Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontakt-Schweißwerkzeug, das mindestens ein zur Kontaktierung eines Werkstücks vorgesehenes Heizelement und mindestens eine Heizquelle zum Erwärmen des Heizelements aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Ver- fahren zum Betreiben eines Kontakt-Schweißwerkzeugs, bei dem ein Heizelement des Kon- takt-Schweißwerkzeugs aufgeheizt wird und dann das Heizelement mit einem umzuformen- den Werkstück in Kontakt gebracht wird. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar zum Heißnieten, z.B. von Kunststoffnieten.

Stand der Technik

Bislang werden zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen Heizelemente verwendet, die als Frästeile aus Metall wie Aluminium, Aluminium-Bronze-Legierung, Messing, Stahl oder Edelstahl hergestellt worden sind. In diesen Frästeile werden Heizpatronen mit elektri- schen Widerstandsheizelementen montiert, deren Wärme sich durch den Kontakt auf das jeweilige Frästeil überträgt. Je nach Material, Fertigungsgenauigkeit und Werkzeuggröße kann die Erwärmung des Heizelements nachteiligerweise lange dauern. Aufheizzeiten von bis zu einer Stunde, um Temperaturen von über 300°C zu erreichen, sind keine Seltenheit.

Eine andere Möglichkeit, um z.B. Nietkalotten zu erwärmen, ist die Nutzung des elektrischen Widerstands des Heizelements. Dazu sind aber nachteiligerweise Transformatoren notwen- dig, welche eine hohe Spannung erzeugen und nahe am Kurzschluss betrieben werden. Diese Baugruppen sind aber groß und benötigen entsprechenden Bauraum in einem Schalt- schrank. Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein

Kontakt-Schweißwerkzeug bereitzustellen, das sich einerseits durch eine kurze Aufheizzeit und andererseits auch durch eine rasche Abkühlbarkeit auszeichnet. Das Kontakt- Schweißwerkzeug kann insbesondere zum Plastifizieren und Umformen von thermoplasti- schen Kunststoffen geeignet sein.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Kontakt-Schweißwerkzeug weist mindestens ein zur Kontaktierung eines Werkstücks vorgesehenes Heizelement und mindestens eine Heizquelle zum Erwär- men des Heizelements auf, wobei mindestens eine Heizquelle eine im kurzwelligen Infrarot- bereich Infrarot (IR)-Strahlung emittierende IR-Strahlungsquelle ist.

Die Nutzung kurzwelliger IR-Strahlung als Wärmequelle zur Erwärmung des Heizelements ergibt den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads, einer hohen Energiedichte und einer reakti- onsschnellen Steuerbarkeit. Speziell kann vorteilhafterweise eine Zyklus- oder Taktzeitredu- zierung durch schnellere Aufheizung und schnellere Abkühlung von Heizelementen erreicht werden, beispielsweise beim Heißkontaktnieten. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass sich eine Reduzierung eines Energieverbrauchs durch Massenreduzierung und Verbesserung des Wirkungsgrades von Heizelementen erreichen lässt. Auch ist nun vorteilhafterweise eine Erweiterung der Eignung des Heißkontaktnietens für teilkristalline Werkstoffe (z.B. teilkristal- line Hochleistungspolymere wie Polyamide usw.) aufgrund der schnelleren Temperaturrege- lung möglich. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil einer Reduzierung eines benötigten Bauraums von Werkzeugen.

Die IR-Strahlungsquelle oder IR-Strahler ist insbesondere dazu eingerichtet (d.h., ausgebil- det und angeordnet), um das Heizelement auf eine zum Fügen eines Werkstücks ausrei- chende Betriebstemperatur zu erwärmen. Das Heizelement weist mindestens eine Kontakt- stelle auf, die dazu vorgesehen ist, in Kontakt mit einem durch Wärmeeinwirkung umzufor- menden Bereich eines Werkstücks gebracht zu werden.

Das Heizelement kann als formgebender Körper ausgebildet werden. Es kann auch als Um- formwerkzeug bezeichnet werden.

Das Kontakt-Schweißwerkzeug kann also ein oder mehrere Heizelemente aufweist. Jedem Heizelement kann jeweils mindestens eine IR-Strahlungsquelle zugeordnet sein.

Es ist eine Weiterbildung, dass das Heizelement mittels der zugeordneten mindestens einen Heizquelle auf eine Betriebstemperatur von 150°C oder mehr, insbesondere von 200°C oder mehr, insbesondere von 250°C oder mehr, insbesondere von 300°C oder mehr, aufheizbar ist.

Zur Kontaktierung des Heizelements mit einem Werkstück kann das Heizelement an das Werkstück heranbewegt und daran aufgedrückt werden, oder umgekehrt. Dies kann manuell oder automatisch geschehen. Das Werkstück kann dabei bei Bedarf zugleich umgeformt werden, beispielsweise um eine kraftschlüssige Verbindung zweier Werkstücke zu erzeugen, wie dies z.B. vom Nieten von Thermoplasten bekannt ist. Beispielsweise können zwei oder mehr mittels des Kontakt-Schweißwerkzeugs angeschmolzene thermoplastische Werkstücke durch einen an die Erwärmung folgenden Pressenhub miteinander gefügt werden, so wie es vom z.B. vom Heißelementschweißen bekannt ist.

Es ist eine Weiterbildung, dass die Heizquelle eine IR-Strahlungsquelle ist, die kurzwellige Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,78 pm und 3,0 pm emittiert. Die- ser Wellenlängenbereich wird auch als NIR-Bereich bezeichnet, so dass die IR-Heizquelle auch als NIR-Strahlungsquelle oder NIR-Strahler bezeichnet werden kann.

Es ist eine Weiterbildung, dass die IR-Strahlungsquelle überwiegend in im NIR- Wellenlängenbereich (z.B. mit einem Leistungsanteil von 50% oder mehr, insbesondere 70% oder mehr, insbesondere 80% oder mehr), speziell nur im NIR-Wellenlängenbereich, IR- Nutzstrahlung emittiert. Es ist eine Ausgestaltung, dass die Heizquelle eine IR-A-Heizquelle ist, also eine IR- Strahlungsquelle Infrarotstrahlung im IR-A-Wellenlängenbereich zwischen 0,78 qm und 1 ,4 qm emittiert. Die Nutzung des IR-A-Bereichs zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad, eine besonders hohe Energiedichte und eine besonders reaktionsschnelle Steuerbarkeit aus.

Es ist eine Weiterbildung, dass die IR-Strahlungsquelle überwiegend im IR-A- Wellenlängenbereich (z.B. mit einem Leistungsanteil von 50% oder mehr, insbesondere 70% oder mehr, insbesondere 80% oder mehr), speziell nur im IR-A-Wellenlängenbereich, IR- Nutzstrahlung emittiert.

Die IR-Strahlungsquelle kann eine punktförmig oder flächig IR-Strahlung abstrahlende Heiz- quelle sein.

Das mittels der IR-Strahlungsquelle heizbare Heizelement kann als Drehteil, Frästeil, Sinter- teil, Pressteil oder mittels anderer formgebender Verfahren hergestellt worden sein.

Das Heizelement kann aus Metall oder aus einem anderen gut wärmeleitenden und ther- misch widerstandfähigen Material wie Keramik usw. bestehen. Als Metalle können beispiels- weise Aluminium, Messing oder Stahl verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist der Ein- satz von V2A-Stahl.

Es ist eine Ausgestaltung, dass das Heizelement einen dünnwandigen Bereich (im Folgen- den ohne Beschränkung der Allgemeinheit als "Umformbereich" oder Boden bezeichnet) aufweist, der vorderseitig mindestens eine Kontaktfläche zur Kontaktierung des Werkstücks aufweist und der rückseitig mittels der IR-Strahlungsquelle mit IR-Strahlung bestrahlbar ist.

Es ist eine Weiterbildung, dass der Umformbereich ein Metallblech aufweist, insbesondere als Basis für mindestens einen Kontaktvorsprung. Eine Wandstärke des Metallblechs liegt vorteilhafterweise im Bereich [0,5 mm; 3 mm], insbesondere im Bereich [0,75 mm; 2 mm]. Dies ermöglicht eine ausreichend hohe Stabilität, während eine Wärmekapazität und damit eine Trägheit bei Aufheizen und Abkühlen gering gehalten wird. Es ist eine Ausgestaltung, dass das Kontakt-Scbweißwerkzeug mindestens eine Kühleinrich- tung zum Kühlen des Heizelements aufweist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Heizelement aktiv kühlbar ist und folglich besonders schnell kühlbar ist. Dies ermöglicht ganz besonders schnelle Takt- oder Zykluszeiten beim Einsatz des Kontakt-Schweißwerkzeug.

Es ist eine Weiterbildung, dass die Kühleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Heizelement mit Kühlmedium zu beaufschlagen. Das Kühlmedium kann gasförmiges und/oder flüssiges Kühlmedium sein, z.B. Druckluft, Trockeneis, gekühlter Stickstoff usw.

Alternativ oder zusätzlich kann die Kühleinrichtung mindestens ein Peltier-Element usw. auf- weisen, das insbesondere mit dem Heizelement thermisch verbunden ist.

Es ist eine Ausgestaltung, dass zwischen dem IR-Heizstrahler bzw. dessen IR- Emissionsfläche des IR-Heizstrahlers und dem Heizelement ein mit Kühlmedium beauf- schlagbarer Zwischenraum vorhanden ist. Dadurch lässt sich das Heizelement mit kosten- günstigen Mitteln besonders schnell abgekühlt werden. Eine besonders schnelle Abkühlung lässt sich speziell dadurch erreichen, dass das Heizelement eine Wandung des Zwischen- raums darstellt. Insbesondere kann eine den Kontaktbereichen abgewandte Rückseite des Heizelements eine Wand des Zwischenraums darstellen.

Es ist eine Weiterbildung, dass der IR-Heizstrahler gegen den Zwischenraum thermisch iso- liert ist, z.B. mittels eines IR-durchlässigen Fensters. So wird vorteilhafterweise eine thermi- sche Beanspruchung des IR-Heizstrahlers verringert, insbesondere gegenüber zyklischen thermischen Wechselbelastungen.

Es ist eine Weiterbildung, dass der Kühlraum als ein Durchlaufraum mit mindestens einer Eintrittsöffnung für das Kühlmedium und mindestens einer Austrittsöffnung für das Kühlme- dium ausgebildet ist. Der Durchlaufraum kann ansonsten abgedichtet sein.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kontakt-

Schweißwerkzeugs, bei dem

- ein Heizelement des Kontakt-Schweißwerkzeugs mittels kurzwelliger Infrarotstrah- lung aufgeheizt wird und dann - das Heizelement mit einem umzuformenden Werkstück in Kontakt gebracht wird.

Das Verfahren kann analog zu dem Kontakt-Schweißwerkzeug ausgebildet werden und ergibt die gleichen Vorteile.

So kann das Heizelement beispielsweise mittels NIR-Strahlung, speziell IR-A-Strahlung auf- geheizt werden.

Es ist eine Weiterbildung, dass das Heizelement, dann, wenn es mit dem umzuformenden Werkstück in Kontakt gebracht wird, es an das Werkstück angedrückt wird. Dadurch kann das Heizelement auch als Umformwerkzeug verwendet werden.

Es ist eine Weiterbildung, dass das Werkstück zumindest an seinem vorgesehenen Kontakt- bereich mit dem Kontakt-Schweißwerkzeug aus Kunststoff besteht, insbesondere aus ther- moplastischem, ggf. teilkristallinem, Kunststoff.

Es ist eine Ausgestaltung, dass das Heizelement, während es noch in Kontakt mit dem dann umgeformten Werkstück steht, mittels eines Kühlmediums zumindest bis auf eine Entform- temperatur abgekühlt wird. Es kann dann von dem Werkstück gelöst werden. Das Heizele- ment wird während seiner Kühlung nicht mehr mit IR-Strahlung bestrahlt.

Es ist eine Ausgestaltung, dass zum Kühlen des Heizelements das Kühlmedium durch einen Zwischenraum zwischen dem Heizelement und einer IR-Strahlungsquelle oder IR-Strahler geleitet wird. Insbesondere entspricht eine Wandung des Zwischenraums einer Wand des Heizelements.

Das Kühlmedium (z.B. Druckluft) kann beispielsweise druckbeaufschlagt (z.B. unter einem Druck von ca. 6 bar) über eine Rohrleitung ("Kühlrohr") in den Zwischenraum eingeleitet werden. Kurze Figurenbeschreibung

Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt als Schnittdarstellung in Schnittansicht eine Skizze eines Kontakt-

Schweißwerkzeugs 1 in Form eines Heißnietwerkzeugs im Bereich seines Heizelements 2. Das Heizelement 2 weist einen Kontaktbereich (im Folgenden als "Boden" 3 bezeichnet) zum Kontaktieren eines Werkstücks (o. Abb.) auf.

Der Boden 3 weist hier als Basis 3a eine dünne Wand der Dicke oder Wandstärke d auf, an der vorderseitig mindestens ein passend geformter Kontaktvorsprung 4 vorsteht. Diese An- ordnung kann auch ais Nietkalottenboden bezeichnet werden. Das Werkstück kann nur mit dem Kontaktvorsprung 4, zusätzlich an weiteren Bereichen der Vorderseite des Bodens 3, insbesondere mit der gesamten Vorderseite des Bodens 3, kontaktiert werden.

Zumindest der Boden 3 besteht hier aus Metall (alternativ z.B. aus Keramik), beispielswei- seweise aus Messing, Aluminium oder Stahl, insbesondere Edelstahl. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von V2A-Stahl, da V2A-Stahl sowohl eine schnelle Aufheizkurve und kurze Abkühlzeit ais auch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Be- schädigung, z.B. durch eine Glasfaserfüllung im Kunststoff des Werkstücks, und zudem eine gute chemische Widerstandsfähigkeit aufweist.

Eine Wandstärke d der Basis 3a kann beispielsweise im Bereich d = [0,5 mm; 3 mm] liegen, insbesondere im Bereich d = [0,75 mm; 2 mm]. Die Basis 3a kann insbesondere als Blech ausgebildet sein oder aus einem Blechteil geformt sein.

Zur Umformung des Werkstücks (beispielsweise zum Heißverschweißen oder Heißverstem- men) kann das Heizelement 2 gegen das Werkstück verfahren werden (oder umgekehrt) und an das Werkstück angedrückt werden, wie durch den Pfeil F angedeutet. Das Werkstück kann dadurch umgeformt werden. Das Werkstück kann aus thermoplastischem, ggf. teilkris- tallinem, Kunststoff bestehen und z.B. ein Niet oder Nietkopf sein. Eine dem Kontaktvorsprung 4 abgewandte Rückseite des Bodens 3 bzw. der Basis 3a dient als Wandung oder Begrenzung eines Zwischenraums 5 zwischen dem Boden 3 und einem davon beabstandet angeordneten IR-A-Strahler 6. Der IR-A-Strahler 6 ist dazu eingerichtet, die Rückseite des Bodens 3 mit kurzweiliger iR-Strahiung IR zu bestrahlen, um den Boden 3 einschließlich seiner Vorderseite und des Kontaktvorsprungs 4 zu erwärmen, z.B. auf eine Betriebstemperatur von mehr als 250°C, z.B. auf 280°C. Da die Basis 3a als eine dünne Wand ausgebildet ist, ist seine Wärmekapazität gering, so dass die Erwärmung oder Aufhei- zung des Bodens 3 auf die gewünschte Betriebstemperatur durch Absorption der IR- Strahlung IR sehr schnell erreichbar ist.

Auch die Abkühlung des Bodens 3 auf oder unter eine gewünschte Entformtemperatur (z.B. von 100°C) kann besonders schnell erreicht werden, und zwar indem nach Ausschalten oder Deaktivieren des IR-A-Strahlers 6 der Zwischenraum 5 mit Druckluft DL durchspült wird. Der Zwischenraum 5 dient somit als Durchlaufraum. Die Druckluft DL kann z.B. über ein Kühlrohr 7 in den Zwischenraum 5 eingeleitet werden, beispielsweise mit einem Druck zwischen 4 bar und 8 bar, z.B. mit ca. 6 bar. Der Durchmesser des Kühlrohrs 7 kann beispielsweise zwi- schen 2 mm und 4 mm liegen, z.B. bei 3 mm.

Zur Entlüftung des Zwischenraums 5 ist mindestens eine Austrittsöffnung in Form einer Ent- lüftungsbohrung 8 vorgesehen.

Das Kontakt-Schweißwerkzeug 1 ermöglicht besonders kurze Zyklenzeiten oder Taktzeiten zum Erwärmen des Bodens 3 von der Entformtemperatur auf die Betriebstemperatur und zurück. Beispielsweise lassen sich so unter Nutzung einer Basis 3a aus V2A-Stahlblech mit einer Dicke oder Wandstärke von d = 2 mm Aufheizzeiten von einer Entformtemperatur von 100°C auf eine Betriebstemperatur von 280°C im Bereich von 20 s und Abkühlzeiten zurück auf die Entformtemperatur im Bereich von 10 s erreichen.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Be- zugszeichen versehen. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Kontakt-Schweißwerkzeug

2 Heizelement

3 Boden

3a Basis des Bodens

4 Kontaktvorsprung

5 Zwischenraum

8 IR-A-Strahler

7 Kühlrohr

8 Entlüftungsbohrung d Wandstärke

DL Druckluft

F Pfeil

IR IR-Strahlung