Kunststoffschweißen: Das Schweißen von Kunststoffhalbzeugen wird in ISO 472 als ein Verfahren beschrieben, bei dem erweichte Materialoberflächen miteinander verbunden werden, im Allgemeinen mit Hilfe von Wärme (außer Quellschweißen). Das Schweißen von Thermoplasten erfolgt in drei aufeinanderfolgenden Schritten, nämlich Oberflächenvorbereitung, Anwendung von Wärme und Druck und Abkühlen. Für das Verbinden von Kunststoffhalbzeugen wurden zahlreiche Schweißverfahren entwickelt. Basierend auf dem Mechanismus der Wärmeerzeugung an der Schweißschnittstelle können Schweißverfahren für Thermoplaste in externe und interne Heizverfahren eingeteilt werden, wie in Abb. dargestellt. Andererseits kann die Herstellung einer Schweißnaht guter Qualität nicht nur von den Schweißverfahren abhängen, sondern auchSchweißbarkeitvon Grundmaterialien. Daher ist die Bewertung vonSchweißbarkeitist von entscheidender Bedeutung vor dem Schweißen (sieheRheologische Schweißbarkeit) für Kunststoffe.
Heißgasschweißen
Heißgasschweißen, auch Heißluftschweißen genannt, ist eine Kunststoffschweißtechnik, bei der Hitze zum Einsatz kommt. Eine speziell entwickelte Heißluftpistole, ein sogenanntes Heißluftschweißgerät, erzeugt einen heißen Luftstrahl, der sowohl die zu verbindenden Teile als auch einen Kunststoff-Füllstab erweicht, die alle aus dem gleichen oder einem sehr ähnlichen Kunststoff bestehen müssen. (Schweißenaus PVCZuAcrylist eine Ausnahme von dieser Regel.)
Heißluft-/Gasschweißen ist eine gängige Fertigungstechnik für die Herstellung kleinerer Gegenstände wieChemikalientanks, Wassertanks, Wärmetauscher, UndSanitärarmaturen.
Im Fall vonBahnenUndFilmeEin Füllstab darf nicht verwendet werden. Zwei Kunststoffplatten werden durch ein heißes Gas (oder einenHeizkörper) und anschließend zusammengerollt. Dies ist ein schneller Schweißvorgang und kann kontinuierlich durchgeführt werden.
Schweißdraht
Ein Kunststoffschweißdraht, auch thermoplastischer Schweißdraht genannt, ist ein Stab mit rundem oder dreieckigem Querschnitt, der zum Verbinden zweier Kunststoffteile verwendet wird. Sie sind in vielen Farben erhältlich, passend zur Farbe des Grundmaterials. Aufgespulter Kunststoffschweißdraht wird als „Spline“ bezeichnet.
Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung und Herstellung von Kunststoffschweißstäben ist diePorositätdes Materials. Eine hohe Porosität führt zu Luftblasen (sogenannten Hohlräumen) in den Stäben, die die Qualität der Schweißung mindern. Die höchste Qualität von Kunststoffschweißstäben haben daher solche ohne Porosität, die als hohlraumfrei bezeichnet werden.
Heißsiegeln ist der Prozess, bei dem ein thermoplastischer Kunststoff durch Hitze und Druck mit einem anderen ähnlichen Kunststoff versiegelt wird. Bei der Heißsiegelmethode mit direktem Kontakt wird eine ständig beheizte Matrize oder ein Siegelstab verwendet, um Hitze auf einen bestimmten Kontaktbereich oder -pfad anzuwenden und die Thermoplaste miteinander zu versiegeln oder zu verschweißen. Heißsiegeln wird für viele Anwendungen verwendet, darunter Heißsiegelverbinder, thermisch aktivierte Klebstoffe und Film- oder Folienversiegelung. Häufige Anwendungen für das Heißsiegelverfahren: Heißsiegelverbinder werden verwendet, um LCDs mitLeiterplattenin vielen Unterhaltungselektronikgeräten sowie in medizinischen und Telekommunikationsgeräten. Das Heißsiegeln von Produkten mit Thermoklebstoffen wird verwendet, um klare Displays auf Unterhaltungselektronikprodukten zu befestigen und für andere versiegelte thermoplastische Baugruppen oder Geräte, bei denen Heißvernieten oder Ultraschallschweißen aufgrund von Teiledesignanforderungen oder anderen Montageüberlegungen keine Option ist. Das Heißsiegeln wird auch bei der Herstellung von Bluttestfilmen und Filtermedien für Blut-, Viren- und viele andere Teststreifengeräte verwendet, die heute im medizinischen Bereich verwendet werden. Laminatfolien und -filme werden häufig über thermoplastischen medizinischen Schalen, Mikrotiterplatten (Mikrowellplatten), Flaschen und Behältern heißversiegelt, um medizinische Testgeräte, Probenentnahmeschalen und Behälter für Lebensmittelprodukte zu versiegeln und/oder eine Kontamination zu verhindern. In der Medizin- und Lebensmittelindustrie werden Beutel oder flexible Behälter zum Herstellen von Beuteln oder flexiblen Behältern heißversiegelt, um entweder das Kunststoffmaterial der Beutel perimeterzuschweißen und/oder Öffnungen und Schläuche in den Beuteln zu versiegeln. Eine Vielzahl vonHeißsiegelgerätestehen zur Verbindung von thermoplastischen Werkstoffen zur Verfügung wieKunststoff-Folien: Heißsiegelgerät, Impulssiegelgerät usw.
Freihandschweißen
Beim Freihandschweißen wird der Heißluftstrahl (oder Inertgasstrahl) des Schweißgeräts gleichzeitig auf die Schweißstelle und die Spitze des Schweißdrahts gerichtet. Wenn der Draht weicher wird, wird er in die Verbindung gedrückt und verschmilzt mit den Teilen. Dieser Prozess ist langsamer als die meisten anderen, kann aber in fast jeder Situation eingesetzt werden.
Speed-Tip-Schweißen
Beim Schnellschweißen ist das Kunststoffschweißgerät, das in Aussehen und Wattzahl einem Lötkolben ähnelt, mit einem Zufuhrrohr für den Kunststoffschweißdraht ausgestattet. Die Schnellspitze erhitzt den Draht und das Substrat und drückt gleichzeitig den geschmolzenen Schweißdraht in Position. Ein Perlen aus erweichtem Kunststoff wird in die Verbindung gelegt und die Teile und der Schweißdraht verschmelzen. Bei einigen Kunststoffarten wie Polypropylen muss der geschmolzene Schweißdraht mit dem halbgeschmolzenen Grundmaterial „gemischt“ werden, das hergestellt oder repariert wird. Diese Schweißtechniken wurden im Laufe der Zeit verbessert und werden seit über 50 Jahren von professionellen Kunststoffherstellern und -reparaturbetrieben weltweit eingesetzt. Das Schnellspitzenschweißverfahren ist eine viel schnellere Schweißtechnik und kann mit etwas Übung in engen Ecken eingesetzt werden. Eine Version der Schnellspitzen-„Pistole“ ist im Wesentlichen ein Lötkolben mit einer breiten, flachen Spitze, mit der die Schweißverbindung und das Füllmaterial geschmolzen werden können, um eine Verbindung herzustellen.
Extrusionsschweißen
Beim Extrusionsschweißen können größere Schweißnähte in einem einzigen Schweißdurchgang angebracht werden. Es ist die bevorzugte Technik zum Verbinden von Materialien mit einer Dicke von über 6 mm. Schweißstäbe werden in einen kleinen, handgeführten Kunststoffextruder gezogen, plastifiziert und aus dem Extruder gegen die zu verbindenden Teile gedrückt, die mit einem Heißluftstrahl aufgeweicht werden, damit die Verbindung stattfinden kann.
Kontaktschweißen
Das ist dasselbe wiePunktschweißenaußer dass Wärme zugeführt wird mitWärmeleitungder Zangenspitzen statt elektrischer Leitung. Zwei Kunststoffteile werden zusammengeführt und von erhitzten Zangenspitzen zusammengedrückt, wodurch die Teile schmelzen und miteinander verbunden werden.
Heizelementschweißen
Diese mit dem Kontaktschweißen verwandte Technik wird zum Schweißen größerer Teile oder von Teilen mit komplexer Schweißnahtgeometrie verwendet. Die beiden zu schweißenden Teile werden in das an den beiden gegenüberliegenden Platten einer Presse befestigte Werkzeug gelegt. Eine Heizplatte, deren Form der Schweißnahtgeometrie der zu schweißenden Teile entspricht, wird zwischen die beiden Teile geschoben. Die beiden gegenüberliegenden Platten bringen die Teile in Kontakt mit der Heizplatte, bis die Hitze die Schnittstellen bis zum Schmelzpunkt des Kunststoffs erweicht. Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird die Heizplatte entfernt und die Teile werden zusammengepresst und gehalten, bis die Schweißnaht abkühlt und wieder erstarrt, um eine dauerhafte Verbindung herzustellen.
Die Steuerung von Heizelementschweißgeräten erfolgt üblicherweise pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch über Servomotoren.
Mit diesem Verfahren werden Motorraumkomponenten und Innenverkleidungsteile von Kraftfahrzeugen sowie medizinische Filtergeräte, Komponenten von Haushaltsgeräten und andere Fahrzeuginnenraumkomponenten geschweißt.
Hochfrequenzschweißen
Bestimmte Kunststoffe mit chemischen Dipolen, wie PVC,Polyamide(PA) undAcetatekann mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen erhitzt werden. Hochfrequenzschweißen nutzt diese Eigenschaft, um die Kunststoffe zum Verbinden zu erweichen. Die Erwärmung kann lokalisiert werden und der Prozess kann kontinuierlich sein. Auch bekannt als dielektrisches Versiegeln, RF (Radiofrequenz)-Heißsiegeln.
RadiofrequenzSchweißen ist ein sehrausgereifte Technologiedas es seit den 1940er Jahren gibt. Zwei Materialstücke werden auf eine Tischpresse gelegt, die Druck auf beide Oberflächenbereiche ausübt. Matrizen werden verwendet, um den Schweißvorgang zu lenken. Wenn die Presse zusammenkommt, werden Hochfrequenzwellen (normalerweise27,120 MHz) werden durch den kleinen Bereich zwischen Matrize und Tisch geführt, wo die Schweißung stattfindet. Dieses Hochfrequenzfeld (Radiofrequenz) bewirkt, dass sich die Moleküle in bestimmten Materialien bewegen und erhitzen, und die Kombination dieser Hitze unter Druck bewirkt, dass die Schweißnaht die Form der Matrize annimmt. HF-Schweißen ist schnell. Diese Art des Schweißens wird zum Verbinden von Polymerfolien verwendet, die in einer Vielzahl von Branchen verwendet werden, in denen eine starke, beständige, lecksichere Abdichtung erforderlich ist. In der Textilindustrie wird HF am häufigsten zum Schweißen von PVC undPolyurethan(PU) beschichtete Gewebe. Dies ist eine sehr zuverlässige Schweißmethode.
Die am häufigsten beim HF-Schweißen verwendeten Materialien sind PVC und Polyurethan. Es ist auch möglich, andere Polymere wie Nylon, PET, PEVA, EVA und einige ABS-Kunststoffe zu schweißen. Seien Sie beim Schweißen von Urethan vorsichtig, da bekannt ist, dass es beim Schmelzen Cyanidgase freisetzt.
Induktionsschweißen
Wenn ein elektrischer Isolator, wie etwa Kunststoff, mit einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie etwa Metallen oder Kohlenstofffasern, eingebettet wird, kann Induktionsschweißen durchgeführt werden. Das Schweißgerät enthält eine Induktionsspule, die mit einem hochfrequenten elektrischen Strom versorgt wird. Dadurch wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das entweder auf ein elektrisch leitfähiges oder ein ferromagnetisches Werkstück einwirkt. Bei einem elektrisch leitfähigen Werkstück ist der Hauptheizeffekt die Widerstandserwärmung, die auf induzierte Ströme zurückzuführen ist, die alsWirbelströme. Das Induktionsschweißen von kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Materialien ist eine Technologie, die beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig verwendet wird.
In einem ferromagnetischen Werkstück können Kunststoffeinduktionsgeschweißtindem sie mit metallischen oder ferromagnetischen Verbindungen, sogenannten Suszeptoren, formuliert werden. Diese Suszeptoren absorbieren elektromagnetische Energie von einer Induktionsspule, werden heiß und geben ihre Wärmeenergie durch Wärmeleitung an das umgebende Material ab.
Spritzschweißen
Das Spritzschweißen ist dem Extrusionsschweißen ähnlich/identisch, außer dass man mit bestimmten Spitzen am Handschweißgerät die Spitze in Kunststoffdefektlöcher verschiedener Größen einführen und diese von innen nach außen flicken kann. Der Vorteil besteht darin, dass kein Zugang zur Rückseite des Defektlochs erforderlich ist. Die Alternative ist ein Flicken, außer dass der Flicken nicht bündig mit dem ursprünglichen umgebenden Kunststoff auf die gleiche Dicke geschliffen werden kann. PE und PP sind für diese Art von Verfahren am besten geeignet. Der Drader Injectiweld ist ein Beispiel für ein solches Werkzeug.
Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen wird eine hochfrequente (15 kHz bis 40 kHz) Schwingung mit geringer Amplitude verwendet, um durch Reibung zwischen den zu verbindenden Materialien Wärme zu erzeugen. Die Schnittstelle der beiden Teile ist speziell darauf ausgelegt, die Energie für eine maximale Schweißfestigkeit zu konzentrieren. Ultraschall kann bei fast allen Kunststoffmaterialien verwendet werden. Es ist die schnellste verfügbare Heißsiegeltechnologie.
Reibschweißen
Beim Reibschweißen werden die beiden zu verbindenden Teile mit einer niedrigeren Frequenz (normalerweise 100–300 Hz) und einer höheren Amplitude (normalerweise 1 bis 2 mm (0,039 bis 0,079 Zoll)) aneinander gerieben als beim Ultraschallschweißen. Die durch die Bewegung verursachte Reibung in Kombination mit dem Klemmdruck zwischen den beiden Teilen erzeugt die Hitze, die die Kontaktbereiche zwischen den beiden Teilen zum Schmelzen bringt. An diesem Punkt beginnen die plastifizierten Materialien, Schichten zu bilden, die sich miteinander verflechten, was zu einer starken Schweißnaht führt. Nach Abschluss der Vibrationsbewegung bleiben die Teile zusammengehalten, bis die Schweißverbindung abkühlt und der geschmolzene Kunststoff wieder erstarrt. Die Reibbewegung kann linear oder orbital sein, und die Verbindungskonstruktion der beiden Teile muss diese Bewegung ermöglichen.
Rotationsschweißen
Rotationsschweißen ist eine besondere Form des Reibschweißens. Bei diesem Verfahren wird ein Bauteil mit einer runden Schweißnaht stationär gehalten, während ein Gegenstück mit hoher Geschwindigkeit rotiert und gegen das stationäre Bauteil gedrückt wird. Die Rotationsreibung zwischen den beiden Bauteilen erzeugt Wärme. Sobald die Verbindungsflächen einen halbgeschmolzenen Zustand erreichen, wird das rotierende Bauteil abrupt gestoppt. Die Kraft auf die beiden Bauteile wird aufrechterhalten, bis die Schweißnaht abkühlt und wieder erstarrt. Dies ist eine gängige Methode zur Herstellung von Kunststoffrädern für leichte und mittlere Beanspruchung, z. B. für Spielzeuge, Einkaufswagen, Recyclingbehälter usw. Dieses Verfahren wird auch zum Schweißen verschiedener Anschlussöffnungen in Motorraumkomponenten von Kraftfahrzeugen verwendet.
Laserschweißen
Bei dieser Technik muss ein Teil für den Laserstrahl durchlässig und der andere Teil absorbierend sein oder eine Beschichtung an der Schnittstelle muss den Strahl absorbieren. Die beiden Teile werden unter Druck gesetzt, während sich der Laserstrahl entlang der Verbindungslinie bewegt. Der Strahl durchdringt den ersten Teil und wird vom anderen Teil oder der Beschichtung absorbiert, um genügend Wärme zu erzeugen, um die Schnittstelle aufzuweichen und eine dauerhafte Schweißnaht zu erzeugen.
Halbleiterdiodenlaser werden typischerweise beim Kunststoffschweißen eingesetzt. Wellenlängen im Bereich von 808 nm bis 980 nm können zum Verbinden verschiedener Kunststoff-Materialkombinationen verwendet werden. Je nach Material, Dicke und gewünschter Prozessgeschwindigkeit sind Leistungsstufen von weniger als 1 W bis 100 W erforderlich. Diodenlasersysteme bieten beim Verbinden von Kunststoffmaterialien folgende Vorteile:
Sauberer als Kleben
Keine Mikrodüsen, die verstopfen können
Keine Flüssigkeiten oder Dämpfe, die die Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigen
Keine Verbrauchsmaterialien
Höherer Durchsatz
Zugriff auf Werkstücke mit anspruchsvoller Geometrie möglich
Hohes Maß an Prozesskontrolle
Zu den Anforderungen an hochfeste Verbindungen gehören:
Ausreichende Übertragung durch die obere Schicht
Absorption durch die untere Schicht
Materialverträglichkeit – Benetzung
Gute Verbindungskonstruktion – Klemmdruck, Verbindungsfläche
Geringere Leistungsdichte
Zu den Materialien, die verbunden werden können, zählen beispielsweise:
Zu den spezifischen Anwendungen gehören das Versiegeln/Schweißen/Verbinden von Katheterbeuteln, medizinischen Behältern, Autofernbedienungsschlüsseln, Gehäusen von Herzschrittmachern, manipulationssicheren Verbindungen von Spritzen, Scheinwerfer- oder Rücklichtbaugruppen, Pumpengehäusen und Mobiltelefonteilen.
Transparentes Laser-Kunststoffschweißen
Die neue Faserlasertechnologie ermöglicht die Ausgabe von Laserwellenlängen mit höheren Wellenlängen. Die besten Ergebnisse liegen typischerweise bei etwa 2.015 nm und damit deutlich über den durchschnittlichen Diodenlasern von 808 nm bis 1.064 nm, die beim herkömmlichen Laserschweißen von Kunststoff verwendet werden. Da diese höheren Wellenlängen von Thermoplasten leichter absorbiert werden als die Infrarotstrahlung beim herkömmlichen Kunststoffschweißen, ist es möglich, zwei klare Polymere ohne Farbstoffe oder absorbierende Zusatzstoffe zu verschweißen. Gängige Anwendungsgebiete sind vor allem die Medizinbranche für Geräte wie Katheter und Mikrofluidikgeräte. Aufgrund der starken Verwendung transparenter Kunststoffe, insbesondere flexibler Polymere wie TPU, TPE und PVC, in der Medizingerätebranche ist das transparente Laserschweißen eine naheliegende Lösung. Außerdem erfordert das Verfahren keine laserabsorbierenden Zusatzstoffe oder Farbstoffe, was das Testen und Erfüllen der Biokompatibilitätsanforderungen erheblich erleichtert.
Quellschweißen
Beim Lösemittelschweißen wird ein Lösemittel verwendet, das das Polymer bei Raumtemperatur vorübergehend auflösen kann. Wenn dies geschieht, können sich die Polymerketten frei in der Flüssigkeit bewegen und sich mit anderen, ähnlich aufgelösten Ketten in der anderen Komponente vermischen. Nach ausreichender Zeit durchdringt das Lösemittel das Polymer und gelangt in die Umgebung, sodass die Ketten ihre Beweglichkeit verlieren. Dadurch bleibt eine feste Masse aus verwickelten Polymerketten zurück, die eine Lösemittelschweißung darstellt.
Diese Technik wird häufig zum Verbinden von PVC- und ABS-Rohren verwendet, wie etwa bei Haushaltsinstallationen. Das „Zusammenkleben“ von Kunststoffmodellen (Polycarbonat, Polystyrol oder ABS) ist ebenfalls ein Lösemittelschweißverfahren.
Dichlormethan(Methylenchlorid), das in Abbeizmitteln erhältlich ist, kann Polycarbonat und Polymethylmethacrylat schmelzen. Dichlormethan schweißt bestimmte Kunststoffe chemisch; es wird beispielsweise zum Abdichten des Gehäuses von Stromzählern verwendet. Es ist auch eine Komponente – zusammen mitTetrahydrofuran– des Lösungsmittels, das zum Schweißen von Rohrleitungen verwendet wird.
