Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeimpulsschweißen von zwei zusammenzufügenden Bauteilen aus Kunststoff, wobei ein Träger vorgesehen ist, auf dem die Bauteile aufliegen und wobei weiterhin zumindest ein dem Fügebereich der Bauteile zugeordnetes Heizelement vorgesehen ist, welches den Fügebereich zum Zusammenfügen der Bauteile mit Wärme beaufschlagt, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Solche Vorrichtungen und entsprechende Verfahren zum Wärmeimpulsschweißen sind grundsätzlich bekannt. Dabei werden zwei Bauteile, zum Beispiel zwei Kunststofffolien, zusammengebracht und der Fügebereich mittels zumindest eines Heizeiementes derart mit Wärme beaufschlagt, dass die beiden einander zugeordneten Fügebereiche der Bauteile aufschmelzen und nach Wegnahme des Wärmeeintrages erstarren, sodass sie unlösbar miteinander verbunden sind. Der Wärmeeintrag durch das zumindest eine Heizelement ist dabei so gewählt, dass das Zusammenfügen erzielt wird, ohne dass der Fügebereich wegbrennt, wegschmilzt oder dergleichen.

Der bekannte Stand der Technik ist zum Beispiel in den Figuren 2 bis 4 erläutert.

In den beiden Darstellungen der Figur 2 ist mit 1 eine Vorrichtung zum Wärmeimpulsschweißen bezeichnet, bei der zwei Bauteile 2 aus Kunststoff (hier Folien) zusammengefügt werden. Diese Bauteile 2 liegen auf einem Träger 3 auf und werden von einem Heizband 4 in ihrem Fügebereich mit Wärme beaufschlagt. Als Antihaft-Beschichtung ist eine Isolierfolie 5 (zum Beispiel eine PTFE-Folie) über das montierte Heizband 4 geklebt. Zwecks elektrischer Isolierung ist noch eine Folie in Form einer elektrischen Isolierung 6 vorhanden.

Bei der Vorrichtung 1 in der linken Darstellung der Figur 2 sind zwei Heizbänder 4 vorhanden, zwischen denen die beiden Bauteile 2 angeordnet sind. Bei der rechten Darstellung der Figur 2 ist lediglich ein Heizband 4 vorhanden, wobei unterhalb des Heizbandes 4 und unterhalb des zugeordneten Fügebereiches der beiden Bauteile 2 eine elastische Basis 7 vorhanden ist.

Die Vorrichtung 1 , die in Figur 2 dargestellt ist, und das zugehörige Verfahren, funktioniert bei flachen Bauteilkonturen, wie zum Beispiel bei Folien, recht gut. Bei dünnen Folien beeinflussen allerdings schon kleinste Unebenheiten im Heizband die Ausprägung des Fügebereiches, also der Schweißnaht. Es entstehen Unregelmäßigkeiten oder Luftblasen wegen des ungleichmäßigen Anpressdruckes. Bei dreidimensionalen Konturen der Bauteile (beispielsweise Höhensprünge) kann es aufgrund des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens von Heizband und Klebeband, mit dem das Heizband zum Beispiel aus einer geeigneten Stahllegierung auf eine Tragstruktur, insbesondere den Träger 3, mithilfe von doppelseitigem Klebeband montiert ist, und dem Klebeband zu einem Ablösen des Heizbandes von dem Träger kommen. Da die Wärme des Heizbandes nicht mehr wie in den benachbarten Bereichen homogen in den Träger abgeführt werden kann, kommt es an solchen Stellen zu einer Überhitzung (auch Hot-Spot genannt).

Die Folgen sind:

- Fehler in der Temperaturmessung. Die Heizbandtemperatur wird beispielsweise über den elektrischen Widerstand integral gemessen. Der Widerstand basiert auf der Temperatur des Materials, insbesondere des Stahles, des Heizbandes. Ist dieser lokal höher, sinkt der Widerstand auch lokal ab und das Ergebnis der integralen Messung (analog zu einer Reihenschaltung von Einzelwiderständen) wird verfälscht. Die Prozesstemperatur wird dann in nachteiliger Weise als zu niedrig angenommen und von Mitteln zur Temperaturregelung weiter erhöht. Dadurch kann es in nachteiliger Weise zu der Überhitzung, im schlimmsten Fall zu einem Wegschmelzen oder Abbrennen der Bauteile im Fügebereich, kommen.

- Durch die lokal erhöhten Temperaturen und die mangelnde Wärmeabfuhr kann es ebenfalls in einer nachteiligen Weise zu einer Schädigung der Isolierung, insbesondere der PTFE-Abdeckung oder des doppelseitigen Montageklebebandes kommen. Nach dieser Schädigung ist die Prozesssicherheit für nachfolgende Schweißungen nicht mehr gewährleistet.

In Figur 3 ist als Stand der Technik dargestellt, dass das Hetzband in einer Ersatzschaltung als eine Reihenschaltung von Widerständen angesehen werden kann. An einzelnen Stellen, an denen ein Normaldruck 8 herrscht, liegen die Widerstände R1 bis R3 sowie R5 bis R7 vor. Würde über den gesamten Verlauf des Heizbandes der Normaldruck 8 im Fügebereich der Bauteile 2 anliegen, wäre auch der mittlere Widerstand (hier R4, mittel nur als Beispiel angenommen) genauso groß wie die übrigen Widerstände, die sich rechts und links davon befinden. Da aber in diesem Bereich ein Fehldruck 9 herrscht, ist der Widerstand R4 deutlich größer bzw. kleiner Qe nach Druck) als die übngen Widerstände, sodass die Summe der Einzelwiderstände über die axiale Ausdehnung des Heizbandes verfälscht wird. Dadurch kommt es im Bereich des Fehldruckes zu einer Überhitzung 10, weil ein Temperaturregler 1 1 in Folge des Fehldruckes 9 die Prozesstemperatur als zu niedrig annimmt und sie so lange weiter erhöht, bis es im Bereich des Fehldruckes 9 zu einer Überhitzung kommt. Analoges gilt für die Situation, die in Figur 4 dargestellt ist. In einem Fügebereich 2 liegen in Folge eines Höhensprunges die beiden Bauteile 2, die zusammengefügt werden sollen, flächig aufeinander, sodass das Wärmeimpulsschweißen homogen und ohne Fehlstellen durchgeführt werden kann. Beispielsweise davor und/oder dahinter bildet sich ein Spalt 13, der zu einem Fehlfügebereich 14 führt. Da auch hier ein Fehldruck, insbesondere kein Anlagedruck der beiden Bauteile 2 zueinander, vorliegt, kommt es zu der schon geschilderten Überhitzung, sodass dadurch die Fügestelle nicht homogen wird. Diese Nicht-Homogenität bedeutet, dass die beiden Bauteile 2 in diesem Bereich entweder gar nicht oder nicht ausreichend miteinander verbunden werden. Es kann aber auch dazu führen, dass die beiden Bauteile aufgrund ihrer Überhitzung wegbrennen oder wegschmelzen, sodass auch dadurch keine Verbindung, wie sie eigentlich gewollt ist, zustande kommt.

Das heißt zusammenfassend, dass falsches Design der Bauteile, mangelnde Ausgleichsfähigkeit der beteiligten Werkzeugelemente und dergleichen zu Lücken zwischen den beiden zusammenzufügenden Bauteilen führt und es damit zu einer inhomogenen Wärmeabgabe durch das Heizelement an die Fügebereiche der beteiligten Bauteile kommt. Dadurch wird in nachteiliger Weise das Zusammenfügen der beiden Bauteile verhindert oder die Strukturfestigkeit des Fügebereiches ist mangelhaft, sodass im späteren Betrieb der beiden Bauteile Nachteile auftreten können, wenn diese entweder nicht richtig miteinander verbunden sind oder sich im Betrieb voneinander lösen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der nach dem Zusammenfügen der Bauteile ein homogener Fügebereich über seinen gesamten Verlauf sichergestellt ist. Diese Aufgabe ist die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Träger zumindest in dem Fügebereich der Bauteile ein mit einem einem Innendruck beaufschlagbares flexibles Druckelement zugeordnet ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein Heizsystemaufbau erzielt, der Unebenheiten sowohl der gesamten Vorrichtung zum Wärmeimpuisschweißen als auch der beteiligten Bauteile durch einen automatischen Druckausgleich über die Erstreckung des Fügebereiches kompensiert. Ebenso werden in vorteilhafter Weise lokale Fehlsteilen im Fügebereich infolge von zu hohen oder zu niedrigen Anpressdrücken, die gemäß dem Stand der Technik lokal auftreten können, kompensiert, sodass nach dem Zusammenfügen der Bauteile in ihrem Fügebereich dieser weitestgehend homogen ist. Es kann daher nicht mehr zu einzelnen lokalen Fehldrücken kommen, wie es weiter oben zu Figur 3 beschrieben worden ist. Das Druckelement ist also dazu geeignet und ausgebildet, ein Medium (kompressibel oder inkompressibel) aufzunehmen, für dieses Medium einen vorgebbaren Druck zu halten und damit aufgrund seiner Nachgiebigkeit (Elastizität, Flexibilität, die durch die Materiaiwahl für das Druckelement eingestellt werden kann) lokale Druckunterschiede auf den Fügebereich auszugleichen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Druckelement als ein mit dem Medium gefüllter Schlauch ausgebildet. Ein solcher Schlauch hat den Vorteil, dass damit ein länglich verlaufender Fügebereich realisiert werden kann, um entsprechend gestaltete Bauteile miteinander verbinden zu können. Dabei folgt der Verlauf des Schlauches in vorteilhafter Weise dem Verlauf des Heizelementes, sodass sich dadurch beispielsweise Schweißnähte in länglicher und schmaler Form realisieren lassen. Der Schlauch kann in seinem Querschnitt rund oder rechteckig sein oder beispielsweise einem D-Profil entsprechen. Dies ist jedoch nur beispielhaft, denn es kommen wesentlich mehr Profile (Querschnitte) in Frage, wenn man entsprechende Extrusionsformen für die Herstellung des Schlauches hat. Das D-Profil ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mit dem abgerundeten Bereich dieses Profils der Schlauch in oder an dem Träger befestigt ist und der plane Bereich des Schlauches dem Fügebereich der Bauteile einander zugewandt ist.

Alternativ dazu ist es in vorteilhafter Weise und in Weiterbildung der Erfindung denkbar, dass das Druckelement als ein mit dem Medium gefüllter und mit einer Membran abgedeckter Raum in dem Träger ausgebildet ist. In diesem Fall wird das Druckelement von dem Träger und der Membran als Abdeckung gebildet. In dem vorher beschriebenen Fall des Schlauches sind Druckelement und Träger voneinander separate Bauteile.

Alternativ dazu ist es in vorteilhafter Weise und in Weiterbildung der Erfindung denkbar, dass das Druckelement zumindest ein flächiges mit einem Medium gefülltes Kissen ist. Dieses Kissen ist einfach oder mehrfach an und/oder in dem Träger vorhanden und mit dem druckausgleichenden Medium gefüllt. Sind zwei oder mehr Kissen vorhanden, können die darin befindlichen Medien in sich abgeschlossen sein oder auch untereinander zwecks Druckausgleichs verbunden sein. Das oder die Kissen werden durch den Träger, insbesondere im Bereich ihrer Auflagefläche bzw. ihren Seitenbereichen, gestützt. Darüber hinaus ist es denkbar, dass weitere Stützen, zum Beispiel in Form von Trennwänden innerhalb des Trägers, vorhanden sind. Mehrere Kissen können aber auch direkt zueinander in dem Träger angeordnet sein und sich gegenseitig stützen. Wichtig ist, dass ein Teil des Kissens oder der Kissen, insbesondere deren eine Oberfläche, in Richtung des Fügebereiches frei ist und an diesem zur Anlage zwecks Druckausgleichs vor, während bzw. nach dem Energieeintrag kommen kann. Zumindest ein flächiges Druckkissen hat bei engen Kurvenradien Vorteile, wo der Biegeradius eines Schlauchs an seine Grenzen stößt. Damit stehen verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung des Druckelementes zur Verfügung, wodurch eine sehr gute Anpassbarkeit an die Geometrien, insbesondere die Konturen, des Fügebereiches der beteiligten Bauteile möglich ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Druckelement vollständig auf oder vollständig in dem Träger angeordnet. Daneben ist es denkbar, dass das Druckelement zumindest teilweise über dem Träger in Richtung des Fügebereiches übersteht. Dadurch sind verschiedene Ausgestaltungen des Trägers und des Druckelementes möglich, sodass auch hier wieder eine sehr gute Anpassbarkeit des Heizsystemes an die Kontur des Fügebereiches bei gleichzeitig vorteilhaftem Druckausgleich zur Vermeidung von Fehldruckstellen gegeben ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist das druckausgleichende Medium ein Wasser, ein Öl oder ein Gas. Diese kompressibien oder auch inkompressiblen Medien haben den Vorteil, dass sie sich innerhalb des Druckelementes homogen verteilen, gleichzeitig aber auch lokale Fehldruckstellen, insbesondere auch im Zusammenspiel mit dem Material des Druckelementes, ausgleichen.

In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, mit denen der Druck des druckausgleichenden Mediums in dem Druckelement regelbar ist. Dadurch kann die Druckbeaufschlagung des Fügebereiches durch das Druckelement in Abhängigkeit der beteiligten zusammenzufügenden Bauteile gewählt werden, sodass auch unterschiedlich gestaltete, beispielsweise unterschiedlich dicke Bauteile miteinander zusammengefügt werden können, in dem der Innendruck in dem Druckelement geregelt wird. Alternativ kann es ausreichend sein, das Druckelement einmal mit einem Medium zu füllen und anschließend zu verschließen, um für nachfolgende Schweißvorgänge immer den gleichen Druck auf die Fügebereiche ausüben zu lassen. In einem solchen Falle ist jedoch zu Zwecken der Prozesssicherheit daran zu denken, nach Ausführung einer bestimmten Anzahl von Schweißvorgängen den Innendruck zu überprüfen. Alternativ oder in Ergänzung zu der Druckregelung ist es in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Temperatur des druckausgleichenden Mediums in dem Druckelement regelbar ist. Das heißt, dass beispielsweise das Wasser oder allgemein das Medium temperiert werden kann, um die Wärmeabfuhr und/oder den Wärmehaushalt des Systems, insbesondere des Druckelementes, zu optimieren.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement als Heizband ausgebildet. Mit einem solchen länglichen und schmalen ausgebildeten Heizelement können in vorteilhafter Weise längliche und schmale Schweißnähte realisiert werden. Diese Realisierung ist dann von besonderem Vorteil, wenn das Heizelement als Heizband und das Druckelement als Schlauch ausgebildet sind.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement, insbesondere das Heizband, mit einem Kleber, insbesondere einem Klebeband, einem Hochtemperaturklebstoff oder gleichwirkenden Klebstoffen, auf dem Druckelement befestigt. Dadurch lässt sich ein besonders vorteilhafter einfacher Aufbau der gesamten Vorrichtung erzielen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement, insbesondere das Heizband, in Richtung des Fügebereiches mit einer Folie und/oder mit einer Beschichtung versehen. Damit wird wirksam vermieden, dass der Fügebereich des zugeordneten Bauteiles an dem Heizelement, insbesondere an dem Heizband, anhaftet. Zu diesem Zweck sind in vorteilhafter Weise die Folie und/oder die Beschichtung aus einem solchen Material gewählt, welches in Bezug auf das Material der zusammenzufügenden Bauteile Antihaft-Eigenschaften aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in verschiedenen Varianten in Figur 1 dargestellt. Bezug nehmend auf die Figur 2, die allgemein eine bekannte Vorrichtung 1 zum Wärmeimpulsschweißen zeigt, ist in Figur 1A ein Träger 20 vorgesehen, wobei ein Heizelement, hier ein Heizband 21 , vorhanden ist, welches mittels eines Klebers, vorzugsweise eines Klebebandes oder einer Klebstoffschicht 22, auf einem Druckelement, hier ein flexibler Schlauch 23, angeordnet und festgelegt ist. Der flexible Schlauch 23 seinerseits ist mit einem Medium 25 gefüllt, insbesondere ein Wasser, ein Öl oder ein Gas. Nicht dargestellt sind Mittel, mit denen der Innendruck des Mediums 25 in dem flexiblen Schlauch 23 und/oder die Temperatur des Mediums 25 eingestellt, insbesondere geregelt werden kann. Die Ausgestaltung der Vorrichtung 1 zum Wärmeimpulsschweißen gemäß Figur 1A ist derart, dass das Druckelement, hier der flexible Schlauch 23, so vollständig in dem Träger angeordnet ist, dass nur noch ein oberer Zenit-Bereich des flexiblen Schlauches 23 aus dem Träger 20 herausragt, sodass es möglich ist, dort das Heizband 21 über das Klebeband 22 anzuordnen und zu befestigen.

Alternativ dazu ist die gleiche Ausgestaltung in Figur 1 B gezeigt, jedoch mit dem Unterschied, dass das Druckelement, hier wieder der flexible Schlauch 23, vollständig auf dem Träger 20 angeordnet ist.

Ebenfalls analog dazu zeigt die Figur 1 C die gleiche Ausgestaltung wie die vorangegangenen Figuren 1A und 1B, jedoch mit dem Unterschied, dass das Druckelement, auch hier wieder der flexible Schlauch 23, zumindest teilweise (vorzugsweise etwa hälftig) innerhalb des Trägers 20 und mit dem anderen Teil, vorzugsweise mit der anderen Hälfte, über den Träger 20 hinausragt.

Im Unterschied zu den vorangegangen Figuren 1A bis 1C zeigt die Figur 1D ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Druckelement als ein mit dem Medium 25 gefüllter und mit einer Membran 24 abgedeckter Raum in dem Träger 20 ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Heizband (allgemein das Heizelement) über das Klebeband 22 auf der Membran 24 aufgebracht. Auch dadurch wird in vorteilhafter Weise ein Druckausgleich über die gesamte Erstreckung des Fügebereiches der beiden zusammenzufügenden Bauteile, die in der Figur 1 der Einfachheit haiber nicht dargestellt sind, erzielt. Ebenfalls ist in den einzelnen Figuren der Figur 1 nicht dargestellt, dass Mittel vorhanden sein können, um die Temperatur und/oder den Druck des Mediums 25 zu regeln.

In vorteilhafter Weise wird also eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wärmeimpulsschweißen zur Verfügung gestellt, bei dem der Fügebereich der beiden zusammenzufügenden Bauteile über seine gesamte Erstreckung, die beliebige Form aufweisen kann, homogen ist, ohne dass Fehlstellen vorhanden sind. Sollen trotzdem Fehlstellen vorhanden sein, sind diese infolge des erfindungsgemäßen Druckelementes vernachlässigbar.

Die Vorrichtung 1 , wie sie in Figur 2 dargestellt ist, kann also durch die Heiz- und Druckausgleichsysteme, wie sie in den Figuren 1A bis 1 D gezeigt sind, verbessert werden. Dabei ist es denkbar, dass die Heiz- und Druckausgleichssysteme, wie sie in den Figuren 1A bis 1 D dargestellt sind, entweder nur einseitig im Fügebereich der beiden zusammenzufügenden Bauteile und einem entsprechenden Gegenhalter vorhanden sind oder aber jeweils zweimal, d.h. also beidseitig des Fügebereiches, vorhanden sind.

Bezüglich des Heizelementes, insbesondere des Heizbandes, ist noch Folgendes auszuführen: Dieses Heizelement, insbesondere das Heizband, kann in verschiedenen Ausführungen hergestellt werden, ohne dass dies eine Einschränkung bedeutet. Zum einen aus einer speziellen Metalllegierung für das Wärmemetallimpulsschweißen. Es wird dann mit einem doppelseitigen Klebeband auf den Träger (Trägerprofil, Trägerstruktur oder dergleichen) montiert. Es kann auch in Form einer mit elektrisch leitfähigen Carbon-Nanotubes funktionell gefüllten Schicht hergestellt werden. Es kann auch aus einem Metall oder einem Kohlenstofffasergewebe bestehen. Es wird dann mit einem geeigneten Montagehilfsmittel (z.B. doppelseitiges Klebeband oder Klebstoff) ebenfalls auf das Trägerprofil montiert. Es kann auch aus einer elektrisch leitfähigen, keramischen Dickschichtbeschichtung (Dickschichtwiderstand) bestehen. Solche Dickschichtleiterbahnen als Heizung sind zum Beispiel aus der DE 43 33 852 A1 bekannt.

In Figur 5 schließlich ist noch gezeigt, dass das Druckelement ein flächiges mit einem Medium 25 gefülltes Kissen ist. Dieses Kissen ist einfach oder (wie in Figur 5 gezeigt) zwei- oder mehrfach an und/oder in dem Träger 20 vorhanden und mit dem druckausgleichenden Medium 25 gefüllt. Sind zwei oder mehr Kissen vorhanden, können die darin befindlichen Medien in sich abgeschlossen sein oder auch untereinander zwecks Druckausgleichs verbunden sein. Das oder die Kissen werden durch den Träger 20, insbesondere im Bereich ihrer Auflagefläche bzw. ihren Seitenbereichen, gestützt. Darüber hinaus ist es denkbar, dass weitere Stützen, zum Beispiel in Form von Trennwänden 27 innerhalb des Trägers 20, vorhanden sind. Mehrere Kissen können aber auch direkt zueinander in dem Träger 20 angeordnet sein und sich gegenseitig stützen. Wichtig ist, dass ein Teil des Kissens oder der Kissen, insbesondere deren eine Oberfläche, in Richtung des Fügebereiches frei ist und an diesem zur Anlage zwecks Druckausgleichs vor, während bzw. nach dem Energieeintrag kommen kann. Die nicht für den Fügebereich zugänglichen Bereiche können durch eine in der gleichen Ebene wie der Fügebereich vorgesehene Abdeckung, insbesondere ein ein- oder mehrteiliges Abdeckblech 26, zwecks Stabilisierung abgedeckt sein. Dabei reicht die Abdeckung in vorteilhafter Weise bis nahe oder sehr nahe an den Fügebereich heran, ohne dass es den Fügevorgang und die beteiligten Elemente dabei stört. Die Abdeckung ist zur Vermeidung von Auftauchen oder Aufbauchen des Kissens während des Druckausgleiches vorgesehen. Das Kissen kann zum Beispiel über Stehbolzen zum Träger 20 hin montiert und in seiner Lage zu diesem festgelegt werden.

Eine Möglichkeit zur Konturgebung, damit ein Aufbauchen des Kissens in der Mitte vermieden wird, sind Innenstege, eine abdeckende Blechmaske mit Aussparungen oder das Einbringen von Stehbolzen (entsprechend Durchbrüchen im Kissen), welche die abgedeckte Kontur am tragenden Unterbau halten.

Bezugszeichenliste:

1. Vorrichtung zum Wärmeimpulsschweißen

2. Bauteile

3. Träger

4. Heizband

5. Isolierfolie

6. Elektrische Isolierung

7. Elastische Basis

8. Normaldruck

9. Fehldruck

10. Überhitzung

11. Temperaturregler

12. Fügebereich

13. Spalt

14. Fehlfügebereich

20 Träger

21 Heizband

22 Kleber

23 flexibler Schlauch

24 Membran

25 Medium

26 Abdeckblech

27 Trennwand