Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

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Der Ablauf des Schweißvorganges spielt sich sodann folgendermaßen ab: – Nach Aufspannen des Teils a wird das Gegenstück a1 aufgesetzt und mit der federnden Spitze angedrückt. – Der Querschlitten d fährt nach vorne, wobei der Anschlag e unter eine vorstehende Partie dieses Teils a1 zu liegen kommt. – Die Spindel wird eingekuppelt oder der Motor eingeschaltet. – Nach Ablauf der Schweißzeit fährt der Querschlitten d zurück und gibt das Teil a1 frei, das nun sofort mitdreht. – Die Maschine wird abgestellt (oder die Spindel ausgekuppelt). – In Abhängigkeit der Erstarrungs-Eigenschaften des Kunststoffes muß der Druck der Spitze noch kurze Zeit aufrechterhalten bleiben, bevor die Teile herausgenommen werden können. Häufig wird dieser Ablauf in dem Sinne vereinfacht, daß am Ende der Schweißzeit der Anschlag e nicht weggefahren, sondern einfach ausgekuppelt oder der Motor abgeschaltet wird. Da jedoch die bewegten Massen der Maschine meist verhältnismäßig groß sind, geht die Drehzahl zu langsam zurück, wodurch das im Erstarren befindliche Material der Schweißnaht Scherbeanspruchungen ausgesetzt ist. Die Naht weist dann oft geringe Festigkeit auf oder ist überhaupt unbrauchbar. Allgemein kann man sagen, daß die Relativgeschwindigkeit der beiden Teile umso schneller auf Null zurückgehen muß, je enger der Temperaturbereich ist, in dem der Kunststoff vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Mit anderen Worten: Entweder muß das stehende Teil schnell beschleunigt oder das rotierende schnell abgebremst werden. Das Rotationsschweißen auf Drehmaschinen hat für die Serienfertigung wenig Bedeutung, wird aber gelegentlich für Nullserien und Handmuster angewendet. Das Aufschweißen von Endmuffen und Gewindenippeln auf lange Rohre läßt sich dagegen auf diese Weise recht gut ausführen. Dabei muß der Reitstock durch eine aufklappbare Vorrichtung ersetzt werden, die das Rohr klemmt und gleichzeitig ein federndes Andrücken erlaubt. Die Drehmaschine muß jedoch für diese Arbeitsweise mit einer Kupplung und einer Schnellbremse ausgerüstet sein, da ein Loslassen und Mitdrehen des Rohres nicht in Frage kommt. 92 b a a1 c Abb. 10.01 Drehzapfenschweißen mit einer Drehmaschine e d Drehzapfenschweißen auf Bohrmaschinen Mit besonders dafür gebauten Drehzapfenwerkzeugen können Teile bis etwa 60 mm Durchmesser auf Tischbohrmaschinen recht gut verschweißt werden. Die Methode ist vorzüglich geeignet für Nullserien, Handmuster oder Reparaturen. Dagegen würde eine Vollautomatisierung des Vorganges einen gewissen Aufwand erfordern, der das Verfahren dafür uninteressant macht. Die Erzielung regelmäßiger Schweißnähte erfordert einige Übung, da bei Handbetätigung die Schweißzeit und der Druck nur einigermaßen genau eingehalten werden können. Das in Abb. 10.02 gezeigte Werkzeug ist mit einer auswechselbaren Zahnkrone a versehen, deren Durchmesser dem Kunststoffteil entsprechen muß. Ein Satz von 3-4 Zahnkronen genügt, um Teile mit einem Durchmesser von etwa 12-60 mm schweißen zu können. Abb. 10.02 Drehzapfenschweißen für Bohrmaschinen Der Federdruck der Spitze kann mittels der Rändelmutter b der Nahtoberfläche entsprechend eingestellt werden. Es ist sehr wichtig, den richtigen Spitzendruck durch Versuche zu ermitteln, da er für die Dichtigkeit und Festigkeit der Naht ausschlaggebend ist. Zum Schweißen wird die Bohrspindel langsam nach unten gefahren, bis die Zahnkrone nur noch wenige Millimeter über dem Teil steht (Abb. 10.03a). Sodann muß schlagartig eingekuppelt werden, damit das zu schweißende Teil unverzüglich mitgedreht wird, und die Zähne keine unsauberen Eindrücke hinterlassen. In dieser in Abb. 10.03b gezeigten Arbeitsstellung soll unter möglichst konstantem Druck so lange verharrt werden, bis ringsherum eine gleichmäßige Schweißbraue ausgetreten ist. Dann muß die Zahnkrone ebenso schnell wieder aus dem Eingriff gebracht werden (Abb. 10.03c), jedoch nur soweit, daß die Spitze noch auf das Teil drückt und zwar so lange, bis der Kunststoff genügend erstarrt ist. b a
a b c Abb. 10.03 Vorgang des Drehzapfenschweißens Die Spitze dient also ausschließlich dazu, den Nachdruck zu erzeugen. Die Kunststoffteile sollen jedoch mit Zentrierungen versehen sein, um eine bessere Werkzeugführung und einen guten Rundlauf zu erreichen. Um eine korrekte Schweißung zu erzielen, braucht man eine gewisse, vom Kunststoff abhängige Wärmemenge. Diese ist ein Produkt aus Druck, Geschwindigkeit und Zeit. Andererseits muß das Produkt aus Druck × Geschwindigkeit einen bestimmten Minimalwert aufweisen, da sonst an der Nahtoberfläche nur Abrieb und kein genügender Temperaturanstieg auftritt. Da auch der Reibwert einen Einfluß hat, lassen sich diese Größen nicht für alle Kunststoffe allgemein angeben, sondern müssen individuell bestimmt werden. Als erste Annahme für die Umfangsgeschwindigkeit bei DELRIN ® Acetalhomopolymer und ZYTEL ® PA66 kann man rund 3-5 m/s. wählen. Dann wird man den Druck so einstellen, daß eine Schweißzeit von 2-3 Sekunden das gewünschte Resultat ergibt. Voraussetzung für gute Ergebnisse sind natürlich korrekte Nahtprofile. (Vorschläge und Dimensionen siehe Abschnitt 8). Drehzapfenschweißen mit besonders dazu gebauten Maschinen Das oben beschriebene Verfahren läßt sich nicht ohne einen gewissen Aufwand automatisieren, weshalb es für die Großproduktion kaum mehr angewendet wird. Leicht abgeändert und mit besonders dazu konstruierten Maschinen (Abb. 10.04) kann man indessen einen einfacheren Funktionsablauf erreichen. b a c d e f Abb. 10.04 Prinzip einer Drehzapfenschweißmaschine Die Maschine ist mit einer vorzugsweise elektromagnetisch betätigten Kupplung a versehen, die ein schnelles Ein- und Auskuppeln der Arbeitsspindel b gestattet. Letztere ist in einem Rohr c gelagert, das seinerseits den pneumatischen Kolben d trägt. Das Antriebsteil e kann eine Zahnkrone oder wie weiter unten beschrieben, irgend eine andere dem Kunststoffteil angepaßte Mitnehmervorrichtung sein. Der Schweißvorgang geht folgendermaßen vor sich: – Einlegen beider Teile in die untere Aufnahme f. – Herunterfahren des druckluftbetätigten Kolbens mit der Arbeitsspindel. – Einschalten der Kupplung, wodurch das Drehen des oberen Kunststoffteils erfolgt. – Nach der durch ein Zeitrelais gesteuerten Schweißzeit schaltet die Kupplung aus, wogegen der Druck noch eine vom Kunststoff abhängige Zeit aufrechterhalten wird. – Hochfahren der Spindel und Auswerfen der geschweißten Teile (oder Weiterschalten des Rundtisches). 93
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