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FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.708
Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler
Dr.-Ing. Heinz Peukert
Dipl.-Ing. Josef Zöhren
Institut für Kunststoffverarbeitung
an der Technischen Hochschule Aachen
Die Schweißbarkeit weicher Kunststoff-Schaumstoffe
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1959
ISBN 978-3-663-03471-1 ISBN 978-3-663-04660-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04660-8
G 1 i e der u n g
1. Die Werkstoffgruppe der Schaumstoffe. · · · · s. 5
1.1 Definition und Einteilung · · · · S. 5
1.2 Herstellverfahren und Struktur · · · · S. 5
1.3 Verwendung. · · · · · · · · s. 6
2. Schweißverfahren für weiche Schaumstoffe · S. 6
2.1 Heißgasschweißen · · · · S. 7
2.2 Heizelementschweißen · s. 7
2.3 Hochfrequenzschweißen S. 7
2·4 Reibungsschweißen · · · · · · · · · · · · · S. 8
3. Untersuchung der Schweißbarkeit weicher Schaumstoffe · S. 8
3.1 Versuchsmaterial, l'lahtformen, Kenngrößen · · · · · · S. 8
3.2 Heizelementschweißen weicher Schaumstoffe S. 9
3.21 Versuchsaufbau · · · · s. 9
3.22 Versuchs durchführung S. 12
3.23 Versuchsauswertung S. 14
3.3 Hochfrequenzschweißen weicher Schaumstoffe S. 21
3.31 Versuchsaufbau · · · · · · · · S. 21
3.32 Versuchsdurchführung S. 23
3.33 Versuchsauswertung S. 24
. .
4. Zusammenfassung · · · · · · · · · · · · · · · · · · S. 31
. .
5. Literaturverzeichnis · · · · · · · · · · · · · · · · · · s. 33
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1. Die Werkstoffgruppe der Schaumstoffe
Im Rahmen der fortschreitenden Entwicklung auf dem Kunststoffgebiet
gewinnt besonders die Werkstoffgruppe der Schaumstoffe zusehends an
Bedeutung. Ihre weiten Anwendungsmöglichkeiten gründen sich auf den
Mangel an natürlichen Leichtstoffen und vor allem auf die große
Varia~
tiorismöglichkeit ihrer Eigenschaften wie z.B. des spezifischen Gewich
tes und des Isolationsvermögens gegenüber Wärme, Kälte und Schall. Durch
die Vielfalt der Aufbaumöglichkeiten der Kunststoffe werden Schaum
stoffe der verschiedensten Eigenschaften erhalten.
1.1 Definition und Einteilung
Nach DIN-Entwurf 7726 vom November 1956 sind Schaumstoffe künstliche,
auf Kautschuk- oder Kunststoffbasis hergestellte, spezifisch leichte
Werkstoffe mit zelliger Struktur. Entsprechend dem Ausgangsmaterial und
dem Herstellverfahren erhält man harte oder weich-elastische Schaum
stoffe unterschiedlicher Zellenstruktur - offen- oder geschlossen
zellig - und Zellenanordnung.
Zur Einteilung der Schaumstoffe sind verschiedene mehr oder weniger
gute Schemen vorgeschlagen worden. Bedingt durch die Vielzahl und Ver
schiedenartigkeit der Endprodukte wird es kaum möglich sein, ein ein
deutiges, unter jeder Betrachtungsweise sinnvolles Einteilungsprinzip
zu finden.
1.2 Herstellverfahren und Struktur
Die Verfahren zur Herstellung der Schaumstoffe lassen sich auf vier
Grundtypen zurückführen [1,2]
Das Schaumschlagverfahren, das älteste Herstellverfahren, beruht darauf,
daß ein Reaktionsgemisch mechanisch durch schhellaufende Rührwerke mit
Luft vermischt und durch bestimmte Zusätze verfestigt wird.
Beim Druckgasverfahren wird unter entsprechendem Druck in die Grund
masse ein Gas eingebracht. Die Aufhebung des Druckes läßt die mit Gas
übersättigte Masse expandieren und führt zur Bildung des Schaumstoffes.
Die Blasenbildung erfolgt beim Treibmittelverfahren auf Grund einer
chemischen, gasbildenden Reaktion durch ein beigegebenes Treibmittel.
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Beim Misch- oder Kaltgießverfahren werden die Reaktionskomponenten bei
niedriger Temperatur vermischt und unter Vernetzung die Zellenstruktur
gebildet.
Die jeweilige Schäumungsmethode ist ausschlaggebend für die Zellen
struktur und die technologischen Eigenschaften des Materials [3,4J.
Grundsätzlich werden zwei Schaumstrukturen unterschieden, der unechte
(geschlossene Poren) und der echte oder Lamellenschaum (offene Poren
und Kapillare). Die Vor- und Nachteile sowie die unterschiedlichen
technologischen Eigenschaften dieser beiden Schaumarten sollen in die
sem Rahmen nicht näher erläutert werden. Erwähnt sei nur der grundsätz
liche Unterschied in den Wärmeleitzahlen, dem Materialverbrauch bei der
Herstellung und der Diffusionsdichtigkeit gegenüber Flüssigkeiten.
1.3 Verwendung
Bedingt durch die Vielzahl der Ausgangsprodukte und die unterschied
liche Einstellmöglichkeit der Endprodukte haben sich den Schaumstoffen
weite und vielseitige Anwendungsgebiete eröffnet. Als synthetische
Leichtstoffe werden sie im Bauwesen und in der modernen Konstruktions
technik vielfach eingesetzt und haben zur Wärme-, Kälte- und Schall
isolierung reges Interesse gefunden. Weiterhin werden sie mit Erfolg
in der Medizin, als Polstermaterial und Schwimmkörper verwendet. Diese
wenigen Beispiele sollen nur einen Einblick in die Einsatzmöglichkeiten
der Schaumstoffe vermitteln. Die Entwicklung auf diesem Gebiete ist
noch nicht abgeschlossen, und die wirtschaftliche Bedeutung dieser
Werkstoffe nimmt immer mehr zu.
2. Schweißverfahren für weiche Schaumstoffe
Als werkstoffgerechtes Verbindungsverfahren für die weichen Schaum
stoffe ist neben dem Kleben vor allem das Schweißen von Bedeutung. Die
beiden Hauptvertreter dieser Werkstoffgruppe sind auf PVC- und Polyu
rethan-Basis aufgebaut. Ihre Verbindungsmöglichkeit durch Schweißen
wird im folgenden behandelt.
Unter Kunststoffschweißen versteht man das Verbinden zweier artgleicher
thermoplastischer Werkstoffe unter Wärme- und Druckeinwirkung (DIN 1910).
Die Vereinigung vollzieht sich nicht wie bei der Metallschweißung im
Schmelzfluß, sondern innerhalb einer plastischen Grenzschicht. Auf Grund
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ihres thermischen Verhaltens werden die Makromoleküle im thermoplasti
schen Materialzustand frei beweglich und verketten sich gefördert durch
Druckeinwirkung. Die Verbindung ist erst dann voll beanspruchbar, wenn
die Nahtzone durch Auskühlung ihre Formbeständigkeit erlangt hat. Die
zur Kunststoffschweißung verwandten Verfahren werden eingeteilt nach
der unterschiedlichen Art der Erwärmung der Verbindungsflächen in:
2.1 Heißgasschweißen
2.2 Heizelementschweißen
2.3 Hochfrequenzschweißen
2.4 Reibungsschweißen.
2.1 Heißgasschweißen
Bei diesem Verfahren werden die Verbindungsflächen durch erhitzte Gase
in den thermoplastischen Zustand überführt und unter Druck verschweißt.
Der Heißgasschweißung wurde besondere Aufmerksamkeit gewidmet, weil in
fast allen Kunststoffverarbeitungswerkstätten Handschweißgeräte vor
handen sind. Versuchsschweißungen wurden sowohl von Hand als auch mit
dem beim Heizkeilverfahren näher beschriebenen maschinellen Vorschub
gerät durchgeführt. Trotz umfangreicher Variation der Schweißgrößen
Druck, Temperatur, Zeit und vor allem der Düsenformen konnte nur ein
an Verschweißen grenzendes Heften der Materialien erzielt werden. Die
Versuche wurden als wenig sinnvoll aufgegeben.
2.2 Heizelementschweißen
Die Wärmeübertragung erfolgt durch ein beheiztes Schweißelement. Die
Berührungsflächen werden auf Schweißtemperatur gebracht und unter Druck
zusammengefügt. Die Schweißung kann von Hand oder maschinell durchge
führt werden. Entsprechend der Ausbildung und Einstellung des Heizele
mentes ergeben- sich verschiedene Nahtformen. Über die eingehenden
Untersuchungen wird weiter unten berichtet.
2.3 Hochfrequenzschweißen
Die Hochfrequenz-Schweißung beruht auf einer kapazitiven Erwärmung der
Kunststoffe. Im Prinzip besteht die Hochfrequenz-Maschine aus einem
Röhrengenerator für einen hochfrequenten Wechselstrom und einem Konden
sator. Bringt man zwischen die Kondensatorplatten, die als Schweiß-
Sei te 7
elektroden ausgebildet sind, ein Dielektrikum, z.B. Schaumstoff, so
addiert sich zu dem reinen Kapazitätsstrom I ein Verluststrom IR in
C
Phase mit der Spannung U. Der Verluststrom IR bewirkt die Erwärmung
des Dielektrikums. Zur Kennzeichnung der Verluste dient der Verlust-
IR
winkel tg 5 = y- , der somit ein Maß für die Erwärmung und damit für
C
die Schweißbarkeit des Materials ist. Nach entsprechender Erwärmung der
Verbindungsflächen erfolgt die Schweißung unter Druck.
2.4 Reibungsschweißen
Dieses Verfahren, bei dem die Schweißtemperatur durch Reibungswärme
(Rotationskörper) erzeugt wird, ist für weiche Schaumstoffe nlcht an
wendbar.
3. Untersuchung der Schweißbarkeit weicher Schaumstoffe
3.1 Versuchsmaterial, Nahtformen, Kenngrößen
Für die Untersuchungen standen Schaumstoffe auf der Grundlage von Poly
vinylchlorid und Polyurethan zur Verfügung. Die Versuche erstrecken
sich auf die Schweißmöglichkeit des Materials mit sich selbst und mit
Weich-PVC-Folie. Die nachfolgende Tabelle 1 gibt eine Zusammenstellung
des untersuchten Schaummaterials.
Tab e I I e 1
Grundstoff Randelsname Raumgewicht in kg/m3
Polyvinylchlorid Lynizell 2007 70 - 80
+ Weichmacher 11 2010 110 - 120
11 2030 130 - 140
1P0lyester Moltopren 35
f+- Diisocyanat " 50
" 60
Als Weich-PVC-Folie wurde eine 0,2 - 0,3 mm starke Vestolit-Folie
%
(30 Vestinol AR sp) verwendet
Entsprechend den verschiedenen Schweißverfahren werden Stumpf- oder
Überlapptnähte hergestellt. Die Nahtformen sind aus Abbildung 1 ersichtlic
Sei te 8
t t t
~ Mat.rial
I
Sr;hweiflzpne
A.: Stumplnaht
,
c.
c.: Überlapplnahl
A b b i I dun g
Nahtformen
Aus dem geschweißten Material werden Proben entnommen und die Zerreiß
festigkeit ermittelt. Bei der Stumpfnaht CA) wird die Schweißzone auf
Zugfestigkeit beansprucht. Bei der Überlapptnaht kann eine Prüfung auf
Zugscherfestigkeit CB) oder auf Spaltfestigkeit Ce) durchgeführt wer
den. Im folgenden wird die Nahtform e als Spaltnaht bezeichnet, ledig
lich die auf Zugsche~festigkeit beanspruchte Naht führt die Bezeichnung
Überlapptnaht.
Als Kenngröße für die Schweißnahtgüte wird ein Schweißfaktor wie folgt
definiert:
Schweißnahtfestigkeit
Schweißfaktor
Schaummaterialfestigkeit
Er erlaubt sowohl einen Vergleich der Schweißbarkeit der verschiedenen
Materialtypen als auch der verschiedenen Verfahren und der mit ihnen
erzielten Festigkeitswerte.
Nachfolgend kennzeichnet u den Schweißfaktor der Spaltnaht, v den der
Überlapptnaht und w den der Stumpfnaht.
3.2 Heizelementschweißen weicher Schaumstoffe
3.21 Versuchsaufbau
Bei der Heizelementschweißung wird ein entsprechend der gewünschten
Nahtform ausgebildeter, beheizbarer Keil zwischen die Verbindungsflächen
Sei te 9
des Materials gebracht. Die Temperatur wird elektrisch durch eine im
Heizelement eingebaute Widerstandswicklung erzeugt und gelangt durch
Wärmeleitung in die Keilspitze und damit zum Werkstoff. Die Schweiß
apparatur wird über ein in die Keilspitze eingebautes Thermoelement
gemessen und über einen vorgeschalteten Schiebetransformator geregelt.
Eine hinter dem Schweißkeil angeordnete Rolle drückt die Flächen nach
der Erwärmung zusammen. Der Anpreßdruck wird durch aufzulegende Ge
wichte verändert.
Für die Versuche ergab sich die Möglichkeit, entweder mit bewegtem
Heizkeil und feststehendem Material oder umgekehrt zu arbeiten. Ent
sprechend früheren Schweißversuchen an anderen Kunststoffen [5,6J wurde
das Heizelement und die DruckvorTichtung an einem Schneidbrennerwagen
der Firma Knapsack-Griesheim AG., Frankfurt/M., befestigt. Diese An
ordnung wurde beibehalten, weil durch die stufenlose Geschwindigkeits
regelung des Schweißwagens in den Grenzen von 0 - 500 mm/min eine
exakte Ermittlung der optimalen Schweißzeit bzw. -geschwindigkeit mög
lich war. Abbildung 2 bringt eine schematische Darstellung der Versuchs
apparatur.
Thermoelemen t
mV .... )/r .. Material
Hej~.~:~~~;;';!~~
-
Schweißrichtung
Schweiflwagen
Y· 0"<500 mnymin
----Regeltransforma tor
-110 V
~-----+----------
A b b i 1 dun g 2
Heizelementschweißung (Schemaskizze)
Je nach Halterung und Ausbildung des Heizkeiles wurden mit dieser Ver
suchsapparatur tlberlappt- oder Stumpfnähte hergestellt. Eine Gesamt
ansicht und Ausschnitte der Versuchseinrichtung zeigen die Abbildun
gen 3 und 4.
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A b b i 1 dun g 3
Gesamtansicht der Versuchseinrichtung
Druckrolle
Schoum$tofl
Thermoelement
Thermoelement
a) Überlapptnaht b) Stumpfnaht
A b b i 1 dun g 4
Heizelementschweißen (Schemaskizze)
Das Arbeitsprinzip des feststehenden Heizkeiles ist in der Schweißma
schine der Firma G.M. Pfaff A.G., Kaiserslautern, verwirklicht. In Ab
bildung 5 ist die Versuchsmaschine und schematisch der Schweißvorgang
dargestellt.
Die Verbindungsflächen des Materials werden über den eingeschwenkten,
beheizten Keil geführt und plastifiziert. Hinter dem Heizkeil wird das
Material von den beiden über einen Motor angetriebenen Rollen zusammen
gedrückt und weitertransportiert.
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