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Kalt bestrahlt und doch geschmolzen

Mit Mikrowellen Kunststoffteile schweißen
Kalt bestrahlt und doch geschmolzen

Das Schweißen von Kunststoffteilen mit Hilfe von Mikrowellen ergänzt Verfahren wie das Heizelement-Stumpf- und Muffenschweißen sowie das berührungslose Schweißen mittels IR-Strahlung.

Mikrowellen wärmen nicht nur kalte Suppe auf. Mit Hilfe durchdachter Anlagentechnik auf den richtigen Punkt fokussiert, eignen sie sich für das berührungslose Schweißen von Teilen wie Rohren oder Kabelkanälen aus Kunststoff im Anlagen- und Automobilbau. Martin Dommer, Leiter der Entwicklung der Widos W. Dommer & Söhne GmbH in Ditzingen, nennt die wichtigsten Vorteile: „Die Anlage arbeitet mit kalten Heizelementen, und das sorgt für eine sehr hohe Arbeitssicherheit.“ Damit sei die Technik auch in sicherheitstechnisch kritischen Bereichen einsetzbar. Er ergänzt: „Die Anwärmzeiten sind sehr kurz, weil das Material volumetrisch aufgeheizt wird und nicht auf Wärmeleitung angewiesen ist.“

Ein wichtiger wirtschaftlicher Vorteil im Vergleich zum Schweißen mit Standardverfahren und infraroter Strahlung liegt im niedrigeren Energieverbrauch. Die Energiequelle muss nur in der Zeit eingeschaltet sein, in der die Leistung auch tatsächlich benötigt wird. Bei einem Durchmesser des zu schweißenden Rohres von 32 mm sind das rund 30 s. Im Vergleich dazu muss beim IR-Schweißen das Heizelement vom Beginn an bis zum Ende der Arbeit ständig eingeschaltet sein. Vom Einschalten bis zum Erreichen der Solltemperatur vergehen dabei schon 10 min. Erst danach können die Schweißzyklen beginnen. Ein Zyklus umfasst rund 40 s Anwärm- und 2 min Kühlzeit. Die ganze Zeit über heizt die Anlage und verbraucht elektrische Energie. Das Mikrowellenschweißen kommt mit weniger als 10 % dieser Energie aus.
Der Einsatz kalter Heizelemente erleichtert auch die Prozessüberwachung. Die Temperatur der Schmelze lässt sich direkt berührungslos messen, Heizelemente können die so ermittelte Temperatur nicht verfälschen. Die exakte Temperaturmessung ist wichtig, weil auf der Grundlage dieser Werte die Energiezufuhr über die Mikrowellen geregelt wird. Außerdem gibt die Temperatur Auskunft darüber, ob die Schmelzentiefe für den Schweißvorgang ausreicht.
Zum Schweißen mit Mikrowellen verwendet Widos das Schweißgerät Modell 1500 CNC mit speziellen Modifikationen zur Aufnahme des Mikrowellenstrahlers. Vor dem eigentlichen Fügevorgang fixieren Spannwerkzeuge die zu verbindenden. Der Planhobel wird programmgesteuert eingefahren und hobelt die Rohrenden auf das richtige Maß ab. Der Mikrowellenstrahler fährt ebenfalls programmgesteuert auf präzisen Führungen zwischen die Rohrenden ein und wird hier in Position gehalten. Über spezielle Antennen gelangt von hier die Strahlung auf die Rohrenden und erwärmt sie auf die eingestellte Solltemperatur. Wenn die erreicht ist, fährt der Strahler aus und die aufgeschmolzenen Stirnflächen werden gefügt. Ein Kraftsensor und ein Elektroantrieb sorgen für die Regelung der Fügekraft. Durch spezielle Antennengeometrien kann das Mikrowellen-Feld gezielt ausgeformt werden. „Auf diese Weise können wir die Wulstbildung steuern“, erläutert Dommer einen weiteren Vorteil.
Die Grenzen des Mikrowellenschweißens werden laut Dommer derzeit allein durch die Antennengeometrie und verwendete Leistung bestimmt. Zur Zeit laufen Schweißversuche mit Rohren im Bereich von 63 mm Außendurchmesser. Eine weitere Grenze liefert der chemische Aufbau der zu schweißenden Kunststoffe. Gegenwärtig lassen sich ungefüllte Kunststoffe mit der Technik nur verschweißen, wenn sie über polare Atombindungen verfügen. Anwendungen mit unpolar aufgebauten aber modifizierten Kunststoffen sowie mit gefüllten Varianten sind in der Testphase. ws
Vorteile auf einen Blick: Mikrowellenschweißen ergänzt Fügeverfahren
– Kalte Heizelemente, hohe Arbeitssicherheit
– Exakte, berührungslose Schmelztemperaturmessung
– Kurze Anwärmzeiten
– Niedriger Energieverbrauch
– Wulstbildung gezielt einstellbar
– Erweiterter Einsatzbereich
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