Verschweißen von Polymeren

Verschiedene Elemente aus thermoplastischen Stoffen können durch Verschweißung miteinander verbunden werden.

Bei der direkten Verschweißung wird das Heizelement zwischen die zu verbindenden Flächen eingeführt, bei der indirekten Verschweißung wird die Schweißwärme dagegen über ein außen angelegtes Element zugeführt.

Die oben erwähnten Elemente werden elektrisch, durch Flamme bzw. heiße Luft je nach Art des Thermoplasten bis zu 450-570 °K (180-300°C) erhitzt.

Bei der direkten Stumpfverschweißung werden die zu verschweißenden Flächen an die Heizelemente angelegt und leicht angepresst, bis eine Verdickung des teigartigen Stoffes entsteht. Nach Entfernung des Heizelementes werden die zu verbindenden Flächen möglichst schnell mit etwa 10-20 kPa gegeneinander gedrückt, bis am Rande eine Verdickung erscheint. Der Druck ist aufrecht zu erhalten, bis die Schweißnaht abkühlt. Bei den Montagearbeiten, bei Verschweißung von Stumpfprofilen aus Weich-PVC werden Lötkolben ähnliche Geräte benutzt.

Bei der Werkstattschweißung von Halberzeugnissen aus Polyolefinen (PE, PP) werden elektrisch beheizte Leisten und Schweißtische verwendet. Bei der kontinuierlichen Überlappenschweißung von Bändern aus Kunststoff bzw. anderen mit Kunststoff beschichteten Stoffen werden Geräte eingesetzt, die den Nähmaschinen ähnlich aussehen (bei Ausführung von langen geradlinigen Schweißnähten wird das Gerät mit Geschwindigkeit von 2-15 m/min vorgeschoben). Die Bänder, sobald sie den Heizkeil passiert haben, werden durch die Rollen angepresst und verschweißt.

Die indirekte Verschweißung mit den Heizelementen wird hauptsächlich in der Verpackungsindustrie verwendet.

Durch den thermischen Kontakt mit den dauerbeheizten Elementen der Schweißmaschine werden Überzüge und die an kaschierten Folien leicht schwimmenden Schichten z.B. PE/Aluminium, PVC/Aluminium verschweißt.

Zur Verschließung von Säcken oder anderen Lieferverpackungen werden einfache Siegelbacken eingesetzt. Diese Verschlüsse gelten dann bei einer Zollkontrolle als sicher und fest.

Die Wärmeimpulsschweißgeräte für Folien verfügen über Schweißbacken. Unter der dünnen Schicht von Tarflen sind Feindrähte oder Heizbänder angebracht. Die Folien mit der Stärke bis zu I-10~4 m werden einseitig, die dickeren Folien zweiseitig durch einen kurzen Wärmeimpuls erwärmt. Die Schweißnaht wird dann mit den massiven Backen gekühlt. Die Rohre aus Hart-PVC werden mittels der Reibungswärme geschweißt. Dazu wird ein der beiden zu verbindenden Teile in dem Drehbankfutter geklemmt, das andere mit dem Klemmkeil festgehalten und mit der Spitze gegengehalten. Die zu verbindenden Flächen erreichen bei etwa 46 rad/s (500 U/min) die Erweichungstemperatur. Der Klemmkeil wird dann freigelassen, die Drehbank ausgeschaltet und auf die verschweißten Teile wird weiter Druck ausgeübt, bis sie abgekühlt sind.

VERSCHWEISSEN bedeutet einen Verbindungsprozess von thermoplastischen Stoffen durch Druckausübung auf den plastifizierten Stoff. Die Plastifizierung des Stoffes erfolgt unter Wärmeeinwirkung, wobei die Wärme von außen an Stoff zugeführt oder mittels des elektrischen Stromes oder mechanischen Energie innerhalb des Stoffes erzeugt wird.

Durch die Druckausübung kommt es zur gegenseitigen Verschmelzung von den Polymerketten, nachdem sie von den zu verbindenden Teilen teilweise einander durchgedrungen haben. Die verwickelten Segmente von Makromolekülen bilden nach Abkühlung (unter Druck) eine feste Verbindung.

Wegen des Diffusionscharakters des Verschweißprozesses, hängen die Festigkeitseigenschaften der Verbindung (Schweißnaht) von Druckwert und -dauer ab.

SCHWEISSEN DURCH ERWÄRMUNG DER ZU VERBINDENDEN FLÄCHEN VON DER INNENSEITE - die Verschweißung erfolgt mittels des Heizelementes in Form eines Keiles, einer Platte oder eines Stabes, bzw. mittels der durch Reibung der zu verbindenden Teile erzeugte Wärme.

SCHWEISSEN DURCH ERWÄRMUNG DER ZU VERBINDENDEN TEILE VON AUSSEN - die Wärme wird mittels eines elektrisch beheizten Elementes in Form einer Leiste, Schiene, eines Drahtes usw. durch die gesamte Dicke der zu schweißenden Stoffe an deren Oberflächen zugeführt. Es sind dabei zwei Grundmethoden zu unterscheiden: Kontakt- und Impulsschweißung.

SCHWEISSEN DURCH WÄRMEERZEUGUNG INNERHALB DER ZU VERBINDENDEN STOFFE - in diesem Verfahren können kalte Andruckwerkzeuge eingesetzt werden. Zur dieser Kategorie gehören die Hochfrequenz- und Ultraschallschweißung.

SCHWEISSEN MIT DEM HEISSEN KEIL - die Ränder der zu verbindenden Teile werden allmählich mit einem heißen Metallkeil erwärmt, der entlang der Schweißnaht vorgeschoben wird. Die zu verbindenden Teile werden mittels einer Rolle angepresst. Der heiße Keil wird meistens zur Verbindung von Folien und dünneren Platten aus PVC, sowie aus Polyethylen verwendet. Mit dieser Methode werden die Überlappungsnähte realisiert.

SCHWEISSEN MIT DER BEHEIZTEN PLATTE - in diesem Verfahren werden die Flächen von den zu verbindenden Teilen über eine Platte plastifiziert, die zwischen beide Flächen eingesetzt wird. Dann wird diese Platte entfernt und die Teile aneinander zusammengedrückt. Mit dieser Methode werden Stumpfverbindungen von Rohren und Stäben aus Hart-PVC, Polyolefinen, PMMA und anderen Werkstoffen erzielt.

SCHWEISSEN MIT REIBUNGSWÄRME - in diesem Schweißverfahren wird die für die Plastifizierung des Stoffes erforderliche Wärme durch gegenseitige Reibung der Oberflächen von den zu verbindenden Teilen erzeugt. Je nach Art der gegenseitigen Reibung ist vom drehenden Schweißen (allgemein als Reibungsschweißung bezeichnet) oder vom Vibrationsschweißen die Rede.

KONTAKTSCHWEISSEN - oft auch als Widerstandschweißen oder Schweißen mit der heißen Elektrode bezeichnet, ist eine der ältesten und gleichzeitig am meisten verbreiteten Schweißverfahren für Folien. Die zu verbindenden Teile werden dabei mit einer erwärmten Leiste an die kalte Unterlage angedrückt oder zwischen zwei erwärmten Leisten gegeneinander gedrückt.

IMPULSSCHWEISSEN - die Ränder von den zu verbindenden Folienstreifen werden schnell erhitzt und anschließend ebenso schnell gekühlt. Die Wärme fließt von dem Heizelement über die Folie an die Verbindungsstelle über, wobei wird das Element nicht kontinuierlich, sondern durch einen kurzen und starken elektrischen Stromimpuls beheizt. Die Impulsdauer richtet sich nach Art und Stärke der zu verbindenden Folie und liegt zwischen 0,1 und 1 s.

HOCHFREQUENZSCHWEISSEN - auch als kapazitives oder dielektrisches Schweißen bezeichnet. In diesem Verfahren werden die zu verbindenden Stoffe zwischen zwei gekühlten Elektroden (Leisten) zusammengedrückt und plastifiziert, in denen ein schnell ändernde elektrisches Feld erzeugt wird. In diesem Verfahren werden die dielektrischen Eigenschaften des Stoffes benutzt und daher wird es manchmal als dielektrisches Schweißen bezeichnet.

ULTRASCHALLSCHWEISSEN - (Schalle mit Schwingungsfrequenzen von über 20 kHz, für Menschen nicht hörbar). Hier werden die Stoffe in schnelle mechanische Schwingungen mit Frequenz von ca. 20 kHz gebracht. Diese Schwingungen führen zur Erwärmung von Stoßflächen der zu verbindenden Elemente, bis der Stoff plastisch wird. Da gleichzeitig ein Druck auf die Verbindungsstelle ausgeübt wird, kommt es zur Verschweißung der zu verbindenden Elemente. Die für Plastifizierung des Stoffes erforderliche Wärme wird an der Oberfläche der Schweißnaht sowie innerhalb der Stoffe durch Reibung der in mechanische Schwingungen gebrachten Polymerteilchen erzeugt. Der Ultraschweißprozess dauert 1-2 s und die Dauer ist von der Art des Stoffes sowie von Dicke und Form der zu verbindenden Elemente abhängig.