Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

Berechnung von Schwungmasse-
Werkzeugen und Maschinen
Um einen Kunststoff vom festen in den flüssigen Zustand zu
bringen, ist eine gewisse, vom Material abhängige Wärmemenge
notwendig. In der Praxis machen sich die Unterschiede
innerhalb der technischen Kunststoffe indessen
wenig bemerkbar, so daß sie in den nachfolgenden Betrachtungen
vernachläßigt werden.
Die zum Schmelzen erforderliche Wärme wird durch die in
der rotierenden Masse enthaltene Energie erzeugt. Die beim
Zusammenpressen der Nahtoberflächen entstehende Reibung
bringt die Schwungmasse in weniger als einer Sekunde zum
Stehen.
Bei Kunststoffen, die einen engbegrenzten Schmelzpunkt
besitzen, wie z.B. DELRIN ® Acetalhomopolymer, sollte das
Werkzeug nach dem Aufsetzen kaum mehr als 1-2 Umdrehungen
ausführen. Ist der Anpreßdruck ungenügend, so
dreht die Schwungmasse zu lange durch und schert das im
Erstarren begriffene Material wieder ab. Dadurch entstehen
abgeschwächte oder undichte Nähte.
Für amorphe Kunststoffe ist diese Bedingung weniger wichtig,
da sie langsamer erstarren. Man arbeitet indessen bei
allen Kunststoffen vorteilhaft mit höheren Anpreßdrücken
als unbedingt notwendig, da die Qualität der Schweißnaht
darunter nicht leidet.
102
0,8 T
0,3 T
Abb. 10.25 Nahtprofil mit Außen- und Innenabdeckung
T
a
Um mit Schwungmasse-Werkzeugen gute Nähte zu erzielen,
müssen folgende Größen betrachtet werden.
– Umfangsgeschwindigkeit an der Schweißnaht
Sofern dies technisch möglich ist, sollte sie nicht unter
10 m/s liegen. Bei kleinen Teildurchmessern ist man indessen
gelegentlich gezwungen, zwischen 5 und 10 m/s zu
arbeiten, da sonst die Drehzahl zu hoch wird. Allgemein
kann man indessen sagen, daß hohe Umfangsgeschwindigkeiten
bessere Ergebnisse zeigen. Auch bezüglich der
Abmessungen der Schwungmasse ist es von Interesse, mit
möglichst hohen Drehzahlen zu arbeiten, da die Werkzeuge
für ein gegebenes Teil kleiner werden.
– Die Schwungmasse
Da die in der Schwungmasse enthaltene Energie eine Funktion
der Drehzahl und des Trägheitsmomentes ist, müssen
beide Größen in Abhängigkeit zueinander festgelegt werden.
Der Einfluß der Drehzahl erfolgt im Quadrat, so daß
schon geringe Veränderungsmöglichkeiten derselben eine
gute Anpassung an das gewünschte Resultat zulassen.
Für technische Kunststoffe kann man allgemein annehmen,
daß zum Verschweißen von 1 cm 2 projezierter Nahtoberfläche
50 Nm Arbeit notwendig sind.
Die Materialmenge, die geschmolzen werden muß, hängt
indessen noch zusätzlich von der Genauigkeit ab, mit der
die Nahtprofile aufeinander passen, also auch von den
Spritztoleranzen. Es wäre deshalb müßig, zu genaue
Berechnungen anzustellen, da man ohnehin meistens
mit einer Anpassung der Drehzahl rechnen muß.
– Der Anpreßdruck
Wie schon weiter oben erwähnt, ist der Anpreßdruck so
zu bemessen, daß das Werkzeug nach dem Aufsetzen nur
noch etwa 1–2 Umdrehungen macht.
Als Berechnungsgrundlage kann man annehmen, daß ein
spezifischer Druck von 5 MPa auf die projezierte Nahtfläche
erforderlich ist. Es genügt indessen nicht, den Kolbendurchmesser
und den Luftdruck entsprechend festzulegen.
Auch die Zufuhrleitungen und die Ventile müssen so
dimensioniert sein, daß der Kolbenvorschub schlagartig
erfolgt. Ist dies nicht der Fall, so fährt das Werkzeug zu
langsam nach unten, und der Druck im Zylinder baut sich
zu spät auf. Eine große Zahl fehlerhafter Schweißnähte in
der Praxis sind auf diese Fehler zurückzuführen.
– Der Nachdruck
Das sich im flüssigen Zustand befindliche Material braucht
eine gewisse Zeit zum Erstarren. Es ist deshalb unbedingt
notwendig, den Druck entsprechend lange aufrechtzuerhalten.
Die Zeitdauer hängt vom Kunststoff ab und wird
am besten durch Versuche ermittelt. Für DELRIN ® liegt sie
bei 0,5-1 Sekunde, während für amorphe Kunststoffe
etwas mehr Zeit benötigt wird.