Das Heizelementschweißen gehört in der Fertigung von Halbzeugen und Formteilen aus Kunststoffen zu den wichtigsten Fügetechniken. Es erfordert schnelle und exakte Bewegungen des Heizelements und der Werkzeuge. Elektromechanische Hubzylinder mit Kugelgewindetrieb machen es möglich.

Elektromechanische Hubzylinder von Rexroth ermöglichen hohe Vorschubgeschwindigkeiten auch bei großen Lasten. In Kombination von Kraft und Geschwindigkeit bieten sie mit allen Vorteilen der elektrischen Antriebstechnik zudem die Flexibilität beim exakten Anfahren verschiedener Positionen mit hoher Wiederholgenauigkeit.

Konstruktiv basiert der Aufbau des EMC auf einem Aluminiumprofil, in das ein präzisionsgerollter Kugelgewindetrieb integriert ist. Das Profil entspricht der ISO-Norm 15552 und verfügt bereits über Sensornuten. Die präzise gefertigten Kugelgewindetriebe der Toleranzklasse T7 erhöhen die Wiederholgenauigkeit im 1/100-mm-Bereich. Das Festlager im Boden, ein kräftiges Axialschrägkugellager, nutzt die hohe Tragzahl der Kugelgewindetriebe maximal aus. Damit werden Vorschubkräfte bis zu 21 kN erreicht.

Gebotene Eile beim Bewegen
Die integrierte Gleitführung im Inneren des EMC überträgt durch ihre Verdrehsicherung die rotativ eingeleitete Kraft in eine lineare Bewegung. Rexroth liefert den EMC mit einer Grundschmierung aus. Daraus ergibt sich, je nach Steigung, ein wartungsfreier Einsatz von bis zu 2000 km.

„Genauigkeit, Dynamik und Flexibilität sind grundlegende Eigenschaften, die wir für den Prozess beim Heizelementschweißen zum Handling des Heizelements und der Werkzeuge mit den Formteilen brauchen“, erklärt Jochen Perschke, Konstruktionsleiter bei KLN Ultraschall. Der Grund liegt in der Verfahrenstechnik, mit der sich eine große Vielfalt von Halbzeugen und Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit unterschiedlichsten Produktgeometrien und -größen wirtschaftlich verbinden lässt. Das Verfahren eignet sich besonders zum Schweißen von komplizierten dreidimensionalen Fügeflächen. „Ein weiterer Vorteil des Fügeverfahrens liegt im hohen Automatisierungsgrad und in der genauen Reproduzierbarkeit der heutigen Maschinen“, ergänzt Perschke.

Auf Grund der Einstellmöglichkeiten der Prozessparameter wie Temperatur, Zeit, Druck und Weg lassen sich unterschiedliche Kunststoffe miteinander verbinden. Dabei werden die Fügeflächen der zu schweißenden Formteile mit Hilfe eines beheizten Heizelements (Spiegel) durch Kontakt erwärmt und anschließend unter Druck gefügt. Das Erwärmen und das Fügen laufen zeitlich getrennt nacheinander ab, was die gebotene Eile beim Bewegen der Werkzeuge und des Heizelements erklärt.

Zunächst werden die zu fügenden Teile (Unter- und Oberteil) in Aufnahmewerkzeugen fixiert und dann gleichzeitig gegen ein elektrisch beheiztes Heizelement, den so genannten Heizspiegel, gefahren. Damit beginnt der Schweißprozess, der sich in die Phasen Erwärmen, Umstellen (Zurückziehen des Heizspiegels) und Fügen unterteilt. Bereits hier kommen die Vorteile des kraft- und weggesteuerten elektromechanischen Antriebskonzepts zum Tragen. Da nämlich die Fügeteile, bedingt durch Toleranzen, in der Regel zu Beginn des Schweißprozesses nicht ganzflächig am Heizelement anliegen, werden diese mit einem konstanten Druck gegen das Heizelement gedrückt, bis die Fügeflächen angeglichen sind.

Der dazu notwendige Druck beziehungsweise die Zeit stehen in keiner Abhängigkeit und lassen sich nur über Versuche ermitteln. Dieser Angleichvorgang endet mit dem Erreichen des vorgegebenen Weges. Anschließend beginnt die nahezu drucklose Erwärmungsphase, deren Dauer abhängig ist von den Material-, Bauteil- und verfahrenstechnischen Gegebenheiten. Auch die Erwärmungszeiten und die damit verbundenen Schmelzschichtdicken werden durch Versuche ermittelt. „Die nun folgende Umstellphase zum Ausheben der Werkzeuge und Zurückfahren des Heizspiegels muss so kurz wie möglich sein, damit die Schweißfähigkeit der Fügeteile erhalten bleibt“, betont Jochen Perschke, der hierfür die Dynamik der elektromechanischen Hubzylinder nutzt, um den Temperaturabfall möglichst gering zu halten.

Im eigentlichen Fügevorgang wird nun mit definiertem Fügedruck eine homogene Verbindung der Schmelze erzeugt. Der Fügeweg wird ebenfalls über eine entsprechende Positionsabfrage realisiert. „Die Kraft- und Wegsteuerung der elektromechanischen Hubzylinder erlaubt einen permanenten Abgleich der Schmelz- und Fügewege. So lassen sich dank flexibel anfahrbarer Positionen diese Schweißparameter optimal einstellen“, ergänzt Perschke, der damit die hohe Schweißqualität beim Heizelementschweißen unterstreicht. Sie ist nicht zuletzt auf die hervorragende Steuerbarkeit des Schweißablaufs zurückzuführen. Die gewünschten Temperaturen und die Einwirkzeiten zum Plastifizieren der Formteile sowie die dafür zu verfahrenden Wege werden exakt geregelt.

Elektromechanische Hubzylinder EMC von Rexroth sind mit ihrer Dynamik und Präzision ein passendes Antriebskonzept für die Hubachsen des Oberwerkzeugs und des Heizspiegels in Toolmaster-Anlagen von KLN, weil sie dort über die Schlittengeschwindigkeit und die Genauigkeit den Schweißprozess unterstützen. Warum Perschke im Gegensatz zu früheren Lösungen nun die einbaufertigen EMC verwendet, liegt seinen Angaben zufolge auch in der kompakten Ausführung und der Tatsache, dass alle Komponenten in einem fertig verwendbaren System integriert sind. Das spart ihm Konstruktionsaufwand und reduziert letztlich die Montagezeit.

Zur Auswahl stehen sechs Gehäusegrößen, in die, zur passenden Konfiguration, Kugelgewindetriebe mit verschiedenen Steigungen integriert werden können. Entsprechend den Anforderungen des einzelnen Anwendungsfalls kann nach Leistungsmerkmalen wie Positioniergenauigkeit, Axialkraft oder Geschwindigkeit optimiert werden. Mit dem neuen Tool EMC-Online-Konfigurator (www.boschrexroth.com/emc) lassen sich schnell und einfach CAD-Daten abrufen. Dabei erleichtert die Produktauswahl über Eingabe der mittleren oder maximalen Kraft dem Nutzer die Lösungsfindung.

Technik im Detail
Das Heizelementschweißen
Heizelement-Schweißmaschinen lassen sich in Standard- und Sondermaschinen einteilen. Bei Standardmaschinen ist es möglich, die Heizelemente und die Aufnahmewerkzeuge auszutauschen, sodass Formteile mit unterschiedlich gestalteten Fügegeometrien verschweißt werden können. Erfahrungsgemäß werden bei optimaler Schweißparameterwahl und durch den Einsatz entsprechender Maschinentechnik hochfeste Verbindungen erreicht, die den meisten Schweißverfahren überlegen sind. Die hohe Schweißqualität ist nicht zuletzt auf die hervorragende Steuerbarkeit des Schweißablaufes zurückzuführen. Die gewünschten Temperaturen und ihre Einwirkzeit zum Plastifizieren der Formteile werden über die Steuerung der Maschine exakt geregelt. Während der Erwärmung der Fügeteile lassen sich durch individuelle Temperaturen auch Werkstoffkombinationen mit unterschiedlichen Fließeigenschaften verbinden.