Häufig werden Rohre und Behälter im Spritzgießverfahren als Kunststoffhalbschalen hergestellt und später zu einer Einheit verschweißt. Infrarot-Wärmetechnologie hilft, die Teile zuverlässig zu verbinden, ohne dabei Partikel im Rohrinneren zu verursachen. Besonders vorteilhaft erweist sich in vielen Fällen eine Kombination aus Infrarot-Vorwärmung und Vibrationsschweißen.
Die Autorin Dr. Marie-Luise Bopp leitet die Abteilung Marketing/Werbung bei der Heraeus Noblelight GmbH in Kleinostheim
Druckrohre aus Spritzguss kommen im Kühler oder beim Turbomotor zum Einsatz, Behälter enthalten Wasser oder Bremsflüssigkeit. Gerade unter Druck müssen Fügenähte halten, und weder im Turbo noch in der Bremsflüssigkeit sollten Kunststoffpartikel aus der Produktion die spätere Funktion stören.
Infrarot-Strahlung wird kontaktfrei übertragen und erzeugt Wärme direkt im Werkstück. Damit ist sie herkömmlichen Methoden, etwa der Erwärmung durch Kontaktplatten, überlegen. Anders als beim Schweißen mit Kontaktwärme bleibt kein heißer Kunststoff an der Wärmequelle hängen. Dadurch können Kunststoffteile mit Infrarot-Wärmesystemen im Sekundentakt und jederzeit reproduzierbar verschweißt werden. Infrarot-Strahlung schmilzt in wenigen Sekunden gezielt die Oberfläche der Produkte an, die dann durch einfaches Zusammendrücken verbunden werden.
Beim Vibrationsschweißen können je nach Kunststoffart größere Partikel entstehen, die später in den Kreislauf von Kühlwasser, Servoöl oder Bremsflüssigkeit gelangen können und deren Funktion stören. Außerdem ist es unangenehm für den Fahrer, wenn Partikel durch Luftkanäle ins Autoinnere geblasen werden. Abhilfe schafft in der Praxis eine Kombination von Infrarot-Strahlern mit Vibrationsschweißverfahren. Dabei fährt ein Infrarot-Strahlermodul zwischen zwei Kunststoffteile ein und erwärmt kontaktfrei die Oberflächen der beiden Teile. Wenn die vorgegebene Temperatur erreicht ist, fährt das Infrarot-Modul heraus, und der eigentliche Schweißvorgang startet.
Versuche bei Anwendern zeigen, dass Nähte, die mit Hilfe von Infrarot-Strahlung verschweißt wurden, einem hohen Druck sehr gut standhalten.
Infrarot-Strahler werden exakt angepasst
Form, Farbe und Materialeigenschaften der Kunststoffteile bestimmen den Erfolg des Schweiß- oder Fügeprozesses:
- Kurzwellige Strahler und Carbon-Infrarot-Strahler reagieren innerhalb von Sekunden auf Steuerbefehle. So kann die richtige Intensität und Zeitdauer der Strahlung gewählt werden, um verschiedene Kunststoffe zum Schmelzen zu bringen.
- Füllmaterialien haben Einfluss auf das Schweißergebnis. Mineralische Füllstoffe in Kunststoffen machen diese flammenhemmend, durch eine Verstärkung mit Glasfasern werden Behälter druckstabil. Je höher jedoch der Anteil der Füllstoffe, desto schwieriger sind diese Kunststoffe zu verschweißen. Flammenhemmende Stoffe schmelzen schlecht und ein Glasfaseranteil von über 35 % kann den Schweißprozess nahezu unmöglich machen. Infrarot-Strahler können, anders als Kontaktplatten, nicht durch Glasfasern geschädigt werden, da die Erwärmung kontaktfrei geschieht.
- Schwarze Kunststoffe absorbieren Infrarot-Strahlung generell besser als weiße oder transparente. Versuche zeigen, dass Halbschalen aus Polyamid, die zu einem Hohlkörper zusammengefügt werden, in schwarzem Material dreimal schneller als in hellem Kunststoff die Zieltemperatur erreichen.
- Eine echte Herausforderung ist das Verschweißen von dreidimensionalen Konturen. Je komplexer die Struktur, desto schwieriger wird der gesamte Prozess. Vibrationsschweißen wird hier unter Umständen vollständig unmöglich, weil manche Konturen nicht mehr sauber schwingen können. Hier bieten Infrarot-Strahler aus Quarzglas einen Ausweg, denn es ist möglich, sie den Konturen dreidimensional nachzuformen.
- Standardisierte Flächenstrahler können für verschiedene Geometrien eingesetzt werden, wenn sie durch Abdeckmasken jeweils an das Kunststoffteil angepasst werden. So lassen sich einfach und schnell mehrere Bauteile mit einem Flächenstrahler bearbeiten. Zusätzlich minimieren die Abdeckmasken die Einstrahlung in die Anlagenperipherie.
Sorgfältig ausgesuchte Infrarot-Strahler helfen, Kunststoffteile für Autos in hoher Qualität zusammenzufügen. Da die Infrarot-Strahler nur dann angeschaltet sein müssen, wenn die Wärme wirklich benötigt wird, ist das Schweißen mit Infrarot-Wärme nicht zuletzt sehr energieeffizient.
Heraeus Noblelight, Tel.: 06181 35-8545, E-Mail: hng-infrared@heraeus.com
Verkürzte Taktzeiten für energieeffizientes Kunststoffschweißen
Infrarot-Wärme
Ein britisches Unternehmen für Drainage-Elemente aus Kunststoff untersuchte, wie man den Schweißprozess zweier sehr unterschiedlicher und überaus komplexer Rohrsysteme für Drainagezwecke beschleunigen könnte. Beide Drainagesysteme werden aus jeweils zwei Teilen zusammengesetzt. Dies wurde ursprünglich durch Kontaktplatten bewerkstelligt, ein Verfahren, das relativ langsam und schwerfällig war und einen beträchtlichen Aufwand für die Dunstabsaugung erforderte. Beim Schweißen mit Kontaktplatten werden Heizelemente, beispielsweise teflonbeschichtete Platten, aufgeheizt und direkt mit dem Kunststoffteil in Kontakt gebracht. Dadurch kann anhängendes Material verschmoren, und die Platten müssen regelmäßig gereinigt werden.
Nach ausgedehnten Versuchen installierte das britische Unternehmen schließlich eine dreistufige Infrarot-Schweiß-Station. In dieser werden zunächst zwei Kunststoffteile oben und unten eingespannt. In der nächsten Stufe wird ein Infrarot-Strahlermodul zwischen die beiden Kunststoffteile eingefahren. Kurzwellige Infrarot-Strahler erwärmen kontaktfrei die Oberfläche des unteren Teils von oben und des oben eingespannten Teils von unten, bis der Kunststoff ausreichend angeschmolzen ist. Dafür wird die Temperatur mit Hilfe von Pyrometern genau überwacht. Wenn die vorgegebene Temperatur erreicht ist, wird das Infrarot-Modul zwischen den Kunststoffteilen herausgefahren, die Enden der Teile fest aneinander gepresst und so miteinander verschweißt. Nach kurzer Abkühlzeit ist das Drainage-Element fertig für die Weiterverarbeitung.
Seit der Installation hat sich gezeigt, dass das Infrarot-Schweißsystem dem vorherigen Kontaktplattensystem weit überlegen ist. Der Prozess des Schweißens ist zweimal so schnell und das System lässt sich auch sehr viel schneller auf neue Anforderungen einstellen. Außerdem ist der Prozess jetzt wesentlich sauberer, denn es werden nahezu keine Dämpfe mehr dabei frei.
Kurzwellige Infrarot-Strahler reagieren sehr schnell, und so ist es möglich, die Strahler nur dann einzuschalten, wenn sich die Module genau zwischen den Enden der Rohre befinden. Das macht den gesamten Prozess erheblich energieeffizienter.
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