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Im Vergleich zum Ultraschallschweißen und Vibrationsschweißen hat das Heizplattenschweißen zwei große Vorteile: Es können große Teile und gebogene Teile geschweißt werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Best Tool and Engineering Co.

Die TH3-Plattform kann für Infrarotschweißen, Heizplattenschweißen oder Heißgasschweißen ausgestattet werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Dukane

Aufgrund der Menge des geschmolzenen Materials entstehen beim Heizplattenschweißen starke, hermetisch dichte Verbindungen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Sonimat

In der Automobilindustrie wird das Heizplattenschweißen zur Montage von Scheinwerfern, Rücklichtern, Leitungen, Verteilern, Batterien, Kraftstofftanks, Filtergehäusen sowie Kühlmittel- und Flüssigkeitsbehältern eingesetzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Bielomatik

Die Servosteuerung ermöglicht Ingenieuren eine präzise Kontrolle über Schweißkraft, Geschwindigkeit und Verschiebung. Es kann auch Fehler erkennen, beispielsweise ein verzogenes Teil oder ein falsch geladenes Teil. Foto mit freundlicher Genehmigung von Totally Automated Systems

Beim Heizelementschweißen können die Vorrichtungen vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. An der Rückseite einer oder beider Vorrichtungen kann ein Vakuumanschluss installiert werden, um die Teile an Ort und Stelle zu halten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Forward Technology

Das Heizelementschweißen ist eine der einfachsten und vielseitigsten Methoden zum Verbinden zweier Kunststoffteile. Die Technologie kann kleine oder große Teile, flache oder konturierte Teile schweißen. Es kann jeweils eine Baugruppe oder mehrere Baugruppen gleichzeitig geschweißt werden. In vielen Fällen funktioniert das Heizelementschweißen, während andere Fügeverfahren wie Ultraschallschweißen und Vibrationsschweißen nicht funktionieren.

In der Automobilindustrie wird die Technologie zur Montage von Scheinwerfern, Rücklichtern, Leitungen, Verteilern, Batterien, Kraftstofftanks, Filtergehäusen sowie Kühlmittel- und Flüssigkeitsbehältern eingesetzt. Gerätehersteller nutzen das Heizplattenschweißen zur Montage von Sprüharmen für Geschirrspüler; Rührwerke und Ausgleichsringe für Waschmaschinen; Bürsten für Staubsauger; und Behälter für Dampfbügeleisen. In der Beschlagindustrie wird die Technologie zum Schweißen von Fenster- und Türrahmen eingesetzt. Hersteller medizinischer Geräte verwenden das Heizplattenschweißen, um Behälter für scharfe Gegenstände und Fußmassagegeräte zusammenzubauen. Die Technik wird sogar zur Herstellung großer Baugruppen wie Fässer, Paletten und Kisten eingesetzt.

Das Heizplattenschweißen ist ein sechsstufiger Prozess. Zunächst werden die beiden Hälften der Baugruppe in maßgeschneiderte Vorrichtungen geladen. Die Beladung erfolgt in der Regel manuell, könnte aber auch mit einem Sechs-Achs-Roboter erfolgen. Die Leuchten können vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. An der Rückseite einer oder beider Vorrichtungen kann ein Vakuumanschluss installiert werden, um die Teile an Ort und Stelle zu halten. Bei Belastung ragt nur ein kleiner Teil jedes Teils aus der Vorrichtung heraus.

Die Ausrichtung der Vorrichtungen hängt von der Anwendung ab. Häufig werden vertikale Vorrichtungen bevorzugt, da sie für den Bediener einfacher zu beladen sind. Bei horizontalen Vorrichtungen kann es für Bediener schwierig sein, die obere Hälfte der Vorrichtung zu sehen und daher zu belasten. Scheinwerfer- und Rücklichtbaugruppen werden typischerweise in vertikalen Halterungen ausgeführt.

Andererseits eignen sich horizontale Halterungen am besten, wenn die Baugruppe über interne Komponenten verfügt. Auf diese Weise können Komponenten in die untere Hälfte der Baugruppe eingesetzt werden, ohne dass ein Herausfallen der Teile befürchtet werden muss. Horizontale Befestigungen eignen sich auch besser für lange, flexible Teile, wie zum Beispiel die Leitungen eines Armaturenbretts in einem Auto.

Die Vorrichtungen sind mit Linearschlitten verbunden, die von Pneumatikzylindern, Hydraulikzylindern oder servoangetriebenen Kugelumlaufspindeln angetrieben werden. Letzteres ermöglicht Ingenieuren die präzise Steuerung von Schweißkraft, -geschwindigkeit und -weg. Es kann auch Fehler erkennen, beispielsweise ein verzogenes Teil oder ein falsch geladenes Teil.

Wenn die Maschine betätigt wird, bewegt sich eine beheizte Aufspannplatte zwischen den beiden Vorrichtungen. Anschließend drücken die Vorrichtungen die Teile für eine bestimmte Zeit gegen die Aufspannplatte, bis ein kleiner Teil des Kunststoffs am Rand jedes Teils schmilzt. In die Vorrichtungen und die Aufspannplatte integrierte mechanische Anschläge verhindern, dass zu viel Material geschmolzen wird. (Die Servosteuerung macht harte Stopps überflüssig.)

Sobald der Kunststoff geschmolzen ist, bewegen sich die Vorrichtungen auseinander, die Aufspannplatte wird zurückgezogen und die Vorrichtungen bewegen sich wieder aufeinander zu. Die Teile werden zusammengepresst und für eine bestimmte Zeit gehalten, sodass die geschmolzenen Kanten beim Abkühlen des Kunststoffs verschmelzen. Abschließend werden die Vorrichtungen wieder getrennt und die Baugruppe entladen.

Insgesamt liegt die Zykluszeit beim Heizplattenschweißen zwischen 10 Sekunden und fast einer Minute.

Die Platte ist ein flaches Stück Aluminium, P20-Formstahl oder Aluminiumbronze mit einer Dicke von etwa 1 Zoll. Die Länge und Breite der Walze reicht von 10 x 15 Zoll bis 72 x 24 Zoll. Für die Wärme sorgen elektrische Kartuschen im Inneren der Heizplatte. Abhängig von der Maschine und der Größe der Aufspannplatte können Ingenieure die Temperatur in einzelnen Zonen steuern, sodass einige Teile der Baugruppe mehr Wärme abbekommen, während andere weniger abbekommen.

Aluminium ist für Niedertemperaturanwendungen vorgesehen; Stahl ist für Hochtemperaturanwendungen vorgesehen. Aluminiumbronze gewinnt die Wärme etwas schneller zurück als Stahl und wird daher häufig für Anwendungen mit hohem Volumen bevorzugt.

Um konturierte Teile zu schweißen, werden an jeder Seite der Aufspannplatte Blöcke aus Aluminium oder Stahl angebracht, die so bearbeitet sind, dass sie der Form der Teile entsprechen. Um ein Anhaften des geschmolzenen Kunststoffs zu verhindern, wird häufig eine Antihaftbeschichtung wie Teflon oder Chrom auf das Werkzeug aufgebracht. Der Schlüssel zum Schweißen konturierter Teile besteht darin, die Temperatur vom tiefsten bis zum höchsten Punkt des Blocks gleich zu halten.

Die Parameter des Heizplattenschweißprozesses – Plattentemperatur, Heizzeit, Übergangszeit, Fügedruck und Haltezeit – variieren je nach Größe, Form und Zusammensetzung der Teile.

Die Plattentemperatur liegt zwischen 150 und 650 F. Bei berührungslosen Anwendungen – bei denen die Teile nahe an die Platte gehalten werden, ohne sie zu berühren – kann die Plattentemperatur bis zu 1.000 F betragen. Die kontaktlose Erwärmung ist Materialien vorbehalten, die kleben bleiben oder verbrennen, wenn sie beschädigt werden Berühren Sie die Walze. Da die Wärmeübertragung bei berührungslosen Vorgängen jedoch weniger effizient ist, erhöht sich die Zykluszeit.

Die Aufheizzeit variiert erheblich von Anwendung zu Anwendung und liegt zwischen 1,5 Sekunden und 20 Sekunden. Amorphe Materialien schmelzen schneller als technische Polymere.

Der auf die erhitzten Teile ausgeübte Druck ist minimal und liegt zwischen 14 und 150 psi. Der Druck und die Verschiebung bzw. wie weit die Teile ineinander gedrückt werden, müssen sorgfältig kontrolliert werden, um zu vermeiden, dass zu viel geschmolzener Kunststoff aus der Verbindung herausgedrückt wird und dadurch die Schweißnaht geschwächt wird.

Unter Übergangszeit versteht man die Zeit von der Entnahme der Teile von der Aufspannplatte bis zum Zusammenschieben. Diese muss so kurz wie möglich gehalten werden, damit der Kunststoff für den Fügeprozess geschmolzen bleibt. Die Haltezeit beträgt typischerweise einige Sekunden.

Um den Durchsatz zu erhöhen, können mehrere Baugruppen gleichzeitig geschweißt werden. Beispielsweise werden Rückleuchten oft zu zweit zusammengebaut. Die Lichter auf der rechten und linken Seite werden gleichzeitig hergestellt, oder häufiger werden zwei Lichter auf der rechten Seite in einer Maschine und zwei Lichter auf der linken Seite in einer anderen Maschine hergestellt.

Die neuesten computergesteuerten Schweißgeräte können eine Vielzahl von Daten zur Rückverfolgbarkeit und Qualitätskontrolle sammeln. Sie können auch Parametereinstellungen im Speicher speichern, um Umstellungen zu vereinfachen.

Im Vergleich zum Ultraschallschweißen und Vibrationsschweißen hat das Heizplattenschweißen zwei große Vorteile: Es können große Teile und gebogene Teile geschweißt werden. Und aufgrund der Menge des geschmolzenen Materials entstehen beim Heizplattenschweißen starke, hermetisch dichte Verbindungen. Das Heizplattenschweißen kann an hohen, dünnen, nicht unterstützten Innenwänden eingesetzt werden und verzeiht Abweichungen bei den Formteilen sehr gut.

In vielen Fällen kann das Heizplattenschweißen Kunststoffe verbinden, was mit anderen Verfahren nicht möglich ist. Beispielsweise lässt sich Polypropylen nur schwer mit dem Ultraschallschweißen verbinden, da der weiche Kunststoff die hochfrequenten Schwingungen wie ein Schwamm aufnimmt. Beim Heizplattenschweißen, bei dem die Wärmeerzeugung nicht auf Reibung beruht, lässt sich Polypropylen problemlos verschweißen.

Andererseits ist das Heizplattenschweißen langsamer als das Ultraschallschweißen und das Vibrationsschweißen. Und bei einigen Materialien kann das Anhaften von geschmolzenem Kunststoff am Werkzeug ein Problem darstellen.

Die meisten thermoplastischen Materialien können durch Heizelementschweißen verbunden werden. Die Technik funktioniert mit Acryl-Styrol-Acrylnitril, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Polyamid, Polybutylenterephthalat (PBT), Polycarbonat, Polyethylen, Polyethylenterephthalat (PET), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polypropylen, Polystyrol, Polysulfon, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid und thermoplastisches Elastomer. Einige Materialien, wie beispielsweise das Polyamid Durethan der Lanxess AG, wurden speziell für den Einsatz beim Heizelementschweißen entwickelt.

Das Heizplattenschweißen funktioniert auch gut mit vielen Kunststoffmischungen, wie zum Beispiel PMMA mit ABS; PMMA mit PVC; PMMA mit Polystyrol; Polycarbonat mit PBT; und Polycarbonat mit PET. Andere Mischungen wie PVC mit ABS oder hochdichtes Polyethylen mit Polypropylen sind weniger förderlich.

Unterschiedliche Materialien mit ähnlichen Schmelzpunkten und Schmelzviskositäten können geschweißt werden, wenn sie chemisch kompatibel sind. Durch das Heizplattenschweißen kann beispielsweise ABS mit Polycarbonat, PMMA oder Styrol-Acrylnitril verbunden werden.

Dem Kunststoff können Füllstoffe wie Glas oder Talk zugesetzt werden, sofern die Konzentration unter 30 Prozent bleibt. Da Füllmaterialien jedoch nicht schmelzen oder sich nicht gleichmäßig in der Schweißnaht verteilen, wird die Festigkeit der Verbindung verringert. Amorphe Thermoplaste, die Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft absorbieren, könnten einen so hohen Wassergehalt haben, dass sich während der Erwärmungs- und Verbindungsphase Blasen bilden, die die Festigkeit der Schweißnaht verringern können.

Eine Stoßverbindung, entweder gerade oder mit Flansch, ist die am häufigsten durch Heizplattenschweißen hergestellte Verbindung. Normalerweise entsteht Grat im Bereich der Schweißnaht. Es können jedoch Blitzfallen in die Teile eingebaut werden, um die Verbindung zu verbergen.

Beim Heizelementschweißen können die Vorrichtungen vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. An der Rückseite einer oder beider Vorrichtungen kann ein Vakuumanschluss installiert werden, um die Teile an Ort und Stelle zu halten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Forward Technology

Bei der Konstruktion von Teilen für das Heizplattenschweißen sollten Ingenieure bedenken, dass ein kleiner Teil jedes Teils durch die Schweißung verbraucht wird. Bei typischen Flachverbindungen schmilzt während der ersten Aufheizphase von jedem Teil etwa 0,015 Zoll Kunststoff. Weitere 0,015 Zoll Material gehen verloren, wenn die Teile zusammengeschoben werden, um die Schweißnaht zu bilden. Wenn die Endbaugruppe also eine bestimmte Höhe haben muss, müssen die Ingenieure jedem Teil 0,03 Zoll Material hinzufügen.

Wenn die Baugruppe unter Druck steht, möchten Ingenieure möglicherweise die Dicke des Teils in der Nähe der Verbindung erhöhen. Als Faustregel gilt, dass die Fugendicke das 1,5-fache der Nennwanddicke betragen sollte. Wenn beispielsweise die Wände eines Scheibenwaschflüssigkeitsbehälters 0,1 Zoll dick sind, sollte die Breite der Fuge mindestens 0,15 Zoll betragen.

Wie bei jedem Montageprojekt sind Ingenieure gut beraten, sich frühzeitig im Entwurfsprozess an ihre Ausrüstungs- und Materiallieferanten zu wenden.