DE19510493A1 - Werkstück aus Kunststoff und Herstellverfahren für ein derartiges Werkstück - Google Patents
Werkstück aus Kunststoff und Herstellverfahren für ein derartiges WerkstückInfo
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- B29C66/1312—Single flange to flange joints, the parts to be joined being rigid
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- B29C66/534—Joining single elements to open ends of tubular or hollow articles or to the ends of bars
- B29C66/5346—Joining single elements to open ends of tubular or hollow articles or to the ends of bars said single elements being substantially flat
- B29C66/53461—Joining single elements to open ends of tubular or hollow articles or to the ends of bars said single elements being substantially flat joining substantially flat covers and/or substantially flat bottoms to open ends of container bodies
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- B29C66/7392—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic
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Description
Die Erfindung betrifft ein Werkstück, insbesondere ein
Gehäuse für einen elektrischen Schalter, nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Verschweißen
von Werkstückteilen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 7.
Aus Kunststoff bestehende Gehäuse für elektrische Schalter
dienen zur Aufnahme der elektrischen Bauteile, wie
Festkontakte, Schaltkontakte, usw. sowie gegebenenfalls von
weiteren Komponenten. Die Gehäuse bestehen im allgemeinen aus
mehreren Gehäuseteilen mit in der Regel komplexer räumlicher
Gestalt. Die Gehäuseteile werden bei der Montage des
Schalters zusammengesetzt, wobei häufig eine feste Verbindung
zwischen den Gehäuseteilen herzustellen ist. Diese Verbindung
muß der Kontur der Gehäuseteile angepaßt sein und kann somit
eine räumlich dreidimensional verlaufende Ausbildung
besitzen.
Es ist bekannt, insbesondere wenn die Gehäuse hermetisch nach
außen verschlossen sein sollen, die Gehäuseteile mittels
Ultraschallschweißen miteinander zu verbinden. Nachteilig
ist dabei, daß aufgrund der Ultraschallschwingungen
Lötverbindungen an den elektrischen Bauteilen sowie die
elektrischen Bauteile selbst zerstört werden können, womit
letztendlich der Schalter unbrauchbar wird. Es besteht somit
der Bedarf für ein die elektrischen Bauteile nicht
beeinträchtigendes Verfahren zum Verschweißen der
Gehäuseteile von elektrischen Schaltern.
Aus der DE-OS 36 21 030 ist es bekannt, Kunststoff-Folien
durch Einwirkung von Laserstrahlen miteinander zu
verschweißen. Dazu werden die Kunststoff-Folien plan
aufeinander gelegt. Anschließend tritt ein fokussierter
Laserstrahl durch die Folien hindurch, wobei die Folien in
der Fügezone derart erwärmt werden, daß sie in einen
schmelzflüssigen Zustand gelangen, so daß sie nach Abkühlung
in der Fügezone miteinander verbunden sind.
Bei Folien handelt es sich um dünne Teile, so daß eine
Erwärmung beim Durchtritt der Laserstrahlen in der gesamten
Fügezone möglich ist. Dadurch gelingt in der Regel eine
akzeptable Schweißverbindung zwischen den Folien. Bei
dickeren Werkstücken, wie bei Gehäusen von elektrischen
Schaltern, ist jedoch mit dem bekannten Fügeverfahren nur
eine oberflächliche Erwärmung des Werkstücks möglich, womit
keine brauchbare Schweißverbindung zwischen zwei
Werkstückteilen erzielbar ist. Insbesondere ist aus
konstruktiven Gründen bei Gehäuseteilen von elektrischen
Schaltern die Fügezone häufig an der Innenseite des Gehäuses
angeordnet. Eine derartige innenliegende Schweißverbindung
ist offensichtlich mit dem bekannten Fügeverfahren nicht
herstellbar.
Weiter ist aus der EP-A2-0 159 169 ein Verfahren zum
Verschweißen von Platten aus Kunststoff mittels
Laserstrahlen bekannt. Bei diesem Verfahren wird auf einer
ersten Platte, die durch Verwendung eines Additivs im
Kunststoff absorbierend für den Laserstrahl ausgebildet ist,
eine zweite Platte angeordnet. Als Additiv wird ein schwarzer
Farbstoff, vorwiegend Ruß, verwendet. Der Kunststoff der
zweiten Platte enthält keine Additive, so daß die zweite
Platte für den Laserstrahl weitgehend transparent ist.
Anschließend wirkt ein Laserstrahl auf die zweite Platte ein,
wobei der Laserstrahl die zweite Platte durchdringt und in
der ersten Platte absorbiert wird, so daß die aneinander
angrenzenden Kontaktflächen der beiden Platten aufschmelzen
und bei der anschließenden Abkühlung sich miteinander
verbinden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die zweite Platte
kein Additiv enthalten darf und in einem ungefärbten,
milchig-weißen Zustand vorliegt, während die erste Platte mit
einem schwarzen Farbstoff eingefärbt ist. Die dadurch
hergestellten Werkstücke bestehen folglich aus Teilen mit
stark unterschiedlicher Farbe, so daß der optische
Gesamteindruck beeinträchtigt ist. Gerade bei Gehäusen von
elektrischen Schaltern wird jedoch gewünscht, daß das gesamte
Gehäuse einen homogenen optischen Eindruck, insbesondere im
Hinblick auf die Farbe, besitzt. Zudem handelt es sich bei
den in der Veröffentlichungsschrift gezeigten Platten um
ebene Gebilde, die an einer planen Fläche miteinander
verschweißt werden. Gehäuseteile, insbesondere solche für
elektrische Schalter o. dgl., besitzen in der Regel jedoch
komplizierte Geometrien, wobei die Fügezone der miteinander
zu verbindenden Teile dieser Geometrie folgen muß und daher
nicht auf eine Ebene beschränkt ist. Eine Anregung zur
Herstellung komplexer, räumlich verlaufender Fügezonen gibt
die Veröffentlichungsschrift nicht. Das bekannte Verfahren
ist daher zum Verschweißen von Gehäuseteilen, insbesondere
für elektrische Schalter, nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus mehreren
Werkstückteilen bestehendes Werkstück derart auszugestalten,
daß die Werkstückteile, insbesondere an einer innenliegenden,
dreidimensional räumlich verlaufenden Fügezone, mittels
Laserstrahlen miteinander verbindbar sind sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Werkstückes anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Werkstück durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sowie bei einem
gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 7 gelöst.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß die Laserstrahlen
das der Laserstrahlenquelle nächstliegende erste
Werkstückteil im wesentlichen ungehindert durchdringen und im
zweiten Werkstückteil weitgehend absorbiert werden, wodurch
ein Aufschmelzen der beiden Werkstückteile an der Fügezone
erreicht wird. Dazu ist zumindestens in den von den
Laserstrahlen berührten Bereichen das erste Werkstückteil für
die Laserstrahlen weitgehend transmittierend und das zweite
Werkstückteil weitgehend absorbierend durch einen
entsprechenden Anteil an Additiven ausgebildet. Zu diesem
Zweck besitzt das erste Werkstückteil einen im Vergleich zum
zweiten Werkstückteil hohen Transmissionskoeffizienten und
einen niedrigen Absorptionskoeffizienten, d. h. das erste
Werkstückteil besitzt einen größeren
Transmissionskoeffizienten als das zweite Werkstückteil und
das zweite Werkstückteil besitzt einen größeren
Absorptionskoeffizienten als das erste Werkstückteil. Da
jedoch beide Werkstückteile Additive enthalten, sind diese
für Lichtstrahlen in dem für das menschliche Auge sichtbaren
Bereich undurchlässig, womit vorteilhafterweise ein im
wesentlichen homogener optischer Eindruck resultiert. Die
einzelnen Werkstückteile sind nach der Verschweißung vom
menschlichen Auge im wesentlichen nicht mehr unterscheidbar.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Insbesondere kann das zweite Werkstückteil derart an der
Oberfläche absorbierend ausgestaltet sein, daß die
Laserstrahlen lediglich eine kleine Distanz in das zweite
Werkstückteil eindringen. Dadurch werden selbst bei kleinen
Laserleistungen gute Resultate beim Verschweißen erzielt.
Der das Maß an Transmission und an Absorption bestimmende
Transmissions- und Absorptionskoeffizient für die beiden
Werkstückteile kann durch Zusatzstoffe im Kunststoff,
beispielsweise Farbstoffpigmente eingestellt werden. Es hat
sich als günstig herausgestellt, wenn das erste Werkstückteil
auf eine Transmission T größer als 60% und Absorption A
kleiner als 30% sowie das zweite Werkstückteil auf eine
Absorption A größer als 90% und insbesondere eine
vernachlässigbar geringe Transmission T eingestellt ist.
Die Fügezone kann insbesondere bei komplex ausgestalteten
Werkstücken dreidimensional räumlich sowie auch im Inneren
des Werkstücks verlaufen, so daß die Werkstückteile dem
jeweiligen Verwendungszweck optimal anpaßbar sind. Zur
Erzielung einer guten Abdichtung des Inneren des Werkstückes
können die aneinander grenzenden Wände der Werkstückteile
überlappend ausgebildet sein, wobei eine sektorale
Verschweißung in der Fügezone mittels Laserstrahlen an den
kritischen Bereichen, wie Ecken, Durchführungen o. dgl.
genügen kann. Die miteinander zu verbindenden Werkstückteile
können in der Fügezone einen überlappenden Stoß in
verschiedenster Ausgestaltung aufweisen.
Die Güte der Fügezone läßt sich durch Druckeinwirkung auf die
Fügezone bis zum Erkalten noch steigern. Die Druckeinwirkung
wird bevorzugt benachbart zum Fokus der Laserstrahlen
vorgenommen, so daß das Eindringen der Laserstrahlen in das
Werkstück nicht behindert wird. Es ist jedoch auch denkbar,
für den Laserstrahl transparente Spannmittel zu verwenden, so
daß die Druckeinwirkung auch direkt im Einwirkungsbereich der
Laserstrahlen vorgenommen werden kann. Bevorzugterweise wird
die Druckeinwirkung der Bewegung der Laserstrahlen entlang
der Fügezone nachgeführt. Diese Bewegung der Laserstrahlen
läßt sich auf einfache Weise auch räumlich programmierbar
durchführen, beispielsweise indem ein Roboter oder
Mehrachsen-Handhabungsgerät verwendet wird. Insbesondere
sektorale Verschweißungen an einzelnen Stellen des
Werkstücks sind somit auf einfache Weise herstellbar. Eine
weitere Optimierung des Herstellverfahrens läßt sich dadurch
erzielen, daß die Betriebsparameter der Laserstrahlenquelle
entsprechend den gemessenen, in der Fügezone herrschenden
Prozeßparametern, wie Druck und Temperatur, geregelt werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß eine qualitativ hochwertige
Schweißnaht, die überlappend oder stumpf ausgestaltet sein
kann und insbesondere wenigstens zum Teil im Inneren des
Werkstückes, auch bei Werkstücken mit großen Wanddicken
verlaufen kann, beim Verschweißen mittels Laserstrahlen
erzielbar ist. Die Nahtgestaltung ist anders als beim bisher
üblichen Ultraschallschweißen frei den konstruktiven
Erfordernissen anpaßbar, d. h. sie kann im Gehäuse beliebig
räumlich angeordnet sein. Der Verlauf der Schweißnaht ist
durch eine programmierbare Strahlführung der Laserstrahlen
oder Bewegung des Werkstückes herstellbar, so daß eine
flexible Fertigung von unterschiedlichsten Werkstücken
möglich ist. Das Verschweißen der Werkstückteile erfolgt
lediglich durch deren Erwärmung, weitere Zusatzstoffe sind
jedenfalls für die eigentliche Verschweißung nicht
notwendig. Besonders bei der Herstellung von elektrischen
Schaltern wird Ausschuß vermieden, da eine Zerstörung der
elektrischen Bauteile nicht zu befürchten ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur
Verschweißung eines Gehäuses für einen
elektrischen Schalter,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt gemäß Einzelheit
X aus Fig. 1,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Teil eines
Gehäuses in einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil eines
Gehäuses in noch einer weiteren
Ausführungsform,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Wand eines
Gehäuses in anderer Ausführungsform,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Wand eines
Gehäuses in wiederum anderer Ausführungsform,
Fig. 8 einen Längsschnitt durch die Wand eines
Gehäuses in nochmals anderer Ausführungsform,
Fig. 9 einen Querschnitt durch ein Gehäuse mit
komplexer räumlicher Ausgestaltung und
Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie 10-10 aus
Fig. 9.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von
Werkstückteilen mittels eines Laserstrahls entsprechend dem
erfindungsgemäßen Verfahren schematisch dargestellt. Diese
Vorrichtung besteht aus einer Laserstrahlenquelle 1,
beispielsweise einem Nd:YAG-Laser, dessen
Lichtaustrittsöffnung über einen flexiblen Lichtleiter 2 mit
einer Optik 3 verbunden ist, so daß die Laserstrahlenquelle 1
beliebig im Raum positionierbar ist. Die Optik 3 ist über
einer Werkstückaufnahme 4 angeordnet, die mittels Antrieben
durch eine Steuerung bewegbar ist, beispielsweise wie in
Fig. 1 mittels der Richtungspfeile 5 angedeutet ist.
Selbstverständlich kann auch die Optik 3 bewegbar ausgebildet
sein.
Auf der Werkstückaufnahme 4 sind die miteinander zu
verschweißenden Werkstückteile, nämlich die Teile für ein
Gehäuse 6 zweckmäßig angeordnet, wobei es sich bei dem
Gehäuse 6 vorliegend um das Gehäuse für einen elektrischen
Schalter handelt. Das Gehäuse 6 besteht aus zwei
Gehäuseteilen, und zwar aus einem topfförmigen
Gehäusesockel 7, der das zweite Werkstückteil bildet, und
einem Gehäusedeckel 8, der das erste Werkstückteil darstellt.
Sowohl der Gehäusesockel 7 als auch der Gehäusedeckel 8
bestehen aus Kunststoff, vorzugsweise einem thermoplastischen
Kunststoff. Wie näher aus Fig. 2 hervorgeht, besitzt der
Gehäusesockel 7 einen ringsumlaufenden Absatz 9, auf den der
Gehäusedeckel 8 aufgelegt ist. Am Absatz 9 ist der
Gehäusedeckel 8 mittels Laserstrahlen entlang einer
kontinuierlich ringsumlaufenden Fügezone 10 mit dem
Gehäusesockel 7 verschweißt, so daß das Innere des Gehäuses 6
des elektrischen Schalters hermetisch abgedichtet ist,
insbesondere also vor dem Eindringen von Staub geschützt ist.
Wie weiter aus Fig. 1 hervorgeht, werden der Gehäusedeckel 8
und der Gehäusesockel 7 mittels Laserstrahlen 11, die von der
Optik 3 auf das Gehäuse 6 abgestrahlt werden, entlang der
Fügezone 10 derart erwärmt, daß der Gehäusesockel 7 und der
Gehäusedeckel 8 in der Fügezone 10 in einen schmelzflüssigen
Zustand gelangen. Dadurch entsteht eine Verbindung von
Gehäusesockel 7 und Gehäusedeckel 8 in der Fügezone 10, die
sich bei der anschließenden Abkühlung verfestigt und eine
Schweißnaht bildet. Danach kann sich falls notwendig, zum
Abbau von Schweißspannungen in der Fügezone 10 ein
thermisches Tempern anschließen. Durch entsprechende Bewegung
der Werkstückaufnahme 4 und/oder der Optik 3 bzw. der
Laserstrahlenquelle 1 wird eine ringsumlaufende längliche
Fügezone 10 am Gehäuse 6 erzielt. Falls es ausreichend ist,
kann das Gehäuse 6 auch lediglich an einzelnen Stellen
verschweißt sein, so daß keine kontinuierliche sondern eine
abschnittsweise, sektorale Fügezone erhalten wird.
Vorteilhafterweise werden beim sektoralen Verschweißen
geringere Schweißspannungen eingebracht, womit gegebenenfalls
ein nachträgliches Tempern überflüssig sein kann.
Es ist unmittelbar ersichtlich, daß durch entsprechende
Bewegung der Laserstrahlenquelle 1 bzw. der Optik 3 und der
Werkstückteile 7, 8 relativ zueinander auch eine frei
orientierbare, dreidimensional räumlich angeordnete Fügezone
10 im Gehäuse 6 erzeugt werden kann. Zu diesem Zweck ist
beispielsweise die Werkstückaufnahme 4 als Mehrachsen-
Handhabungsgerät ausgebildet, daß gemäß den Pfeilen 5 in drei
Dimensionen bewegbar ist. Ebensogut läßt sich dafür ein
Roboter verwenden oder die Optik 3 entsprechend bewegen. Die
gewünschte räumliche Bewegung der Werkstückaufnahme 4 ist
programmierbar, so daß dann bei der Verschweißung die dazu
korrespondierende räumlich ausgestaltete Fügezone 10 erzeugt
wird. Vorteilhafterweise lassen sich dadurch auf einfach
handhabbare und flexible Weise komplex ausgestaltete
Fügezonen 10 erzeugen, wie sie insbesondere bei Gehäusen 6
für elektrische Schalter vorkommen.
Wie besonders in Fig. 2 zu sehen ist, liegt die Fügezone 10
konstruktionsbedingt im Inneren des Gehäuses 6, wobei die
Fügezone 10 aufgrund des Absatzes 9 einen überlappenden Stoß
aufweist. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform, die in
Fig. 4 zu sehen ist, sind der Gehäusedeckel 8 und der
Gehäusesockel 7 mit einem stumpf überlappenden Stoß 17
ausgebildet. In noch einer weiteren Ausführung gemäß Fig. 5
weisen der Gehäusesockel 7 und der Gehäusedeckel 8 einen
keilförmig überlappenden Stoß 18 auf. Auch bei diesen
weiteren Ausführungsformen befindet sich die Fügezone 10
wenigstens zum Teil im Inneren des Gehäuses 6.
In nochmals einer weiteren Ausführungsform ist in Fig. 6 ein
weiterer absatzartig überlappender Stoß 19 gezeigt. Die
Werkstückteile 7, 8 besitzen jeweils einen an der
eigentlichen Wandung auskragenden Absatz 20, 20′, wobei die
Fügezone 10 am Übergang zwischen den auskragenden
Absätzen 20, 20′ angeordnet ist. Die Laserstrahlen 11 wirken
dabei ungefähr senkrecht auf den auskragenden Absatz 20 an
der dem auskragenden Absatz 20′ gegenüberliegenden Seite ein.
Noch weitere Ausbildungen für absatzförmige Stöße sind in
den Fig. 7 und 8 zu sehen. Beim absatzartigen Stoß 21 in
Fig. 7 ist das Werkstückteil 7 mit einer stufenförmigen
Aufnahme versehen, in die die Wandung des Werkstückteils 8
eingesetzt ist. In Fig. 8 schließlich ist das Werkstückteil 7
mit einer treppenartigen Aufnahme versehen, in die die dazu
korrespondierende Wandung des Werkstückteils 8 gemäß einem
absatzartigen Stoß 22 eingesetzt ist.
Schließlich ist noch in Fig. 10 ein nutenartig überlappender
Stoß 23 gezeigt, mit dem insbesondere eine gute
Abdichtwirkung in der Art einer Labyrinthdichtung gegen das
Eindringen von Staub in das Innere des Gehäuses 6 erzielt
wird. Hierzu ist in der Wand des Werkstückteils 8 eine Nut 24
ausgebildet, in die eine dazu korrespondierende Feder 25 an
der Wand des Werkstückteils 7 eingreift. Die Laserstrahlen 11
treffen ungefähr senkrecht auf die Oberfläche des
Werkstückteils 8 im Bereich der Nut 24, womit eine
Fügezone 10 zwischen der Feder 25 und der Nut 24 an der
dieser Oberfläche des Werkstückteils 8 zugewandten Seite
entsteht.
In Fig. 9 ist ein Schnitt durch ein etwas komplexer
ausgestaltetes Werkstückteil 6 gezeigt, bei dem die Wände 26
eine dreidimensional räumlich verlaufende Kontur besitzen,
die dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt ist. Ein
derartig komplexes Gehäuse 6 wird beispielsweise bei einem
elektrischen Schalter für Elektrohandwerkzeuge verwendet und
besitzt einen von den Wänden 26 des Werkstückteils 8
begrenzten innenliegenden Hohlraum 27, der zur Aufnahme der
Funktionsteile des elektrischen Schalters dient. Zur
Erzielung einer guten Staubdichtheit für den Hohlraum 27, ist
in der Wand 26 eine Nut 24 befindlich, an der eine Feder 25
des weiteren Werkstückteils 7 eingreift, wie anhand der
Fig. 10 bereits erläutert ist.
Wie in Fig. 9 weiter zu sehen ist, befinden sich in der
Nut 24 sektorale Fügezonen 28, so daß die beiden
Werkstückteile 7, 8 dort an den aneinander liegenden
Verbindungsflächen miteinander verschweißt sind. Die
sektoralen Fügezonen 28 besitzen einen haken- oder
zickzackförmigen Verlauf, der durch eine entsprechend
programmierbare, dreidimensional räumliche Relativbewegung
zwischen den Laserstrahlen 11 und den Werkstückteilen 7, 8
erzeugt wird. Die Fügezonen 28 sind nicht kontinuierlich
durchgehend angebracht, sondern lediglich in einzelnen
Sektoren. Hierbei handelt es sich vor allem um den Bereich
der Ecken der Wände 26 bzw. von Wendepunkten, in denen die
Schweißnaht eine sprunghafte Richtungsänderung aufweist.
Weiter können sektorale Fügezonen auch in Bereichen
angeordnet sein, an denen sich nicht weiter gezeigte
Durchführungen o. dgl., beispielsweise für Wellen, Stößel
usw., von der Außenseite in den Hohlraum 27 des Gehäuses 6
befinden. Solche Bereiche sind für die Dichtheit besonders
kritisch und werden von den sektoralen Fügezonen 28 sicher
abgedichtet.
Zwischen den Sektoren der Fügezonen 28 verlaufen lediglich
geradlinige Flächen, die weniger aufwendig abgedichtet werden
können. Es genügt hier die nicht verschweißte Überlappung
zwischen den Nuten 24 und der Feder 25 an den Wänden 26 der
Werkstückteile 7, 8, womit diese als Dichtnuten wirken.
Hierzu unterstützend können noch Schnappverbindungen 29 o. dgl.
zwischen den Sektoren der Fügezonen 28 angebracht sein,
mit deren Hilfe die Verbindungsflächen an den Wänden 26 der
beiden Werkstückteile 7, 8 in diesen Bereichen abdichtend
aufeinander gepreßt sind. Da in einem solchen Fall nur
sektorale Fügezonen 28 angeordnet sind, erhält man
vorteilhafterweise eine Zeitersparnis beim Verschweißen der
Werkstückteile 7, 8.
Um eine genügende Erwärmung der Fügezone 10 zu erzielen,
besitzen der Gehäusesockel 7 und der Gehäusedeckel 8
wenigstens in Teilbereichen für das Spektrum der
Laserstrahlen 11 unterschiedliche Eigenschaften. So ist der
Transmissionskoeffizient für die Laserstrahlen 11 beim
Gehäusedeckel 8 größer als derjenige beim Gehäusesockel 7
während umgekehrt der Absorptionskoeffizient beim
Gehäusesockel 7 größer als beim Gehäusedeckel 8 ist. Die
beiden aus Gehäusesockel 7 sowie Gehäusedeckel 8 bestehenden
Werkstückteile und die Optik 3 der Laserstrahlenquelle 1 sind
nun derart relativ zueinander positioniert, daß die
Laserstrahlen 11 auf der der Fügezone 10 abgewandten Seite am
Gehäusedeckel 8 in einer ersten Einkoppelzone 12 auftreffen,
wie der Fig. 3 zu entnehmen ist. Das erste Werkstückteil,
nämlich der Gehäusedeckel 8, ist aufgrund seines großen
Transmissionskoeffizienten im Bereich von der ersten
Einkoppelzone 12 bis zur Fügezone 10 für das Spektrum der
Laserstrahlen 11 wenigstens teilweise transmittierend
ausgebildet. Dadurch kann wenigstens ein Teil der
Laserstrahlen 11 den Gehäusedeckel 8 durchdringen. Dieser
Teil der Laserstrahlen 11 dringt dann an einer zweiten
Einkoppelzone 13, die in Fig. 3 schematisch angedeutet ist,
in das zweite Werkstückteil, nämlich den Gehäusesockel 7 ein.
Wie man sieht, liegen die erste und zweite Einkoppelzone 12,
13 im wesentlichen auf der durch die Laserstrahlen 11
gebildeten Geraden. Insbesondere steht diese Gerade ungefähr
senkrecht zu den Einkoppelzonen 12, 13.
Der Gehäusesockel 7 ist im Bereich der Fügezone 10 an der
zweiten Einkoppelzone 13 für das Spektrum der
Laserstrahlen 11 aufgrund seines großen
Absorptionskoeffizienten wenigstens teilweise absorbierend
ausgebildet, so daß wenigstens ein Teil dieser an der zweiten
Einkoppelzone 13 auftreffenden Laserstrahlen 11 in einer
Absorptionszone 14 den Gehäusesockel 7 erwärmt. Es kann dabei
ausreichen, wenn der Gehäusesockel 7 derart an der Oberfläche
der zweiten Einkoppelzone 13 absorbierend ausgebildet ist
oder die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlen 11
entsprechend gewählt wird, daß die Laserstrahlen 11 lediglich
eine kleine Distanz, vorzugsweise von wenigen µm in den
Gehäusesockel 7 eindringen, womit die Absorptionszone 14
ebenfalls lediglich oberflächlich im Gehäusesockel 7
ausgebildet ist, wie in Fig. 3 angedeutet ist. Aufgrund von
Wärmeleitung aus der Absorptionszone 14 in den angrenzenden
Gehäusedeckel 8 wird dieser in einer Wärmeleitungszone 15
ebenfalls erwärmt. Durch die Erwärmung in der
Absorptionszone 14 und der Wärmeleitungszone 15 wird der
Kunststoff schmelzflüssig, womit nach Erkalten sich in diesen
beiden Zonen 14, 15 die gemeinsame verfestigte Fügezone 10
ausbildet.
Wie bereits erwähnt, besteht das Gehäuse 6 aus einem
Kunststoff. Als besonders geeignet für das Gehäuse eines
elektrischen Schalters hat sich dabei die Verwendung von
Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyamid o. dgl. erwiesen.
Zur Einstellung der teilweisen Transparenz des
Gehäusedeckels 8 und der teilweisen Absorption des
Gehäusesockels 7 für das Spektrum der Laserstrahlen 11, also
des Transmissions- und Absorptionskoeffizienten, werden als
Zusatzstoffe dienende Additive im Kunststoff, wie
Farbpigmente, Glasfasern o. dgl. verwendet. Dabei erfolgt die
entsprechende Einstellung durch einen unterschiedlichen
Anteil der Additive in den beiden Werkstückteilen 7, 8, wobei
die Anteile so gewählt werden, daß die Reflektivität der
beiden Werkstückteile 7, 8 für das Spektrum der sichtbaren
Lichtstrahlen im wesentlichen gleich ist. Insbesondere hat es
sich als günstig herausgestellt, den hohen
Absorptionskoeffizienten für den Gehäusesockel 7 durch
schwarze Farbstoffpigmente zu erzielen. Entsprechende
Versuche haben bei den genannten Kunststoffsorten ergeben,
daß es günstig ist, für den teilweise absorbierenden
Kunststoff des Gehäusesockels 7 eine Pigmentierung durch 1%
bis 2% Farbstoffe und für den Kunststoff des teilweisen
transmittierenden Gehäusedeckels 8 eine geringere, in
besonderen Fällen auch keine Pigmentierung vorzunehmen. Die
beiden Werkstückteile 7, 8 sind dann für das mit dem
menschlichen Auge sichtbare Lichtspektrum im wesentlichen
undurchsichtig und ungefähr optisch gleichmäßig schwarz
eingefärbt. Vorteilhafterweise bieten dann die beiden
Werkstückteile 7, 8 im Gehäuse 6 einen optisch homogenen
Eindruck, so daß die unterschiedliche Einstellung des
jeweiligen Kunststoffs für das Auge nicht wahrnehmbar ist.
Versuche mittels eines Nd:YAG-Lasers von 10 W Leistung, der
Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von ca. 1,06 µm erzeugt,
die besonders geeignet für die genannten Kunststoffsorten
ist, und einer Vorschubgeschwindigkeit des Gehäuses 6 relativ
zur Optik 3 von 3 m/min haben ergeben, daß man gute
Ergebnisse für die Verschweißung unter Einhaltung folgender
Parameter erzielt. Der Gehäusedeckel 8 sollte eine
Transmission T von größer als 60% und eine Absorption A von
kleiner als 30% sowie gegebenenfalls eine Reflektivität R von
kleiner als 20% für das Spektrum von Nd:YAG-Laserstrahlen
besitzen. Der Gehäusesockel 7 sollte weiter eine Absorption A
von größer als 90% und insbesondere eine vernachlässigbare
Transmission T sowie gegebenenfalls eine Reflektivität R von
kleiner als 10% besitzen. Die Prozentzahlen sind dabei
jeweils auf die in den Einkoppelzone 12, 13 auftreffenden
Laserstrahlen 11 bezogen. Im jeweiligen Einzelfall gilt
T + A + R = 100%.
Es ist noch hervorzuheben, daß der an den jeweiligen
Einkoppelzonen 12, 13 reflektierte Anteil der
Laserstrahlen 11 wenig zur Erwärmung in der Fügezone 10
beiträgt und daher durch entsprechende Einstellung des
Kunststoffes möglichst klein gehalten werden sollte.
Zur Verbesserung der Güte der Verschweißung kann während
oder nach der Erwärmung und dem Aufschmelzen der Fügezone 10
durch die Laserstrahlen 11 eine Druckeinwirkung im Bereich
der Fügezone 10 vorgenommen werden. In Fig. 1 ist dazu eine
Andruckrolle 16 gezeigt, die auf die Oberseite des
Gehäusedeckels 8 im Bereich der Fügezone 10 einwirkt. Diese
Andruckrolle 16 wird den Laserstrahlen 11 entsprechend der
Vorschubbewegung der Werkstückaufnahme 4 gemäß dem
Richtungspfeil 5′ nachgeführt. Damit wirkt der Druck der
Andruckrolle 16 bis zum Erkalten der Fügezone 10 ein, womit
ein Austreten der Schmelze aus der Fügezone 10 verhindert
wird und die Gefahr einer Lunkerbildung in der Fügezone 10
gebannt ist. Es ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß diese
Druckeinwirkung benachbart zum Fokus der Laserstrahlen 11
erfolgt, so daß die Laserstrahlen 11 in der Einkoppelzone 12
am Gehäusedeckel 8 ungestört sind. Selbstverständlich lassen
sich anstelle einer Andruckrolle 16 auch nicht weiter
gezeigte, an sich bekannte hydraulische, pneumatische o. dgl.
Niederhalter verwenden, die aufgrund der frei orientierbaren
Strahlführung außerhalb der Führung der Laserstrahlen 11
angeordnet sein können. Falls diese Niederhalter aus einem
für das Spektrum der Laserstrahlen 11 weitgehend
transparenten Material bestehen, können diese Niederhalter
auch in der Führung der Laserstrahlen befindlich sein.
Die Qualität der Verschweißung läßt sich weiter positiv
beeinflussen, indem die Betriebsparameter der
Laserstrahlenquelle 1 fortlaufend in Abhängigkeit von den in
der Fügezone 10 herrschenden Prozeßparametern geregelt
werden. Bei diesen Prozeßparametern handelt es sich um die
Temperatur, den Druck u. dgl. Sie werden fortlaufend
gemessen und bei Abweichungen von den Sollwerten werden die
Betriebsparameter der Laserstrahlenquelle 1 entsprechend
verändert bis wiederum die gewünschten Sollwerte erreicht
sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt
vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen
des Erfindungsgedankens. So läßt sich die Erfindung nicht nur
bei der Herstellung von elektrischen Schaltern anwenden,
sondern kann an beliebigen aus Kunststoff bestehenden
Werkstücken, Gehäusen o. dgl., beispielsweise für
Haushaltsgeräte, Verpackungen usw., Verwendung finden.
Bezugszeichenliste
1 Laserstrahlenquelle
2 Lichtleiter
3 Optik
4 Werkstückaufnahme
5, 5′ Richtungspfeil
6 Gehäuse
7 Gehäusesockel (zweites Werkstückteil)
8 Gehäusedeckel (erstes Werkstückteil)
9 Absatz
10 Fügezone
11 Laserstrahl
12 erste Einkoppelzone
13 zweite Einkoppelzone
14 Absorptionszone
15 Wärmeleitungszone
16 Andruckrolle
17 stumpfer Stoß (weitere Ausführung)
18 keilförmiger Stoß (weitere Ausführung)
19 absatzartig überlappender Stoß (weitere Ausführung)
20, 20′: auskragender Absatz
21 absatzartiger Stoß (weitere Ausführung)
22 absatzartiger Stoß (weitere Ausführung)
23 nutenartig überlappender Stoß
24 Nut
25 Feder
26 Wand
27 Hohlraum
28 sektorale Fügezone
29 Schnappverbindung
2 Lichtleiter
3 Optik
4 Werkstückaufnahme
5, 5′ Richtungspfeil
6 Gehäuse
7 Gehäusesockel (zweites Werkstückteil)
8 Gehäusedeckel (erstes Werkstückteil)
9 Absatz
10 Fügezone
11 Laserstrahl
12 erste Einkoppelzone
13 zweite Einkoppelzone
14 Absorptionszone
15 Wärmeleitungszone
16 Andruckrolle
17 stumpfer Stoß (weitere Ausführung)
18 keilförmiger Stoß (weitere Ausführung)
19 absatzartig überlappender Stoß (weitere Ausführung)
20, 20′: auskragender Absatz
21 absatzartiger Stoß (weitere Ausführung)
22 absatzartiger Stoß (weitere Ausführung)
23 nutenartig überlappender Stoß
24 Nut
25 Feder
26 Wand
27 Hohlraum
28 sektorale Fügezone
29 Schnappverbindung
Claims (10)
1. Werkstück, insbesondere Gehäuse (6) für einen
elektrischen Schalter, bei dem zwei miteinander durch
Laserstrahlen (11) entlang einer Fügezone (10) verschweißte
Werkstückteile (7, 8) aus Kunststoff, vorzugsweise einem
thermoplastischen Kunststoff angeordnet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Werkstückteile (7, 8)
wenigstens in Teilbereichen einen voneinander
unterschiedlichen Transmissions- sowie
Absorptionskoeffizienten für das Spektrum der
Laserstrahlen (11) besitzen, wobei das eine erste
Werkstückteil (8) im Bereich von einer ersten
Einkoppelzone (12), in der die Laserstrahlen (11) auf das
erste Werkstückteil (8) treffen, bis zur Fügezone (10)
wenigstens teilweise transmittierend für die
Laserstrahlen (11) ausgebildet ist, wodurch ein Teil der
Laserstrahlen (11) das erste Werkstückteil (8) durchdringen
und an einer zweiten Einkoppelzone (13) in das zweite
Werkstückteil (7) eindringen kann, und daß das weitere zweite
Werkstückteil (7) im Bereich der Fügezone (10) an der zweiten
Einkoppelzone (13) wenigstens teilweise absorbierend für die
Laserstrahlen (11) ausgebildet ist.
2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Werkstückteil (7) derart an der Oberfläche der
zweiten Einkoppelzone (13) absorbierend ausgebildet ist
und/oder die Wellenlänge für die Laserstrahlen (11) derart
gewählt ist, daß die Laserstrahlen (11) lediglich eine kleine
Distanz, vorzugsweise von wenigen µm in das zweite
Werkstückteil (7) eindringen.
3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Werkstückteile (7, 8) aus
demselben Kunststoff, beispielsweise Styrol-Acrylnitril-
Copolymerisat, Polyamid o. dgl., bestehen, wobei vorzugsweise
der Transmissionskoeffizient des ersten Werkstückteils (8)
und der Absorptionskoeffizient des zweiten Werkstückteils (7)
durch den Anteil von Additiven im Kunststoff, wie Glasfasern,
Farbpigmente, insbesondere schwarze Farbpigmente, o. dgl.
eingestellt ist, insbesondere indem bei dem absorbierenden
Kunststoff eine Pigmentierung durch 1% bis 2% Farbstoffe und
bei dem transmittierenden Kunststoff eine geringere,
gegebenenfalls keine Pigmentierung vorgenommen ist, und wobei
weiter vorzugsweise der Kunststoff für beide
Werkstückteile (7, 8) für das mit dem menschlichen Auge
sichtbare Lichtspektrum im wesentlichen undurchsichtig ist.
4. Werkstück nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das erste Werkstückteil (8) eine
Transmission T von größer als 60%, eine Absorption A von
kleiner als 30% und gegebenenfalls eine Reflektivität R von
kleiner als 20% sowie das zweite Werkstückteil (7) eine
Absorption A von größer als 90%, insbesondere eine
vernachlässigbare Transmission T und gegebenenfalls eine
Reflektivität R von kleiner als 10% jeweils bezogen auf die
in den Einkoppelzonen (12, 13) der Werkstückteile (7, 8)
treffenden Laserstrahlen (11) besitzen.
5. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Werkstückteile (7, 8)
derart ausgestaltet sind, daß diese in der Fügezone (10)
einen überlappenden (9), gegebenenfalls keilförmig
überlappenden (18), nutenartig überlappenden (23),
absatzartig überlappenden (9, 19, 21, 22), stumpf
überlappenden (17) o. dgl. Stoß aufweisen, wobei vorzugsweise
die Fügezone (10) in dreidimensional räumlicher Anordnung
entlang der Verbindung der Werkstückteile (7, 8) verläuft,
und wobei weiter vorzugsweise wenigstens ein Teil der
Fügezone (10) im Inneren des Werkstücks befindlich ist.
6. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Werkstückteile (7, 8)
Wände (26) besitzen, die wenigstens einen Teil eines
innenliegenden Hohlraums (27) begrenzen, daß vorzugsweise die
Fügezone (10) in einzelnen Sektoren (28), die gegebenenfalls
im Bereich von Ecken an den Wänden (26), Durchführungen in
den Hohlraum (27) o. dgl. angeordnet sind, oder
kontinuierlich entlang der aneinander liegenden
Verbindungsflächen der Wände (26) verläuft und daß weiter
vorzugsweise zwischen den einzelnen Sektoren (28) die
Wände (26) zur Erzielung einer Abdichtung des Hohlraums (27),
insbesondere gegen Staubeinwirkung, einander überlappend mit
Schnappverbindungen (29), Dichtnuten (24) o. dgl. ausgebildet
sind.
7. Verfahren zum Verschweißen mittels
Laserstrahlen (11) von aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem
thermoplastischen Kunststoff, bestehenden Werkstückteilen (7,
8), insbesondere Gehäuseteile für elektrische Schalter o.
dgl., nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein erstes
transparentes Werkstückteil (8), und ein zweites
absorbierendes Werkstückteil (7), durch eine Fügezone (10)
miteinander zu einem Werkstück verbunden werden, indem die
beiden Werkstückteile (7, 8) und die Laserstrahlenquelle (1)
gegebenenfalls mittels einer Optik (3) relativ zueinander
derart positioniert werden, daß die Laserstrahlen (11)
zunächst an einer ersten Einkoppelzone (12) auf das erste
Werkstückteil (8) treffen, womit ein Teil der
Laserstrahlen (11) das erste Werkstückteil (8) durchdringt,
und daß dieser Teil der Laserstrahlen (11) anschließend im
Bereich der Fügezone (10) an einer zweiten Einkoppelzone (13)
in das zweite Werkstückteil (7) eindringt, womit das zweite
Werkstückteil (7) im Bereich der zweiten Einkoppelzone (13)
erwärmt wird, so daß die beiden Werkstückteile (7, 8) in der
Fügezone (10) in einen schmelzflüssigen Zustand gelangen und
beim anschließenden Erkalten eine Verfestigung der
Fügezone (10) erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Werkstückteile (7, 8) jeweils Additive, insbesondere
Farbstoffpigmente, enthalten, wobei die Werkstückteile (7, 8)
durch einen unterschiedlichen Anteil der Additive derart
eingestellt werden, daß das erste Werkstückteil (8) im
Bereich von der ersten Einkoppelzone (12) bis zur
Fügezone (10) für das Spektrum der Laserstrahlen (11)
wenigstens teilweise transmittierend ist, daß das zweite
Werkstückteil (7) im Bereich der zweiten Einkoppelzone (13)
für das Spektrum der Laserstrahlen (11) wenigstens teilweise
absorbierend ist, und daß die Reflektivität der beiden
Werkstückteile (7, 8) für das Spektrum der sichtbaren
Lichtstrahlen im wesentlichen gleich ist.
8. Verfahren zum Verschweißen von Werkstückteilen nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Laserstrahlenquelle (1) so positioniert wird, daß die
Laserstrahlen (11) gegebenenfalls mittels einer Optik (3)
derart auf die beiden Werkstückteile (7, 8) ausrichtbar sind,
daß die erste und zweite Einkoppelzone (12, 13) im
wesentlichen auf der durch die Laserstrahlen (11) gebildeten
Geraden, insbesondere ungefähr senkrecht zu dieser Geraden
liegen, wobei vorzugsweise die Laserstrahlenquelle (1) oder
die Optik (3) für die Laserstrahlenquelle (1) und die
Werkstückteile (7, 8) derart relativ zueinander bewegt
werden, insbesondere durch eine programmierbare Bewegung, wie
mittels eines Roboters, eines Mehrachsen-Handhabungsgeräts o.
dgl., daß eine längliche, gegebenenfalls frei orientierbare,
dreidimensional räumlich sowie gegebenenfalls an einzelnen
Stellen sektoral (28) im Werkstück angeordnete Fügezone (10)
erzeugt wird.
9. Verfahren zum Verschweißen von Werkstückteilen nach
Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß während oder
nach Erwärmung und Aufschmelzen der Fügezone (10) durch die
Laserstrahlen (11) eine Druckeinwirkung im Bereich der
Fügezone (10), insbesondere bis zum Erkalten der Fügezone
(10), vorgenommen wird, daß vorzugsweise die Druckeinwirkung
benachbart zum Fokus der Laserstrahlen (11) und insbesondere
mit den Laserstrahlen (11) nachführbar oder gegebenenfalls
außerhalb der Führung der Laserstrahlen (11) auf die
Werkstückteile (7, 8) vorgenommen wird und daß weiter
vorzugsweise die Druckeinwirkung über hydraulische,
pneumatische, rollenartige (16) o. dgl. Niederhalter, die
gegebenenfalls für die Laserstrahlen (11) transparent sein
können, vorgenommen wird.
10. Verfahren zum Verschweißen von Werkstückteilen nach
Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Betriebsparameter der Laserstrahlenquelle (1), bei der es
sich vorzugsweise um einen Nd:YAG-Laser handelt, in
Abhängigkeit von den in der Fügezone (10) herrschenden
Prozeßparametern, wie Temperatur, Druck u. dgl., geregelt
werden und daß vorzugsweise das Werkstück nach dem
Verschweißen zum Abbau der Schweißspannungen thermisch
getempert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19510493A DE19510493A1 (de) | 1994-03-31 | 1995-03-23 | Werkstück aus Kunststoff und Herstellverfahren für ein derartiges Werkstück |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4411251 | 1994-03-31 | ||
DE19510493A DE19510493A1 (de) | 1994-03-31 | 1995-03-23 | Werkstück aus Kunststoff und Herstellverfahren für ein derartiges Werkstück |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19510493A1 true DE19510493A1 (de) | 1995-10-05 |
Family
ID=6514357
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19510493A Withdrawn DE19510493A1 (de) | 1994-03-31 | 1995-03-23 | Werkstück aus Kunststoff und Herstellverfahren für ein derartiges Werkstück |
DE59502175T Expired - Lifetime DE59502175D1 (de) | 1994-03-31 | 1995-03-23 | Werkstück aus kunststoff und herstellungsverfahren für ein derartiges werkstück |
Family Applications After (1)
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