DE3421987A1

DE3421987A1 - Verfahren und vorrichtung zum plastifizieren und/oder verfluessigen von werkstoffen mit thermoplastischen eigenschaften

Info

Publication number: DE3421987A1
Application number: DE19843421987
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Castagna; Jochen Dr.-Ing. Krankenhagen; Heinz Dr.-Ing. Ortwein; Klaus Dr.-Ing. 1000 Berlin Weertz
Original assignee: AWFI ARBEITSWISSENSCHAFTLICHES
Current assignee: AWFI ARBEITSWISSENSCHAFTLICHES
Priority date: 1984-06-08
Filing date: 1984-06-08
Publication date: 1985-12-12

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Plastifizieren
und/oder Verflüssigen von Werkstoffen mit thermoplastischen Eigenschaften Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plastifizieren und /oder Verflüssigen von Werkstoffen mit thermoplastischen Eigenschaften mittels mechanischer Schwingungen.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Teilbereiche von Formteilen und Halbzeugen aus thermoplastischem Material durch Einwirkung von Ultraschall mit Frequenzen zwischen 20 und 50 kHz zu erwärmen und zu plastifizieren.
Die so bearbeiteten Teilbereiche bilden die Fügebereiche für weitere anschließende Fügevorgänge, wie Schweißen, Nieten, Bördeln und dergleichen. Die Erwärmung im Fügebereich erfolgt durch die Absorption der mechanischen Schwingungen die eine Amplitude zwischen 10 und 60 um aufweisen können, durch die Reflexion der Schwingungen in der FUgezone und durch die Grenzflächenreibung der Fügeflächen. Eine Vorrichtung zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen besteht aus einem Generator, der elektrische Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt, einem Ultraschallwandler, der die Schwingungen in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umwandelt, einem Transformationsstück und einer Sonotrode, wobei das Transformationsstück die Schwingungsamplitude auf den an der Sonotrode benötigten Wert transformiert.
Generator, Ultraschallwandler, Transformationsstück und Sonotrode arbeiten in Resonanz.
Bei diesem bekannten Verfahren können jeweils nur die Bereiche, die direkt an der Sonotrode liegen, erwärmt werden, da sonst das Material zwischen Sonotrode und Erwärmungsstelle die Schwingungen dämpft. Notwendige Änderungen in der Amplitude können nur durch Auswechseln des Transformationsstückes vorgenommen werden, das heißt, es müssen jeweils konstruktive Anderungen durchgeführt werden. Die das bekannte Verfahren anwendende Vorrichtung erzeugt aufgrund der hohen Frequenzen Hochfrequenzstörungen, die abgeschirmt werden müssen, deshalb muß jede Vorrichtung von der Post zugelassen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plastifizieren und/oder Verflüssigen von Werkstoffen mit thermoplastischen Eigenschaften zu schaffen, mit denen es möglich ist, unabhängig von der Größe der Übertragungsfläche der mechanischen Schwingungen auch in weiteren Entfernungen von dieser Übertragungsfläche ein Plastifizieren oder Verflüssigen des Werkstoffs mit thermoplastischen Eigenschaften durchzuführen, wobei der Aufbau des Schwingungserzeugers weniger aufwendig als im Stand der Technik sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen an.
Durch die steuer- und regelbaren niedrigen Frequenzen und größeren Amplituden kann das Verfahren an die jeweiligen zu bearbeitenden Werkstoffe und deren Bearbeitungsort angepaßt werden. Die hydraulische Schwingungserzeugung bietet einen einfachen Aufbau des Schwingungserzeugers und die stufenlose Regelung und/oder Steuerung der Amplitude und der Frequenz ist in einfacher Weise durch entsprechende Gestaltung der Steuerschlitze des Steuerventils und/oder durch Änderung der Ausgangsgrößen des Steuermotors herzustellen. Die auf den Werkstoff wirkende Kraft ist abhängig von dem Druck im Hydrauliksystem veränderbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ein breites Anwendungsgebiet. So kann beispielsweise in der verarbeitenden Holzindustrie unter Anwendung von Leimen mit thermoplastischen Eigenschaften der Verleimungsund Fügeprozeß verbessert und vereinfacht werden. Entsprechend dem Stand der Technik wird dort der Industrieleim, der Verarbeitungstemperaturen von ca. 2000 C aufweist, von Hand mit einem Pinsel oder einer Leimpistole auf die zu verleimenden Teile aufgebracht und zusammengepreßt. Erfindungsgemäß können die zu verleimenden Bauelemente mit dem aufgebrachten Leim mit Schwingungen beaufschlagt werden, so daß sich der möglicherweise schon abgekühlte Leim wieder erwärmt und durch die Schwingungen verteilt sich der Leim gleichmäßig auf der Fügefläche. Dadurch werden Spannungsspitzen abgebaut und die Haltbarkeit der Füge zonen wird durch Vermeidung von Lufteinschlüssen verbessert.
In Weiterbildung wird unter Verwendung von Hartleim im festen Zustand ein Stück Hartleim in die Bohrung für die Aufnahme eines Dübels gelegt und der Dübel wird mit Schwingungsbeaufschlagung nachgeführt und verflüssigt das Stück Hart leim Der verflüssigte Leim steigt dann seitlich an der Mantelfläche der Füge zone hoch und es entsteht eine einwandfreie Klebezone.
Eine derartige Verfahrensweise bietet den Vorteil einer Automatisierung, da der Leim nicht mehr von Hand aufgebracht werden muß, sondern automatisch in die Aufnahmebohrung für den Dübel eingelegt werden kann. Dadurch, daß die Größe des Hartleimstückes auf die Größe der zu verleimenden Flächen angepaßt werden kann, wird die Qualität der Leimstellen verbessert. Die Möglichkeit, daß der zu viel bemessene Leim an den Leimstellen hervorquillt oder daß Bereiche wegen zu wenig Leim nicht verklebt werden, wird wegen der genauen Dosierung der Leimmenge ausgeschaltet.
Eine weitere Autimatisierungsmöglichkeit bietet sich, wenn der Dübel von vornherein und vor dem Fügevorgang mechanisch mit dem Hartleim verbunden wird.
Holzfaser- oder Spanplatten weisen häufig ein Bindemittel mit thermoplastischen Eigenschaften auf. Durch Einbringen eines Dübels, der mit Schwingungen beaufschlagt ist, in die Holzfaserplatte mit oder ohne Aufnahmebohrung kann ein Füge- bzw. Verleimungsprozeß vorgenommen werden, da sich das Bindemittel in der Umgebung des Dübels erwärmt und nach erneutem Erhärten eine feste mechanische Verbindung mit dem Dübel eingeht. Da die Spanplatte einen porösen Aufbau aufweist, wird bei dem Fügevorgang mit Dübel bei nicht vorhandener Führungsbohrung oder nur kleiner Führungsbohrung das Material der Hartfaserplatte in die Umgebung des durch den Dübel gebildeten oder verbreiterten Sackloches verdrängt, so daß sich insgesamt eine höhere Festigkeit, insbesondere auch an den Verleimungsstellen ergibt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auch ein Trennen von miteinander verbundenen Bauteilen, insbesondere von verleimten Holzbauteilen durch Beaufschlagung von Schwingungen, möglich, wobei die gesamte Konstruktion diesen Schwingungen unterworfen wird und sich der Leim an den Verleimungsstellen erwärmt. Durch Auseinanderziehen der Bauteile können diese sauber und zerstörungsfrei getrennt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung in Anwendung bei der Verleimung eines Stuhles.
In der Figur ist schematisch eine Vorrichtung -dargestellt, mit der ein Stuhl 1 verleimt werden soll. Der Stuhl 1 ist mit seinen Einzelteilen in der Aufsicht gezeigt und besteht aus mehreren senkrecht und waagerecht anzuordnenden Einzelteilen 2, 3, die über Dübel 4 verbunden werden sollen. Dabei sind in den Bauelementen 2, 3 Aufnahmebohrungen für die Dübel 4 vorgesehen und in diese Aufnahmebohrungen sind Stücke oder Pastillen aus Hartleim eingelegt, der thermplastische Eigenschaften aufweist und sich bei ca. 2000 C verflüssigt. Der Stuhl 1 ist mit seinen Einzelteilen 2, 3 in einer nicht näher dargestellten Preß- und Vorschubeinrichtung 5 aufgenommen, die mit dem Schwingungserzeuger 6 verbunden ist. Die Vorschubrichtungen der Preß- und Vorschubvorrichtung 5 sind durch die Pfeile 7 angedeutet. Die Preß- und Vorschubeinrichtung ist mit dem Kolben 8 eines hydraulisch arbeitenden Arbeitszylinders 9 verbunden, der von einem auf dem Drehschieberprinzip basierenden Steuerventil 10 gesteuert wird. Das Steuerventil 10 verwandelt den ihm zugeführten Hydraulikversorgungsstrom 11 in einen pulsierenden Hydraulikstrom, so daß der Kolben 8 im Arbeitszylinder 9 eine Bewegung mit Wechselstromcharakteristik ausführt. Die Amplitude der translatorischen Bewegung ist abhängig vom Druck und der Menge der Hydraulikflüssigkeit, wobei die Veränderung des Bewegungsablaufs des Kolbens 8 im Sinne einer Prozeßoptimierung durch entsprechende Gestaltung der Steuerschlitze im Steuerventil 10 möglich ist.
Der Antrieb des Steuerventils 10 erfolgt durch einen Steuermotor 11, der wahlweise und entsprechend den Gegebenheiten als Elektro-, Hydraulik- oder Pneumatikmotor ausgebildet sein kann.
Die Frequenz und die Amplitude der durch den Schwingungserzeuger 6 erzeugten Schwingungen ist über das Steuerventil 10, 11 stufenlos zwischen einem Frequenzbereich von 15 Hz bis 15 kHz und einem Amplitudenbereich von 0 bis mehreren Millimetern regelbar. Dabei hängt die Größe der Amplitude unter anderem davon ab, ob das Material, das in Schwingungen versetzt wird, stark dämpft. Die Kraft, die von dem Schwingungserzeuger 6 auf die Preß- und Vorschubvorrichtung 5 ausgeübt wird, ist abhängig vom Versorgungsdruck des Hydraulikversorgungsstroms 12, der bis ca. 1000 Bar erhöht werden kann.
Die Schwingungen des Kolbens 8 wird über die Preß- und Vorschubvorrichtung auf den Stuhl ffbertragen, wodurch sich die in den Aufnahmebohrungen befindenden Leimpastillen erwärmen und verflüssigen. Gleichzeitig werden die Einzelteile 2, 3 durch die Preß- und Vorschubeinrichtung 5 zusammengedrückt, so daß der Leim an den Mantelflächen der Dübel 4 und der Aufnahmebohrung 5 hochsteigt und gleichmäßig verteilt wird. Die Einzelteile 2, 3 werden solange zusammengehalten, bis der verflüssigte Leim angebunden bzw. abgebunden hat. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der gesamte Stuhl 1 mit Schwingungen beaufschlagt.
Der Verleimvorgang kann aber auch derart vorgenommen werden, daß die Energiezufuhr, das heißt die mechanischen Schwingungen, auf die in der Aufnahmebohrung eines Bauelementes vorhandene Leimpastille über das Verbindungselement Dübel vorgenommen werden. In diesem Fall ist der Dübel mit dem Arbeitskolben 8 verbunden und leitet beim Einbringen oder Nachfahren in das Dübelloch die Schwingungen direkt auf die Leimpastille über.
Um den Fügevorgang, insbesondere auch in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel, weiter automatisieren zu können, können aus Holz, Kunststoff oder Metall bestehende Dübel verwendet werden, die an einem oder beiden Enden mechanisch mit einer Leimpastille verbunden sind. Die Verbindung erfolgt dabei formschlüssig über eine Preßpassung, kraftschlüssig über einen Nagel, einen am Dübel angeordneten Zapfen, einen an der Leimpastille vorgesehenen Zapfen oder durch Leim, wobei die Verleimung, wie oben beschrieben, erfolgen kann oder ein zusätzlicher Leim mit niedrigem Schmelzpunkt vorgesehen sein kann. Es sind auch chemische Verbindungen zwischen Dübel und Leimpastillen denkbar.
Die Verleimung von Bauelementen wurde in Verbindung mit einem Stuhl aus Holz beschrieben.
Selbstverständlich können auch Bauelemente aus anderen Materialien, wie Kunststoff und Metall,miteinander verleimt werden. Eine Verbindung von Bauelementen ohne Leim ist insbesondere dann möglich, wenn mindestens eines der Bauelemente thermoplastische Eigenschaften aufweist, wobei durch Einleitung von mechanischen Schwingungen punktuell oder auf die gesamte zu verbindende Konstruktion an der oder den Fügeflächen eine Aktivierung, das heißt Plastifizierung der thermoplastischen Materialanteile erfolgt, mit denen sich die anderen Bauelemente dauerhaft verbinden. Wie oben beschrieben, kann auch in diesem Fall eine Trennung durch Erwärmen der Fügestellen mittels mechanischer Schwingungen zerstörungsfrei vorgenommen werden.
Eine Verbindung bzw. Verleimung mit oder ohne extern zugeführtem Leim ist auch für flächige Bauteile, beispielsweise für die Kantenverleimung möglich.
Mit dem Verfahren kann auch eine spanlose Verformung vorgenommen werden, wobei die mechanischen Schwingungen dem formgebenden Werkzeug mitgeteilt werden. Dabei muß der zu verformende Werkstoff thermoplastische Eigenschaften haben. So können Sack- oder Durchgangslöcher mit einem Werkzeug, insbesondere durch das vorgesehene Verbindungselement, beispielsweise der Dübel, in das Bauelement getrieben werden. Auch das Einbetten von Fremdteilen in den Werkstoff mit thermoplastischen Eigenschaften, wie Beschläge, Stifte, Buchsen oder dergleichen, ist möglich.
Weiterhin ist die Durchführung der allgemeinen Fügeverfahren, beispielsweise Reibschweißen, allgemeines Verschweißen von Kunststoffen, Nieten, Bördeln oder Umformen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar. Dabei sind insbesondere bei der Umformung, bei dem das Formwerkzeug mit Schwingungen überlagert ist, geringere Formkräfte notwendig, da eine ständige Verformung aufgrund der Erwärmung durch die Schwingungen vorgenommen wird, so daß sich der Formänderungswiderstand verringert. Auch die Spannungsspitzen werden abgebaut.
Als Schwingungserzeuger wurde in vorteilhafter Ausgestaltung der Wechselstrom-Hydrid-Hydraulikschwingungserzeuger beschrieben.
Für die Schwingungserzeugung kann aber auch eine pneumatische Vorrichtung in entsprechender Weise vorgesehen sein oder es können sich drehende Antriebe mit mechanischen Umlenkungen vorgesehen sein, die insbesondere für niedrigere Frequenzen einsetzbar sind.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Plastifizieren und/oder Verflüssigen von Werkstoffen mit thermoplastischen Eigenschaften mittels mechanischer Schwingungen, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Werkstoffe mit mechanischen Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 15 Hz bis 12 kHz und einer Amplitude zwischen 0 und mehreren Millimetern beaufschlagt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verbinden mindestens zweier Bauteile mittels Leim mit thermoplastischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß der Leim auf die Verbindungsstelle aufgebracht wird und die Verbindungsstelle mit den Schwingungen beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil ein ein Verbindungsteil aufweisendes Element, beispielsweise ein Dübel ist, das in einer Ausnehmung des anderen Bauteils aufgenommen ist, daß ein Stück Hartleim mit thermoplastischen Eigenschaften in die Ausnehmung gebracht wird und daß das Verbindungsteil aufweisende Element unter Beaufschlagung der mechanischen Schwingungen in die Ausnehmung eingedrückt und nach Verflüssigung des Leimstückes bis zum An-und Abbinden des Leimes in die Ausnehmung gepreßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil ein ein Verbindungsteil aufweisendes Element, beispielsweise ein Dübel ist, das in einer Ausnehmung des anderen Bauteils aufgenommen wird, daß ein Stück Hartleim auf der Basis von thermoplastischen Kunststoffen in die Ausnehmung eingebracht wird und daß die Schwingungen auf die Gesamtheit der zu verleimenden Bauteile aufgebracht wird, wobei das das Verbindungsteil aufweisende Element in die Ausnehmung eingedrückt wird und nach Verflüssigung der Leimpastille bis zum An- oder Abbinden des Leimes in die Ausnehmung gepreßt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente aus Holz bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des das Verbindungsteil bildenden Dübels und ein Stück Hartleim vor dem Verleimvorgang kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden und beim Verleimvorgang zusammen in die Ausnehmung eingesteckt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile, von denen mindestens ein Bauteil thermoplastische Eigenschaften aufweist, durch Schwingungsbeaufschlagung und anschließendem Zusammenhalten miteinander dauerhaft verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil ein ein Verbindungsteil aufweisendes Element, beispielsweise ein Dübel und das mindestens eine Bauteil mit thermoplastischen Eigenschaften ein Holzfaserelement mit Bindemitteln auf thermoplastischer Basis sind.
9 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für die zerstörungsfreie Trennung von miteinander verbundenen Bauelementen angewandt wird, wobei mindestens ein Bauelement thermoplastische Eigenschaften aufweist oder die dauerhafte Verbindung mittels Leim mit thermoplastischen Eigenschaften erfolgt ist und wobei die Schwingungen punktuell an den Verbindungsstellen oder auf die Gesamtheit der Bauelemente aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für die spanlose Verformung oder Fügevorgänge, wie Schweißen, Nieten, Bördeln oder dergleichen, angewandt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeugung hydraulisch erfolgt, wobei ein Arbeitskolben (8) mit einem Steuerventil (10) verbunden ist, das nach dem Drehschieberprinzip arbeitet und einen kontinuierlichen Hydraulikversorgungsstrom (12) in mindestens einen impulsförmigen Hydraulikstrom umwandelt und das von einem Elektro-, Hydraulik- oder Pneumatik-Steuermotor (11) antreibbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Amplitude und Frequenz der vom Arbeitskolben (8) ausgeführten Schwingungen über das Steuerventil (10) und den Steuermotor (11) stufenlos regelbar sind.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwingungen durch sich drehende Antriebe mit mechanischer Umlenkung erzeugbar sind.