3R Im Zeichen der Kanäle (Vorschau)

Im Fokus
KunststoffschweiSStechnik
Durch Anpassung und Optimierung der Verfahrensparameter
wurde eine geringere Verreckung des Schmelzebandes
erreicht, was zu einem optimierten Spannungsverteilungszustand
in der Muffe führte und die geometrischen
Eigenschaften verbesserte.
Bild 4: Temperaturverlauf in der Schweißnaht (T1 und T4 axial außenliegende,
T2 und T3 axial mittig liegende Heizwendel) während und nach
der Schweißung
Muffe
Muffe
Bild 5: Zugfestigkeiten an den geschweißten Probekörpern
SchweiSSparameter
Für die festgelegte Muffengeometrie mussten geeignete
Parameter entwickelt werden. Dafür wurden aufgrund
von vielen veränderlichen und zusammenhängenden Abhängigkeiten
stark vereinfachte Annahmen getroffen. Bei
der Berechnung der Parameter wurden außerdem die
zeitabhängige Energie und Temperatur als Kerngrößen betrachtet.
Die Schweißzeit ergibt sich aus der zeitabhängigen
Leistung und der Energie, die in die Muffe während der
Schweißung vom Schweißgerät abgegeben wird. Durch die
auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Spannung (üblicherweise
ca. 40 V) kann die einzubringende Energie nur
über den Widerstand der Muffe variiert werden. Um die
Schweißzeit so gering wie möglich zu halten, sollte die maximale
Anfangsleistung des Schweißgerätes ausgenützt
werden. Da jedoch die Temperatur der Heizwendel direkt
mit der Leistung (über den steigenden Widerstand bei erhöhter
Temperatur) verknüpft ist und PE-HD ab einer Temperatur
von ca. 250 °C in Sauerstoffumgebung sich zu zersetzen
beginnt, darf diese nicht zu hoch gewählt werden.
Für die Heizdrahtauswahl kommen aufgrund der elektrischen
Eigenschaften nur wenige Metalle in Frage. Ein
gutes Preis-Leistungsverhältnis ist bei Kupfer gegeben.
Für die Auswahl der Drahtgeometrie wurden die Anfangsleistung
des Schweißgeräts, die Schweißzeit und der Gesamtwiderstand
des Heizkreises betrachtet (vgl. Bild 3).
Bei einem Kupferdraht (D = 1,6 mm) ergibt sich durch
die gegebene Geometrie der Muffe ein Widerstand von
0,41 Ohm (mit einer Anfangsleistung von ca. 4,8 kW bei
einer Maximalleistung des Schweißgeräts von 5 kW). Unter
Berücksichtigung des relativ hohen Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstandes von Kupfer muss
die Schweißzeit verlängert werden. Die gesamte Schweißzeit
ergibt sich daher zu ca. 42 Minuten (vgl. Bild 3). Die
Temperaturentwicklung der Heizwendel hängt außerdem
von der axialen Position in der Muffe ab. So konnten in
den Vorversuchen in der Mitte der Schweißzone ca. 20 °C
höhere Temperaturen festgestellt werden, als in den
Randbereichen der Muffe (Bild 4).
Betrachtet man die Energie als Flächenintegration der
Leistung über die Zeit als Kerngröße, kann eine mittlere
zeitabhängige Leistung berechnet werden. Mit der mittleren
Leistung konnte anschließend der Parameter
„Schweißzeit“ berechnet werden. Für eine mittlere Leistung
von ca. 3.200 Watt ergibt sich somit eine Schweißzeit
von ca. 45 Minuten für eine 1.000 mm Muffe.
Durch den Einbau üblicher Steckverbindungen und die
Erstellung eines Barcodes konnten die Muffen mit handelsüblichen
Schweißgeräten geschweißt werden.
Mechanische Prüfung
Es wurden mehrere Muffen mit den neu entwickelten
Schweißparametern geschweißt und anschließend die Pa-
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