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DE112007002109T5 - Wellenleiter für Kunststoffschweißen unter Verwendung einer inkohärenten Infrarot-Lichtquelle - Google Patents

Wellenleiter für Kunststoffschweißen unter Verwendung einer inkohärenten Infrarot-Lichtquelle Download PDF

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DE112007002109T5
DE112007002109T5 DE112007002109T DE112007002109T DE112007002109T5 DE 112007002109 T5 DE112007002109 T5 DE 112007002109T5 DE 112007002109 T DE112007002109 T DE 112007002109T DE 112007002109 T DE112007002109 T DE 112007002109T DE 112007002109 T5 DE112007002109 T5 DE 112007002109T5
Authority
DE
Germany
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infrared light
waveguide
negative waveguide
negative
incoherent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE112007002109T
Other languages
English (en)
Inventor
Scott Caldwell
Kenneth Nelson
Daniel D. Hershey
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.)
Branson Ultrasonics Corp
Original Assignee
Branson Ultrasonics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Branson Ultrasonics Corp filed Critical Branson Ultrasonics Corp
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Anordnung zum Kunststoffschweißen eines ersten Kunststoffteils eines Werkstücks an ein zweites Kunststoffteil des Werkstücks, wobei die Anordnung umfasst:
eine erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle, die inkohärente Infrarotlichtenergie erzeugt; und
einen ersten negativen Wellenleiter, der ein Eingangs-Ende und ein Ausgangs-Ende aufweist, wobei die inkohärente Infrarotlichtenergie aus der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle in den ersten negativen Wellenleiter bei dem Eingangs-Ende eintritt, durch den ersten negativen Wellenleiter geht und den ersten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt, wobei der erste negative Wellenleiter einen nicht-konischen länglichen Querschnitt aufweist, was eine nicht-kreisförmige Schweißzone erzeugt.

Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung ist eine Continuation-Anmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 11/520,227, die am 13. September 2006 eingereicht wurde und eine Continuation-In-Part-Anmeldung der am 31.08.2005 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/216,711 ist. Die Offenbarung der obigen Anmeldung wird durch Bezugnahme hierin einbezogen.
  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kunststoffschweißen und bevorzugter betrifft sie Wellenleiter zur Verwendung mit einer inkohärenten Infrarot-Lichtquelle zum Kunststoffschweißen.
  • Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
  • Gegenwärtig kennt die Technik des Schweißens von Kunststoff oder von Harzteilen eine Vielfalt an Verfahren, umfassend Ultraschallschweißen, Wärmeschweißen und seit jüngster Zeit das Infrarot-Durchschallungs (TTIr)-Schweißen.
  • Das TTIr-Schweißen verwendet Infrarotlicht, das durch ein erstes Kunststoffteil und in ein zweites Kunststoffteil geht. Das TTIr-Schweißen kann entweder Infrarot-Laserlicht oder inkohärentes Infrarotlicht gemäß dem gegenwärtigen Stand der Technik verwenden. Infrarot-Laserlicht kann ge mäß dem derzeitigen Stand der Technik durch Glasfasern, Wellenleiter oder Lichtleiter durch das erste Kunststoffteil und in ein zweites Kunststoffteil geführt werden. Dieses erste Kunststoffteil wird oftmals das Übertragungsstück genannt, da es im Allgemeinen erlaubt, dass der Laserstrahl aus dem Laser durch dieses hindurchgeht. Das zweite Kunststoffteil wird oftmals das Absorptionsstück genannt, da dieses Stück im Allgemeinen die Strahlungsenergie des Laserstrahls absorbiert, um Wärme in der Schweißzone zu erzeugen. Diese Wärme in der Schweißzone bewirkt, dass das Übertragungsstück und das Absorptionsstück schmelzen und so zusammengeschweißt werden. Jedoch ist die durch herkömmliche Lasersysteme erzeugte Wärme oftmals teuer, was zu erhöhten Produktionskosten führt. Alternative Änderungen bei dem Laserschweißen können in dem US-Patent Nr. 4,636,609 gefunden werden, das durch Bezugnahme hierin eingebunden wird.
  • Wie allgemein bekannt, liefern Laser im Allgemeinen einen gebündelten Strahl elektromagnetischer Strahlung bei einer bestimmten Frequenz oder einem bestimmten Frequenzbereich. Es ist eine Anzahl von Lasertypen verfügbar, die eine relativ wirtschaftliche Strahlungsenergie-Quelle zur Verwendung zum Erwärmen einer Schweißzone liefern. Diese durch den Infrarotlaser erzeugte Strahlungsenergie kann zu der bestimmten Schweißzone durch eine Anzahl von Übertragungs-Einrichtungen gebracht werden – wie durch eine einzelne optische Faser, ein Faseroptikbündel, einen Wellenleiter, einen Lichtleiter oder dergleichen – oder einfach durch Führen eines Laserstrahls bei der bestimmten Schweißzone. Im Falle eines Faseroptikbündels kann das Bündel ausgebildet sein, um entweder einen Einzelpunkt-Quellen-Laserstrahl, der oftmals zum Punktschweißen verwendet wird, oder einen im Allgemeinen linear verteilten Laserstrahl, der oftmals zum Linearverschweißen verwendet wird, zu erzeugen.
  • Das Kunststoffschweißen unter Verwendung inkohärenter Infrarot-Lichtquellen zum Schweißen von Kunststoff ist machbar. Ein Beispiel dafür kann im US-Patent Nr. 6,528,755 gefunden werden, das auf den gleichen Anmelder übertragen wurde und hier durch Bezugnahme einbezogen wird. Es gibt zwei Haupt-Kunststoffschweißverfahren, die mit inkohärentem Infrarotlicht verwendet werden – Bauteil-zu-Bauteil-Oberflächen-Erwärmungs-Infrarotschweißen und TTIr-Schweißen.
  • Wie aus den 1(a)–(c) hervorgeht, verwendet das Bauteil-zu-Bauteil-Oberflächen-Erwärmungs-Infrarotschweißen eine inkohärente Infrarot-Lichtquelle 110, die zunächst zu verschweißende Kunststoffteile 112, 114 erwärmt. Die inkohärente Lichtquelle 110 wird dann entfernt (1(b)) und die Teile 112, 114 werden zusammengedrückt (1(c)). Während die Teile abkühlen, wird eine Bindung entlang der Schweiß-Grenzfläche 116 gebildet, wodurch die Teile miteinander verschweißt werden.
  • Demgegenüber geht beim TTIr-Schweißen, wie aus 2 ersichtlich ist, ähnlich wie oben beschrieben, inkohärentes Infrarotlicht 120 von einer inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 122 durch ein erstes, zu schweißendes Kunststoffteil (Übertragungsstück) 124. Dieses inkohärente Infrarotlicht 120 wird an der Schweißlinie 126 entweder von dem zweiten, zu schweißenden Kunststoffteil (Absorptionsstück) 128 oder von einem Oberflächenadditiv an der Schweißzone absorbiert, wodurch das Übertragungsstück 124 und das Absorptionsstück 128 entlang der Schweißzone erwärmt und verschweißt werden. Sobald das erste Kunststoffteil 124 und das zweite Kunststoffteil 128 sich abgekühlt haben, sind diese miteinander verbunden.
  • Es sollte jedoch beachtet werden, dass die inkohärente Infratrot-Lichtquelle, die in diesen Verfahren verwendet wird, ihre Energie in alle Richtungen richtet, wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist. Wie aus 3 hervorgeht, wurde der Versuch unternommen durch den Einsatz parabolischer oder elliptischer Reflektoren 140 zu versuchen diese Energie zu einer bestimmten Schweißstelle zu richten, jedoch konnten diese Reflektoren diese Energie nicht zuverlässig und effizient zu dem bestimmten Schweißgebiet führen. Parabolische und elliptische Reflektoren konzentrieren ungefähr fünfzig Prozent (50%) des Infrarotlichts, jedoch breiten sich die anderen fünfzig Prozent (50%) ineffizient aus.
  • Eine Maskierung wurde eingesetzt, um zu versuchen, die Infrarotenergie zu reduzieren, die nicht zu schmelzende Gebiete erreicht. Obwohl die Maskierung erfolgreich verhindert, dass das Infrarotlicht Gebiete erreicht, die nicht zu schmelzen sind, wird das Infrarotlicht, das auf diese maskierten Gebiete trifft, in dem Schweißverfahren verschwendet. Demgemäß sind größere und teuere inkohärente Quellen notwendig.
  • Infrarotlampen sind die bekanntesten und am häufigsten verwendeten inkohärenten Infrarot-Lichtquellen. Typischerweise haben diese Lampen eine begrenzte Lebensdauer, wenn sie mit voller Leistung betrieben werden. Jedoch müssen diese Infrarotlampen wegen Leistungsschwächen bei der Lichtabgabe, wie hierin beschrieben, mit voller Leistung betrieben werden, um ausreichend Energie dem Schweißgebiet zur Verfügung zu stellen, um ein ausreichendes Erwärmen und Schmelzen zum Schweißen zu erreichen.
  • Eine Lösung für die vorliegenden Probleme liefert eine Anordnung zum Erzeugen einer Schweißstelle, die ein erstes Teil eines Werkstücks mit einem zweiten Teil des Werkstücks verbindet. Die Anordnung umfasst eine erste inkohärente Lichtquelle, die inkohärente Lichtenergie erzeugt, und einen ersten negativen Wellenleiter mit einem Eingangs-Ende und einem Ausgangs-Ende, wobei die inkohärente Lichtenergie aus der ersten inkohärenten Lichtquelle und die, die von dem ersten Reflektor reflektiert wird, in den ersten negativen Wellenleiter an dem Eingangs-Ende eintritt, durch den ersten negativen Wellenleiter geht und den ersten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt. Der erste negative Wellenleiter weist einen nicht-konischen länglichen Querschnitt auf, was eine nicht-kreisförmige Schweißzone ergibt.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung offensichtlich werden, die nachfolgend geliefert wird. Es sollte verständlich sein, dass die detaillierte Beschreibung und die bestimmten Ausführungsbeispiele, obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zum Zwecke der Veranschaulichung dienen und nicht vorgesehen sind, um den Bereich der Erfindung zu beschränken.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden, in welchen:
  • 1(a) bis (c) eine Reihe von Seitenansichten sind, die das Bauteil-zu-Bauteil-Oberflächen-Erwärmen gemäß dem Stand der Technik zeigen;
  • 2 eine Seitenansicht ist, die das TTIr-Schweißen gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht;
  • 3 eine Seitenansicht ist, die einen Reflektor gemäß dem Stand der Technik zeigt;
  • 4(a) bis (c) eine Reihe von Seitenansichten sind, die das Bauteil-zu-Bauteil-Oberflächen-Erwärmen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 eine Seitenansicht ist, die das TTIr-Schweißen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 6(a) eine Querschnittsansicht eines positiven Wellenleiters gemäß dem Stand der Technik ist;
  • 6(b) eine Querschnittsansicht eines negativen Wellenleiters gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
  • 7 eine schematische Ansicht ist, die das Schweißen gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines flexiblen positiven Wellenleiters zeigt;
  • 8 eine schematische Ansicht ist, die einen einfachen konischen Wellenleiter darstellt;
  • 9 eine schematische Ansicht ist, die einen komplexen Wellenleiter zeigt, der einen nicht-kreisförmigen Fleck gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung erzeugt;
  • 10 eine schematische Ansicht ist, die eine gekrümmte Quelle und einen gekrümmten Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11 eine schematische Ansicht ist, die eine gekrümmte Quelle und einen gekrümmten Wellenleiter mit variabler Breite gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 12 eine schematische Ansicht ist, die eine Kreuzungs-Quelle und einen Kreuzungs-Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 13 eine schematische Ansicht ist, die eine planare Gruppierung länglicher Quellen und einen komplexen Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 14 eine schematische Ansicht ist, die eine Vielzahl von Punktquellen und einen komplexen Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 15 eine schematische Ansicht ist, die eine Vielzahl länglicher Quellen in Verbindung mit einem einzelnen, komplexen Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 16 eine schematische Ansicht ist, die eine einzelne Quelle in Verbindung mit einer Vielzahl komplexer Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 17 eine schematische Ansicht ist, die eine Vielzahl unterschiedlicher Quellentypen in Verbindung mit einer Vielzahl komplexer Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 18 eine schematische Ansicht ist, die eine längliche Quelle in Verbindung mit einem länglichen, sich verjüngenden Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 19 eine schematische Ansicht ist, die eine längliche Quelle in Verbindung mit einem sich nach außen verjüngenden Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 20 eine schematische Ansicht ist, die eine längliche Quelle in Verbindung mit einem gekrümmten Wellenleiter, der einen Ausgang um 90° relativ zu einem Eingang aufweist, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 21 eine schematische Ansicht ist, die eine längliche Quelle in Verbindung mit einem gekrümmten Wellenleiter, der einen Ausgang um 90° relativ zu einem Eingang aufweist, der eine abgewinkelte reflektierende Ecke hat, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 22 eine schematische Ansicht ist, die eine Vielzahl länglicher Quellen, die in Verbindung mit einem U-förmigen Wellenleiter stehen und um einen äußeren Begrenzungsbereich des U-förmigen Wellenleiters angeordnet sind, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 23 eine schematische Ansicht ist, die eine Vielzahl länglicher Quellen, die in Verbindung mit einem U-förmigen Wellenleiter stehen und um einen inneren Begrenzungsbereich des U-förmigen Wellenleiters in einer nicht-einheitlichen Orientierung angeordnet sind, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 24 eine schematische Ansicht ist, die ein Paar längliche Quellen in Verbindung mit einem Paar primärer Wellenleiter und einem zwischen diesen angeordneten Lücken-Füllungs-Wellenleiter gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 25 eine schematische Ansicht ist, die ein Paar längliche Quellen in Verbindung mit einem Paar primärer Wellenleiter, die einander überlappen, um eine gleichmäßige Schweißbedeckung zu liefern, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist im Wesen nur beispielhaft und ist keineswegs beabsichtigt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen zu beschränken.
  • Nun Bezug nehmend auf 4 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen eines ersten Kunststoffteils 10 an ein zweites Kunststoffteil 12 unter Verwendung einer ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 14 und einer zweiten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 16 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Lehren verwendet. Spezieller betrachtet sind die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle 14 und die zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle 16 jeweils an einer Haltekonstruktion 18 befestigt und werden von dieser getragen. Die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle 14 ist in einer negativen Wellenleiter-Anordnung 20 angeordnet. Die erste negative Wellenleiter-Anordnung 20 umfasst einen Reflektor-Abschnitt 22 und einen negativen Wellenleiter-Abschnitt 24. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der negative Wellenleiter-Abschnitt 24 integral mit dem Reflektor-Abschnitt 22 ausgebildet, um einen einzige, einstückige Anordnung zu bilden. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle 14 bei dem Brennpunkt des Reflektor-Abschnitts 22 angeordnet.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Reflektor-Abschnitt 22 geformt sein, um ein beliebiges Profil zu bilden, das zum Richten des inkohärenten Infrarotlichts von der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 14 in Richtung auf den negativen Wellenleiter-Abschnitt 24 dienlich ist. Bevorzugter kann der Reflektor-Abschnitt 22 geformt sein, um ein elliptisches oder parabolisches Profil zu bilden, das im Stande ist, inkohärentes Infrarotlicht von der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 14 entlang einer vorbestimmten Richtung zu richten und in dem negativen Wellenleiter-Abschnitt 24 zu verteilen. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die inkohärente Infrarot-Lichtquelle 14 bei dem Brennpunkt des Reflektor-Abschnitts 22 angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der negative Wellenleiter-Abschnitt 24 geformt, um inkohärentes Infrarotlicht von der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 14 und dem Reflektor-Abschnitt 22 zu empfangen und dieses inkohärente Infrarotlicht zu seinen Ausgangs-Ende 26 zu führen und/oder zu übertragen. Ähnlich ist die zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle 16 zur Verwendung in Verbindung mit einer zweiten negativen Wellenleiter-Anordnung 28 angeordnet. Die zweite negative Wellenleiter-Anordnung 28 ist identisch zu der ersten negativen Wellenleiter-Anordnung 20, jedoch ist diese zu ihr gespiegelt. Daher wird eine detaillierte Beschreibung der zweiten negativen Wellenleiter-Anordnung 28 der Kürze halber als nicht notwendig erachtet.
  • Während des Betriebs werden die inkohärente Infrarot-Lichtquelle 14 und die zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle 16 jeweils betätigt, um inkohärentes Infrarotlicht auszugeben. Dieses inkohärente Infrarotlicht wird gleichmäßig und radial von der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 14 und der zweiten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 16 verteilt. Jedoch wird jegliches inkohärentes Infrarotlicht, das auf den Reflektor-Abschnitt 22 trifft, erneut durch den Reflektor-Abschnitt 22 auf den negativen Wellen leiter-Abschnitt 24 gerichtet und/oder konzentriert. Der negative Wellenleiter-Abschnitt 24 richtet und/oder überträgt ferner das inkohärente Infrarotlicht zu seinem Ausgangs-Ende 26. Das inkohärente Infrarotlicht, das das Ausgangs-Ende 26 der ersten negativen Wellenleiter-Anordnung 20 und der zweiten negativen Wellenleiter-Anordnung 28 verlässt, wird auf einen vorbestimmten Abschnitt eines ersten Kunststoffteils 10 und eines zweiten Kunststoffteils 12 gerichtet, um eine erste Schweißzone 30 und eine zweite Schweißzone 32 des ersten Schweißteils 10 bzw. des zweiten Schweißteils 12 zu erwärmen. Sobald die erste Schweißzone 30 und die zweite Schweißzone 32 ausreichend durch die Absorption von Lichtenergie erwärmt worden sind, wird die Haltekonstruktion 18 relativ zu dem ersten Kunststoffteil 10 und dem zweiten Kunststoffteil 12 bewegt, um zu gestatten, dass das erste Kunststoffteil 10 und das zweite Kunststoffteil 12 zusammengedrückt werden, um eine fertige Schweißzone 34 zu bilden.
  • Nun Bezug nehmend auf 5 können die Grundsätze der vorliegenden Lehren in Verbindung mit dem TTIr-Schweißen genutzt werden. Spezieller betrachtet ist eine inkohärente Infrarot-Lichtquelle 40 in einer negativen Wellenleiter-Anordnung 42 angeordnet. Die negative Wellenleiter-Anordnung 42 weist einen Reflektor-Abschnitt 44 und einen negativen Wellenleiter-Abschnitt 46 auf. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der negative Wellenleiter-Abschnitt 46 integral mit dem Reflektor-Abschnitt 44 ausgebildet, um eine einzige, einstückige Anordnung zu bilden.
  • Ähnlich zu dem oben diskutierten Reflektor-Abschnitt 22 kann der Reflektor-Abschnitt 44 geformt sein, um ein beliebiges Profil zu bilden, das zum Richten von inkohärentem Infrarotlicht von der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 40 in Richtung auf den negativen Wellenleiter-Abschnitt 46 zweckdienlich ist. Bevorzugter kann der Reflektor-Abschnitt 44 geformt sein, um ein elliptisches oder parabolisches Profil zu bilden, das imstande ist, inkohärentes Infrarotlicht von der inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 40 entlang einer vorbestimmten Richtung und Ausbreitung in den negativen Wellenleiter-Abschnitt 46 zu fuhren. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die inkohärente Infrarot-Lichtquelle 40 bei dem Brennpunkt des Reflektor-Abschnitts 44 angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen, ähnlich dem negativen Wellenleiter-Abschnitt 24, kann der negative Wellenleiter-Abschnitt 46 geformt sein, um inkohärentes Infrarotlicht von der inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 40 und dem Reflektor-Abschnitt 44 zu empfangen und dieses inkohärente Infrarotlicht zu seinen Ausgangs-Ende 48 zu richten und/oder zu übertragen.
  • Während der Betätigung wird die inkohärente Infrarot-Lichtquelle 40 betätigt, um inkohärentes Infrarotlicht auszugeben. Dieses inkohärente Infrarotlicht wird gleichmäßig und radial von der inkohärenten Infrarot-Lichtquelle 40 verteilt. Jedoch wird jegliches inkohärentes Infrarotlicht, das in Richtung auf den Reflektor-Abschnitt 44 gerichtet ist, erneut durch den Reflektor-Abschnitt 44 in Richtung auf den negativen Wellenleiter-Abschnitt 46 gerichtet und/oder konzentriert. Der negative Wellenleiter-Abschnitt 46 richtet und/oder überträgt ferner das inkohärente Infrarotlicht zu seinem Ausgangs-Ende 48. Inkohärentes Infrarotlicht, das das Ausgangs-Ende 48 der negativen Wellenleiter-Anordnung 42 verlässt, wird durch ein erstes Übertragungsteil 50 geführt. Dieses inkohärente Infrarotlicht wird dann an einer Schweißlinie 52 zwischen dem ersten Übertragungsteil 50 und einem zweiten Absorptionsteil 54 absorbiert. Bevorzugter geht inkohärentes Infrarotlicht durch das erste Übertragungsteil 50 und wird dann von dem zweiten Absorptionsteil 54 oder von einem Oberflächenadditiv, das zwischen dem ersten Übertragungsteil 50 und dem zweiten Teil 54 angeordnet ist, absorbiert, wodurch das erste Übertragungsteil 50 und das zweite Teil 54 entlang der Schweißlinie 52 erwärmt und geschmolzen werden. Sobald das erste Übertragungsteil 50 und das zweite Absorptionsteil 54 ausreichend durch Absorption von Lichtenergie an der Schweißlinie 52 erwärmt worden sind, werden das erste Übertragungsteil 50 und das zweite Absorptionsteil 54 abgekühlt, um eine geschweißte Verbindung zu ergeben.
  • Wie in 5 und 6(b) gezeigt ist, wird das inkohärente Infrarotlicht aus den verschiedenen inkohärenten Infrarot-Lichtquellen, die oben diskutiert worden sind, zu einem vorbestimmten Abschnitt eines zu schweißenden Teils durch einen negativen Wellenleiter geführt. Dieser negative Wellenleiter steuert genau, wohin inkohärentes Infrarotlicht geführt wird, wodurch die Effizienz stark erhöht wird, dass das inkohärente Infrarotlicht geliefert wird.
  • Inkohärentes Infrarotlicht kann aus einer beliebigen Anzahl geeigneter Quellen stammen, die im Allgemeinen heute bekannt sind. Als nicht beschränkendes Beispiel können die inkohärenten Infrarot-Lichtquellen, die hierin beschrieben sind, ausstrahlende Infrarotflammen, elektrische Widerstandsheizungen, Glühlampen, Gasentladungslampen, Schwarzkörperstrahler, radioaktive Glühkörper oder andere inkohärente Infrarot-Lichtquellen sein. Es wurde jedoch bei einigen Ausführungsformen herausgefunden, dass Halogenglühlampen oder elektrische Widerstandsheizungen die Kosteneffizienz, Verfügbarkeit und Gestaltungsflexibilität maximieren.
  • In ähnlicher Weise kann eine beliebige Anzahl negativer Wellenleiter zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sein. Die reflektierende Kavität des negativen Wellenleiters könnte eine polierte Metalloberfläche oder eine stark reflektierende dielektrische Dünnschicht- Beschichtung aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsformen könnte die negative Form außerdem mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt sein, das/die für das inkohärente Infrarotlicht durchlässig ist. Alternativ könnte die negative Form des Wellenleiters entleert sein, um darin ein Vakuum zu bilden. Die kosteneffizienteste Ausführungsform scheint jedoch ein luftgefüllter negativer metallischer Wellenleiter mit Goldbeschichtung in Sachen Lebensdauer, Effizienz und hoher Wellenlängen-Bandbreite zu sein.
  • Im Allgemeinen ist ein negativer Wellenleiter gegenüber einem positiven Wellenleiter wegen seiner Einfachheit und seiner höheren Wellenlängen-Bandbreite bevorzugt. Da die inkohärenten Infrarot-Lichtquellen Breitband-Emitter sind, wird die größere Wellenlängen-Bandbreite des Wellenleiters mit negativer Kavität wichtig.
  • Die zu schweißenden Kunststoffteile gemäß den vorliegenden Lehren können aus einem Material hergestellt sein, das im Sichtbereich klar, transluzent oder opak ist.
  • Die einzige Anforderung bei dem Bauteil-zu-Bauteil-Infrarot-Schweißverfahren ist, dass das Teil für Infrarot absorbierend sein muss oder ein Oberflächenadditiv aufweisen muss, das für Infrarot absorbierend ist, um zu schweißen. Für das TTIr-Verfahren ist es notwendig, dass ein zu schweißendes Teil für Infrarot durchlässig ist und das andere zu schweißende Teil für Infrarot absorbierend ist, oder dass anstelle des anderen Teils, das für Infrarot absorbierend ist, ein absorbierendes Oberflächenadditiv zwischen den zwei Teilen vorgesehen ist, um die notwendige örtliche Erwärmung zu schaffen, um eine zuverlässige Schweißoberfläche zu bilden.
  • Wie hier beschrieben, kann Kunststoff unter Verwendung einer bloßen inkohärenten Infrarot-Lichtquelle geschweißt werden, aber eine effizientere Verwendung der Leistung ist, das Infrarotlicht direkter auf den Schweißbereich durch einige optische Mittel zu führen.
  • Ein Mittel, das allgemein in der Industrie verwendet wird, ist das Maskieren des Teils. Dies führt die Energie nur in den Schweißbereich, verschwendet aber den Großteil des Infrarotlichts, das die Quelle emittiert.
  • Ein zweites Mittel, das allgemein in der Industrie herangezogen wird, ist die Quelle mit einem parabolischen oder elliptischen Reflektor zu reflektieren. Dies kann bis zu fünfzig Prozent der Energie zu dem Schweißgebiet konzentrieren, aber die anderen fünfzig Prozent breiten sich ineffizient aus.
  • Ein drittes Mittel ist die Nutzung des Linseneffekts. Bei dem Schwarzkörper-Spektrum, das die meisten inkohärenten Infrarot-Lichtquellen aufweisen, übertragen Glas- und Kunststofflinsen unglücklicherweise den größten Teil der Energie des inkohärenten Infrarotlichts nicht. Exotischere Infrarotmaterialien können verwendet werden und werden von der Industrie eingesetzt, aber dieser Ansatz wird selten gewählt.
  • Ein viertes Mittel ist die Verwendung von Glasfasern oder positiven dielektrischen Wellenleitern. Aus dem gleichen Grund, dass Glas- und Kunststofflinsen ineffizient sind, sind Glasfasern und positive dielektrische Wellenleiter ineffizient, da sie nicht die Übertragungs-Bandbreite für breitbandiges inkohärentes Infrarotlicht bei Einsatz nicht-exotischer Materialien aufweisen.
  • Ein fünftes Mittel, um inkohärentes Licht zu einem einfachen Fleck zu führen, ist die Verwendung eines einfachen konischen optischen Konzentrators nach der Quelle. Dies ist eine effiziente Möglichkeit, das Infrarotlicht zu dem Schweißgebiet zu konzentrieren, aber es ist in der Geometrie auf einen einfachen Fleck beschränkt.
  • Ein sechstes Mittel, welches neu zu den vorliegenden Lehren ist, ist die Verwendung eines allgemeinen negativen Wellenleiters zum inkohärenten Infrarot-Kunststoffschweißen. Die reflektierende Kavität des negativen Wellenleiters kann eine polierte Metalloberfläche oder eine stark reflektierende dielektrische Dünnschicht-Beschichtung aufweisen. Wellenleiter sind ungefähr drei Mal effizienter als eine bloße Quelle und eine reflektierende Kavität kann effizient die Breitband-Strahlung von einer inkohärenten Infrarotquelle über ihr gesamtes Spektrum übertragen. Ein einfacher konischer optischer Konzentrator ist ein spezieller beschränkter Fall eines negativen Wellenleiters, aber ist in der Geometrie auf die Erzeugung eines einfachen Flecks beschränkt. Ein allgemeiner negativer Wellenleiter ist ein allgemeinerer Fall, der den Vorteil hat, in der Lage zu sein sich an gerade jede beliebige Schweißgeometrie, sowohl zweidimensional als auch dreidimensional, anzupassen, und gerade jede beliebige Quellengeometrie zu akzeptieren. Außerdem kann ein negativer Wellenleiter Energie um Ecken übertragen, mehrere Quellen verbinden und zu mehreren Schweißbereichen übertragen.
  • Das beste Mittel ist, einen parabolischen oder elliptischen Reflektor auf der Rückseite der inkohärenten Infrarotquelle mit einem allgemeinen negativen Wellenleiter nach der Quelle, zwischen der Quelle und den Schweißbereichen auf den zu schweißenden Teilen zu kombinieren.
  • Die Geometrie eines einfachen konischen optischen Konzentrators ist in 8 gezeigt. Der Klarheit halber zeigen all die Figuren die inkohärente Infrarotquelle in grau und die Wellenleiter sind als positive Form gezeigt, obwohl es verständlich sein sollte, dass die positive Form die Kavität des negativen Wellenleiters darstellt. Der Konzentrator ist auf einen Konus beschränkt und erzeugt einen einfachen konzentrierten runden Fleck vor der Quelle.
  • Ein allgemeiner negativer Wellenleiter ist andererseits eine viel komplexere Einheit, die eine viel größere Freiheit in der Ausgestaltung aufweisen kann. Die Flexibilität in der Ausgestaltung geht aus den folgenden Beispielen hervor.
  • Aus 9 geht hervor, dass ein allgemeiner negativer Wellenleiter eine komplizierte Fleckform – komplizierter als ein einfacher konischer Konzentrator – erzeugen kann. Er kann außerdem Linien erzeugen, die gerade oder gekrümmt sind. Die Linien- oder Kurvengeometrie der Quelle 40 muss nicht mit der gleichen Linie oder Kurvengeometrie des Schweißmusters 52, das in 10 dargestellt ist, übereinstimmen. Außerdem muss die Linienbreite des Schweißmusters 52 nicht gleichmäßig sein, wie aus 11 hervorgeht. Gemäß 11 kann eine gekrümmte Lichtquelle 40 in Verbindung mit einem Wellenleiter 46 verwendet werden, der die Breite entlang einer kurvenförmigen Bahn ändert. Auf diese Weise kann das Schweißmuster 52 eine einzigartige Form bilden. Kreuzungspunkte können außerdem in einen allgemeinen negativen Wellenleiter einbezogen werden, wie aus 12 ersichtlich ist, wobei sich eine erste Lichtquelle 40 und ein erster Wellenleiter 46 in einem Winkel, wie 90° wie dargestellt, mit einer zweiten Lichtquelle 40' und einem zweiten Wellenleiter 46' schneiden.
  • Gebiete können in einer bestimmten Weise durch eine eindimensionale oder zweidimensionale Gruppierung von Breitband-Infrarotemittern 40, die wie aus den 13 und 14 ersichtlich ist, Bestandteil eines Wellenleiters 46 sind, beleuchtet werden. Durch das Kombinieren von Flecken, Linien, Kreuzungen und Bereichen miteinander können beliebige willkürliche zweidimensionale Schweißmuster erzeugt werden.
  • Die Beleuchtung durch getrennte Quellen kann gemischt werden, um die Einheitlichkeit des Schweißmusters 42 sicherzustellen, was aus 15 hervorgeht, wobei eine Vielzahl von Lichtquellen 40 koaxial ausgerichtet sind und durch einen einzelnen Wellenleiter 46 gesteuert werden. Jedoch kann gemäß einigen Ausführungsformen eine einzelne Quelle 40 auf verschiedene Stellen durch mehrere Wellenleiter 46, 46', 46'' projiziert werden, wie aus 16 ersichtlich ist. Auf diese Weise kann jeder der mehreren Wellenleiter 46, 46', 46'' derart angeordnet werden, dass ihre Längsachse in einem Winkel relativ zu einander steht. Jedoch können mehrere verschiedene Quellen 40, 40', 40'' zu einem einzigen Schweißmuster 52 durch einen oder mehrere Wellenleiter 46 kombiniert werden, wie in 17 gezeigt ist. Eine Quelle kann konzentriert werden, wie aus 18 ersichtlich ist, oder ein bisschen streuen lassen, wie aus 19 ersichtlich ist, um die Quellen- und Schweißintensitäten ändern zu können.
  • Der allgemeine negative Wellenleiter kann erweitert werden, um dreidimensionale Schweißgeometrien zu erzeugen. Die Leistung von einer Quelle kann um eine Ecke durch eine Kurve, wie in 20 gezeigt, oder durch eine Umlenkebene gemäß 21 geleitet werden. Dabei ist der Einlass des Wellenleiters 46 mit einem Winkel relativ zu dem Auslass, beispielsweise 90° wie dargestellt, angeordnet. Für eine äußere hinauf- und hinabgehende Schweißgeometriekurve (Stirnrunzeln genannt) werden separate Quellen 40 kombiniert, um eine gleichmäßige Beleuchtungsintensität um die Außenseite der Kurve 100 zu projizieren, wie in 22 gezeigt ist. Eine innere hinauf- und hinabgehende Schweißkurve (Lächeln genannt) ist komplizierter, wie aus 23 hervorgeht. Um eine gleichmäßige Intensität zu erreichen, werden wegen dem an der Innenseite der Kurve 102 verfügbaren beschränkten Raum die Quellen 40 relativ zu der Schweißlinie gekippt und ein Zick-Zack-Wellenleiter wird dazwischen angeordnet, wie aus 23 hervorgeht. Für eine äußere hinauf- und hinabgehende Ecke werden Quellen für eine gleichmäßige Beleuchtung getrennt, weisen aber eine Wellenleiterverbindung dazwischen auf, um einen kalten Fleck an der Ecke zu verhindern, wie aus 24 hervorgeht. Für eine innere hinauf- und hinabgehende Ecke müssen die Quellen Seite-an-Seite wegen dem beschränkten Innenraum sein und der Wellenleiter muss überlappen, um eine gleichmäßige Beleuchtung zu erreichen, wie in 25 dargestellt ist. Durch die Kombination der Möglichkeit, Energie um eine Ecke zu führen und Energie an die Innenseite und Außenseite von Schweißkurven und Ecken zu projizieren sowie durch die Kombination der zweidimensionalen Verfahren wird die dreidimensionale Beleuchtung von fast jeder Schweißgeometrie möglich.
  • Die Verwendung eines allgemeinen negativen Wellenleiters für inkohärentes Infrarot-Kunststoffschweißen hat mehrere Vorteile. Die erhöhte optische Effizienz sowie die Präzision, wohin das Infrarotlicht gerichtet wird, führt zu einer geringeren Verschwendung von Wärme in der Maschine und zu einem geringeren Leistungsverbrauch. Wenn Infrarotlampen als Leistungsquelle verwendet werden, gestattet die erhöhte Effizienz, dass die Lampen mit geringerer Leistung betrieben werden, was ihre Lebensdauer stark erhöht. Wellenleiter gestatten es der Geometrie der Lichtquelle anders zu sein als die Geometrie der zu schweißenden Teile. Dies erlaubt eine Gestaltungsflexibilität bei der Werkzeugbereitstellung. Dies erlaubt den Einsatz einheitlicher Lampen oder Fasern mit großen Kosteneinsparungen gegenüber kundenspezifischen Lampen oder Fasern. Die Wellenleiter halten außerdem Infrarotlicht von Schmelzgebieten auf den Teilen fern, die nicht zu schmelzen sind, was die Qualität des Schweißens verbessert.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist in der Art nur beispielhaft und folglich sind Änderungen, die nicht den Inhalt der Erfindung verlassen, beabsichtigt, in dem Bereich der Erfindung zu liegen. Solche Änderungen sind nicht als ein Abrücken von dem Geist und dem Bereich der Erfindung zu betrachten.
  • Zusammenfassung
  • Eine Anordnung zum Erzeugen einer Schweißstelle verbindet ein erstes Teil eines Werkstücks mit einem zweiten Teil des Werkstücks. Die Anordnung umfasst eine erste inkohärente Lichtquelle, die inkohärente Lichtenergie erzeugt, und einen ersten negativen Wellenleiter mit einem Eingangs-Ende und einem Ausgangs-Ende, wobei die inkohärente Lichtenergie von der ersten inkohärenten Lichtquelle und die, die von dem ersten Reflektor reflektiert wird, in den ersten negativen Wellenleiter an dem Eingangs-Ende eintritt, durch den ersten negativen Wellenleiter geht und den ersten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt. Der erste negative Wellenleiter weist einen nicht-konischen länglichen Querschnitt auf, was eine nicht-kreisförmige Schweißzone ergibt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4636609 [0004]
    • - US 6528755 [0006]

Claims (19)

  1. Anordnung zum Kunststoffschweißen eines ersten Kunststoffteils eines Werkstücks an ein zweites Kunststoffteil des Werkstücks, wobei die Anordnung umfasst: eine erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle, die inkohärente Infrarotlichtenergie erzeugt; und einen ersten negativen Wellenleiter, der ein Eingangs-Ende und ein Ausgangs-Ende aufweist, wobei die inkohärente Infrarotlichtenergie aus der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle in den ersten negativen Wellenleiter bei dem Eingangs-Ende eintritt, durch den ersten negativen Wellenleiter geht und den ersten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt, wobei der erste negative Wellenleiter einen nicht-konischen länglichen Querschnitt aufweist, was eine nicht-kreisförmige Schweißzone erzeugt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle, die inkohärente Infrarotlichtenergie erzeugt, wobei die inkohärente Infrarotlichtenergie aus der zweiten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle in den ersten negativen Wellenleiter an dem Eingangs-Ende eintritt, durch den ersten negativen Wellenleiter geht und den ersten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle und die zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle jeweils länglich und koaxial ausgerichtet sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle und die zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle jeweils länglich und axial relativ zueinander versetzt sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten negativen Wellenleiter mit einen Eingangs-Ende und einem Ausgangs-Ende, wobei die inkohärente Infrarotlichtenergie von der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle in den zweiten negativen Wellenleiter an dem Eingangs-Ende eintritt, durch den zweiten negativen Wellenleiter geht und den zweiten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt, wobei der zweite negative Wellenleiter getrennt von dem ersten negativen Wellenleiter ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei der zweite negative Wellenleiter derart angeordnet ist, dass seine Längsachse in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des ersten negativen Wellenleiters verläuft.
  7. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle länglich ist und das Eingangs-Ende des ersten negativen Wellenleiters im Allgemeinen orthogonal zu dem Ausgangs-Ende des ersten negativen Wellenleiters ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei der erste negative Wellenleiter eine abgewinkelte Fläche aufweist, die zwischen dem Eingangs-Ende und dem Ausgangs-Ende vorgesehen ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste negative Wellenleiter im Allgemeinen U-förmig ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste negative Wellenleiter ein längliches, zusammenlaufendes Element ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste negative Wellenleiter ein längliches, sich erweiterndes Element ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste negative Wellenleiter gekrümmt ist, so dass die Schweißzone gekrümmt ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle gekrümmt ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Ausgangs-Ende des ersten negativen Wellenleiters eine gekrümmte Form mit variabler Breite aufweist.
  15. Anordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle, die inkohärente Infrarotlichtenergie erzeugt; und einen zweiten negativen Wellenleiter mit einem Eingangs-Ende und einem Ausgangs-Ende, wobei die inkohärente Infrarotlichtenergie aus der zweiten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle in den zweiten negativen Wellenleiter bei dem Eingangs-Ende eintritt, durch den zweiten negativen Wellenleiter geht und den zweiten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt, wobei der zweite negative Wellenleiter und die zweite inkohärente Infrarot-Lichtquelle in einem im Allgemeinen orthogonalen Winkel zu dem ersten negativen Wellenleiter bzw. zu der ersten inkohärenten Infrarot-Lichtquelle angeordnet sind.
  16. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste negative Wellenleiter U-förmig ist und die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle in Verbindung mit dem ersten negativen Wellenleiter entlang der Außenseite der Kurve des ersten negativen Wellenleiters angeordnet sind.
  17. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste negative Wellenleiter U-förmig ist und die erste inkohärente Infrarot-Lichtquelle in Verbindung mit dem ersten negativen Wellenleiter entlang der Innenseite der Kurve des ersten negativen Wellenleiters angeordnet ist.
  18. Anordnung zum Kunststoffschweißen eines ersten Kunststoffteils eines Werkstücks an ein zweites Kunststoffteil des Werkstücks, wobei die Anordnung umfasst: eine Vielzahl von inkohärenten Infrarot-Lichtquellen, die jeweils inkohärente Infrarotlichtenergie erzeugen; und einen ersten negativen Wellenleiter mit einem Eingangs-Ende und einem Ausgangs-Ende, wobei die inkohärente Infrarotlichtenergie von der Vielzahl von inkohärenten Infrarot-Lichtquellen in den ersten negativen Wellenleiter an dem Eingangs-Ende eintritt, durch den ersten negativen Wellenleiter geht und den ersten negativen Wellenleiter an dem Ausgangs-Ende verlässt, wobei der erste negative Wellenleiter einen nicht-konischen länglichen Querschnitt aufweist, was eine nicht-kreisförmige Schweißzone ergibt.
  19. Anordnung nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von inkohärenten Infrarot-Lichtquellen benachbart zueinander ist, um eine Gruppierung zu bilden.
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