Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

Erfahrungen haben jedoch gezeigt, daß diese Methode aus verschiedenen
Gründen unzufriedenstellend ist. Wie in Abb.
10.74 und 10.75 veranschaulicht wird, heben sich die beträchtlichen
Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte auf, wenn
das Gewicht der oberen Vorrichtung mit Kunststoffteil dem
Gewicht der unteren Vorrichtung mit Kunststoffteil entspricht.
(Beim Winkelschweißen müssen die beiden Trägheitsmomente
identisch sein, um gleiche und entgegengesetzte Trägheitskräfte
zu erzielen).
Falls nur ein Teil bei doppelter Frequenz vibriert, sind die
Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte viermal höher
und müßten über eine zusätzliche und regelbare Vorrichtung
kompensiert werden. Das gesamte Getriebe würde somit
weitaus schwerer und teurer für eine Maschine mit gleicher
Kapazität. Außerdem haben Erfahrung gezeigt, daß sich eine
gute und feste Verbindung leichter erhalten läßt, wenn beide
Teile schwingen.
Schweißbedingungen
Um den Schmelzpunkt des Materials zu erreichen, müssen die
zwei Teile zusammengepreßt werden und bei einer bestimmten
Frequenz und Amplitude schwingen. Diese Bedingungen
können als PV-Werte definiert werden, wobei «P» der spezifische
Kontaktdruck in MPa und «V» die Flächengeschwindigkeit
in m/s ist.
Die zwei Exzenterscheiben erzeugen eine sinusförmige
Geschwindigkeitskurve wie in Abb. 10.76. Da sie in entgegengesetzte
Richtungen laufen, beträgt die maximale relative
Geschwindigkeit des einen Teils gegenüber dem anderen
Teil 2 W. Die resultierende relative Geschwindigkeit liegt
somit beim 1,27fachen des maximalen Wertes «W».
Beispiel: Eine Maschine, die Acetalpolymer schweißt, wie
in Abb. 10.74 hat einen Exzenterabstand «f» von 3 mm
und läuft bei einer Geschwindigkeit von 5000 U/min.
Die Umfangsgeschwindigkeit ist somit wie folgt:
V = f × � × n = 0,003 m × � × 5000 = 0,78 m /s
60
W W
128
Y = 0,635 W 2 Y = 1,27 W
Y Y
1 Umdrehung
W = maximale Geschwindigkeit jedes Teils
Y = Durchschnittsgeschwindigkeit jedes Teils
Abb. 10.76 Geschwindigkeitskurven beim Vibrationsschweißen
2 Y
2 W
Dies entspricht der maximalen Geschwindigkeit «W» in
Abb. 10.76. Die durchschnittliche relative Geschwindigkeit
eines Teils gegen das andere wäre dann:
1,27 × 0,78 = 1 m / s
Bei einem spezifischen Kontaktdruck von 3 MPa wird der
resultierende PV-Wert:
3 × 1 = 3 MPa × m/s
Da die erzeugte Wärme außerdem eine Funktion des Reibungskoeffizienten
ist, muß der obige PV-Wert auf das zu
schweißende Material bezogen werden. Glasfaserverstärkte
Polyamide wurden zum Beispiel erfolgreich bei einem PV-
Wert von 1,3 verschweißt. Hieraus läßt sich folgern, daß bei
einer Maschine, die verschiedene Materialien und Formteilgrößen
verschweißen soll, Druck, Drehzahl und Amplitude
verstellbar sein müssen. Sobald die optimalen Arbeitsbedingungen
für ein gegebenes Teil festgelegt sind, dürfte die
Maschine jedoch mit Ausnahme des Druckes keine weiteren
Einstellungen erfordern.
Die Schweißzeit ist das Produkt von Geschwindigkeit, Druck
und Amplitude. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß die
Schweißnahtfestigkeit oberhalb eines bestimmten Druckes
eher abnimmt – möglicherweise aufgrund von ausgequetschtem
geschmolzenem Kunststoff. Auf der anderen Seite legen
die resultierenden mechanischen Belastung des Getriebes
Beschränkungen auf. So vervierfacht eine Verdopplung der
Geschwindigkeit die Beschleunigungskräfte der vibrierenden
Massen.
Umfangreiche Tests haben ergeben, daß sich eine Frequenz
von etwa 100 Hz für kleine und mittelgroße Teile sehr
gut eignet, während größere, schwere Formteile bei einer
Frequenz von 70-80 Hz verschweißt werden.
So wurden auch große Teile wie Ansaugrohre erfolgreich,
mit Frequenzen bis zu 250 Hz, verschweißt. Siehe auch
Abb. 10.79D.
Bei Linearmaschinen sollte der Abstand der beiden Exzenterscheiben
(«f» in Abb. 10.74) so eingestellt werden, daß
eine relative Bewegung von etwa 0,9 × Schweißnahtbreite
erzielt wird, siehe Abb. 10.77.
Der spezifische Oberflächendruck, der die höchste Schweißnahtfestigkeit
ergibt, muß über Tests ermittelt werden. Als
Faustregel gilt, daß eine Maschine einen Druck von 4 MPa
auf die zu schweißende Fläche erzeugen muß.
W
� 0,9 W
Abb. 10.77 Relative Bewegung – Schweißnahtbreite