200 W verwendet werden. Dies ist zum Kunststoffschweißen mehr als ausreichend.
  • Sendet die Lampe, insbesondere IR-Lampe, ein breites Spektrum an Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung aus, und zwar vom für den Menschen sichtbaren Bereich bis weit in den Infrarotbereich, im Wesentlichen im Bereich zwischen 500 nm und 1500 nm, ist es vorteilhaft zwischen Lampe und dem ersten Werkstückteil mindestens ein Filter zur Ausfilterung störender Spektralbereiche zu positionieren. Störende Spektralbereiche können je nach Kunststoffzusammensetzung der Werkstückteile beispielsweise im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich liegen. Werden nun vor die Lampe geeignete Filter angebracht, so sinkt zwar die Lichtleistung, aber diese ist immer noch ausreichend. Diese Anordnung ist aufgrund des eingeschränkten Spektralbereichs für das Durchlichtschweißen mit entsprechend pigmentierten Werkstoffen uneingeschränkt verwendbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filter zur Absorption und/oder Reflexion des von der Lampe emittierten Spektrums im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich und zur Transmission des von der Infrarotlampe emittierten Spektrums im Infrarotbereich ausgebildet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filter zur Ausfilterung von sonst ohne diese Ausfilterung durch das erste Werkstückteil absorbierter und/oder reflektierter Strahlung ausgebildet, wobei die das Filter passierende Strahlung das erste Werkstückteil transmittiert und von dem zweiten Werkstückteil im Bereich der Fügezone absorbiert wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filter hinsichtlich Absorption, Transmission und Reflexion des Strahlungsspektrums an die optischen Eigenschaften des ersten Werkstückteils angepasst bzw. angeglichen. Es erfolgt eine entsprechende Angleichung des Filters an die jeweils verwendeten pigmentierten Kunststoffe. Eine Anpassung kann ebenso lediglich teilweise, das heißt lediglich für Spektralteilbereiche vorgenommen werden. Die von dem Filter ausgefilterte Strahlung braucht nicht mehr von dem pigmentierten Kunststoff des ersten Werkstückteils aufgenommen werden. Grundsätzlich gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der verwendeten pigmentierten Kunststoffe.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Filter ein die Absorption, Reflexion und die Transmission bereitstellendes Filtermedium auf. Das heißt die Filterwirkung wird zum größten Teil durch das Filtermedium erzeugt. Dieses kann fest, flüssig oder gasförmig sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filtermedium in einer Glasform, insbesondere Quarzglasform, eingeschlossen. Damit wird das Filtermedium im Raum positioniert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filtermedium zwischen zwei in einem geringen Abstand zueinander angeordneten, gegeneinander abgedichteten Glasplatten, insbesondere Quarzglasplatten, eingeschlossen. Damit ist besonders einfach ein robustes Filter zu realisieren, das den auftretenden großen Wärmebelastungen standhält.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung strömt das Filtermedium, das ein geeignetes Absorptionsverhalten aufweist. Durch das Filtermedium wird beispielsweise eine Absorption im sichtbaren Bereich und eine Transparenz im Infrarotbereich erzeugt. Durch das Strömen wird nicht nur eine Zersetzung des flüssigen Filtermediums vermieden, sondern es wird zudem das Glas gekühlt. Das heißt, das Filtermedium strömt zur Abführung von thermischer Leistung und zur Vermeidung eines Zersetzens des Filtermediums. Dieses kann flüssig und/oder gasförmig sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zirkuliert das Filtermedium zur Begrenzung der nötigen Filtermediumsmenge. Das heißt, das erwärmte Filtermedium strömt zu kühleren Bereichen im Kreislauf, gibt die Wärme ab und strömt zum als Filter wirkenden Bereich zurück, wobei ein neuer Zyklus beginnt. Der als Filter wirkende Bereich liegt im Strahlungsbereich der Lampe. Das Filtermedium kann flüssig und/oder gasförmig sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filtermedium eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Filtermedium schwarz oder farbig. Das Filtermedium kann dabei die gleiche Farbe oder Pigmentierung entsprechend dem ersten Werkstück teil aufweisen. Die optische Angleichung kann damit über die Farbe erfolgen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Fokussieroptik zur Fokussierung der von der Lampe emittierten Strahlung in die Fügezone geschaffen.
  • Die vorstehend genannten Vorrichtungen eignen sich besonders vorteilhaft für Durchlichtschweißverfahren zum Verschweissen von aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, bestehenden Werkstückteilen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Werkstück aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, bestehenden Werkstückteilen, derart erzeugt, dass es ein, insbesondere entlang eines Weges zu einer Fügezone, für Infrarotlicht transparentes erstes Werkstückteil und ein, insbesondere im Bereich der Fügezone, Infrarotlicht absorbierendes zweites Werkstückteil aufweist. Grundsätzlich sind vergleichbare Anpassungen an andere Spektralbereich entsprechend der Pigmentierung der Kunststoffe möglich.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Figur näher beschrieben. Es zeigt
  • 1: ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstückteilen, insbesondere von Kunststoffteilen, mittels Durchlichtschweißen, mit einer Infrarotlampe 1, zur Emission eines Strahlungsspektrums zur Bereitstellung von thermischer Leistung in einer Fügezone 2 zwischen einem ersten Werkstückteil 3 und einem mit dem ersten Werkstückteil 3 zu verschweißenden zweiten Werkstückteil 4. Die Fügezone 2 ist insbesondere der Bereich in dem eine Schweißnaht erzeugt wird. Ein Filter 5 ist zur Ausfilterung von sonst ohne diese Ausfilterung durch das erste Werkstückteil 3 absorbierter und/oder reflektierter Strahlung ausgebildet, wobei die das Filter 5 passierende Strahlung das erste Werkstückteil 3 transmittiert und von dem zweiten Werkstückteil 4 absorbiert wird. Die Absorption erfolgt dabei im Wesentlichen im Bereich der Fügezone 2. Es ist prinzipiell möglich, dass trotz der Ausfilterung das erste Werkstückteil 3 trotzdem noch einen gewissen Strahlungsanteil absorbiert und/oder reflektiert und das zweite Werkstückteil 4 trotzdem noch einen gewissen Strahlungsanteil reflektiert und/oder transmittiert bzw. durchlässt. Daran kann die Qualität des Lichtbogenschweißvorgangs, der Vorrichtung, des Filters und des erzeugten Werkstücks gemessen werden. Das Filter 5 kann hinsichtlich Absorption, Transmission und Reflexion des von der Lampe emittierten Strahlungsspektrums an die optischen Eigenschaften des ersten Werkstückteils 3 angepasst bzw. angeglichen werden. Das Filter kann ein die Absorption, Reflexion und die Transmission bereitstellendes (in der Fig. nicht dargestelltes) Filtermedium aufweisen. Dieses befindet sich innerhalb des Filters, kann statisch sein, strömen oder zirkulieren. Auf diese Weise kann überschüssige thermische Leistung der Lampe vom Filter aufgenommen und von den Werkstückteilen, insbesondere von dem ersten Werkstückteil 3, fern gehalten werden. Das Filter kann entsprechend gekühlt werden. Eine Fokussieroptik 6 zur Fokussierung der von der Lampe 1 emittierten Strahlung durch das Filter 5 und durch das erste Werkstückteil 1 hindurch in die Fügezone 2 ist ebenso vorgesehen.
  • Ein herkömmliches Durchlichtschweißverfahren und entsprechend erzeugte Werkstücke sind in der EP 0 751 865 B1 beschrieben, auf die hiermit noch einmal ausdrücklich Bezug genommen wird. Mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung können ein entsprechendes Durchlichtschweißverfahren kostengünstig durchgeführt und Werkstücke kostengünstig hergestellt werden.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstückteilen, insbesondere von Kunststoffteilen, mittels Durchlichtschweißen, gekennzeichnet durch mindestens eine Lampe (1), insbesondere Infrarotlampe, zur Emission eines Strahlungsspektrums zur Bereitstellung von thermischer Leistung in einer Fügezone (2) zwischen einem ersten Werkstückteil (3) und einem mit dem ersten Werkstückteil (3) zu verschweißenden zweiten Werkstückteil (4).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) Licht im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1500 nm emittiert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) eine Lichtleistung bis 200 Watt abgibt.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens ein zwischen Lampe (1) und dem ersten Werkstückteil (3) positioniertes Filter (5) zur Ausfilterung störender Spektralbereiche des Strahlungsspektrums.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (5) zur Absorption und/oder Reflexion des von der Lampe (1) emittierten Strahlungsspektrums im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich und zur Transmission des von der Infrarotlampe emittierten Strahlungsspektrums im Infrarotbereich ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (5) zur Ausfilterung von sonst ohne diese Ausfilterung durch das erste Werkstückteil (3) absorbierter und/oder reflektierter Strahlung ausgebildet ist, wobei die das Filter (5) passierende Strahlung das erste Werkstückteil (3) transmittiert und von dem zweiten Werkstückteil (4) absorbiert wird.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (5) hinsichtlich Absorption, Transmission und Reflexion des Strahlungsspektrums an die optischen Eigenschaften des ersten Werkstückteils (3) angepasst bzw. angeglichen ist.
  8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (5) ein die Absorption, Reflexion und die Transmission bereitstellendes Filtermedium aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium in einer Glasform, insbesondere Quarzglasform, eingeschlossen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium zwischen zwei in einem geringen Abstand zueinander angeordneten, gegeneinander abgedichteten Glasplatten, insbesondere Quarzglasplatten, eingeschlossen ist
  11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium zur Abführung von thermischer Leistung und zur Vermeidung eines Zersetzens des Filtermediums strömt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium zur Begrenzung der nötigen Filtermediumsmenge zirkuliert.
  13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ist.
  14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium schwarz oder farbig ist.
  15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Fokussieroptik (6) zur Fokussierung der von der Lampe (1) emittierten Strahlung in die Fügezone (2).
  16. Durchlichtschweißverfahren zum Verschweissen von aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, bestehenden Werkstückteilen, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgeführt wird.
  17. Werkstück aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, bestehenden Werkstückteilen, dadurch gekennzeichnet, dass es ein, insbesondere entlang eines Weges zu einer Fügezone (2), für Infrarotlicht transparentes erstes Werkstückteil (3) und ein, insbesondere im Bereich der Fügezone (2), Infrarotlicht absorbierendes zweites Werkstückteil (4) aufweist.
DE102005004404A 2005-01-31 2005-01-31 Vorrichtung und Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen zur Fertigung von Werkstücken Ceased DE102005004404A1 (de)

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