DE2653353A1 - Verfahren und vorrichtung zum thermoverschweissen zweier folien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum thermoverschweissen zweier folien

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DE2653353A1
DE2653353A1 DE19762653353 DE2653353A DE2653353A1 DE 2653353 A1 DE2653353 A1 DE 2653353A1 DE 19762653353 DE19762653353 DE 19762653353 DE 2653353 A DE2653353 A DE 2653353A DE 2653353 A1 DE2653353 A1 DE 2653353A1
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foils
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partial beams
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Richard Francis Osborne
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WR Grace and Co
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Description

UEXKULL & STOLaERG PATEN
•2. HAM BURG 52
BESELERSTRASSE 4
DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL·'
DR. ULRICH GRAF STOLBERG f£' DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE
W.RV Grace & Co. (Prio: 17. Dezember 1975
1114 Avenue of the Americas US 6^1 85δ
New York, N.Y. / V.St.A.
Hamburg, den 23. November 1976
Verfahren und Vorrichtung zum Thermoverschweißen zweier Folien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Thermoverschweißen zweier Folien unter Verwendung eines Lasers, mit einer in den Folie absorbierbaren Wellenlänge durch Aneinanderlegen der Folien und Bestrahlen der Kontaktbereiche mit dem Laser.
Zahlreiche Stoffe, beispielsweise thermoplastische Folien, Metallfolien und flache thermoplastische Rohre, werden in Blattform hergestellt und müssen zur Erzielung eines brauchbaren Produktes mit sich selbst oder mit einem ähnlichen Stoff verschweißt werden. Wenn der Stoff thermoßchweißbar oder heißsehmelzbar ist, kann er mit sich selbst oder mitT*""~ einem ähnlichen Stoff durch Anwendung von Energie auf seine Schweiß- oder Schmelztemperatur erwärmt und verschweißt werden.
709827/0575
Thermoplastische Bahnen aus Stoffen wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid sind leicht siegelbar oder thermoschweißbar.
Es ist bekannt, zwei thermoplastische Polienbahnen durch Zusammendrücken zwischen zwei erhitzten Siegelbalken, durch mechanisches Zusammenpressen der Bahnen unter Anwendung von Hochfrequenzenergie oder durch Anwendung von erhitzter, durch gegenüberliegende Düsen auf die Folien geblasener Druckluft zu verschweißen. Zusätzlich zur HP-Energie wurden auch andere Strahlungsenergiequellen zum Versiegeln von thermoplastischen Stoffen verwendet. Eine derartige Energiequelle ist der in der US-PS 3 560 291 beschriebene Laser. Ein anderes bekanntes Verfahren zum Laser-Schweißen von Kunststoffrohren ist in der US-PS 3 769 117 beschrieben. Ferner zeigt die US-PS 3 790 744 ein Verfahren zur Herstellung einer Reißleine in einer mehrschichtigen thermoplastischen Kunststoffolie unter Verwendung eines Lasers. Bei allen bekannten Verfahren wird der Laserstrahl jedoch nur auf eine Seite des thermoplastischen Stoffes gerichtet, was dazu führt, daß die Laserenergie in der dem Laser am nächsten liegenden Schicht absorbiert wird. Dadurch erreicht nur wenig oder gar keine Energie die anderen Folienschichten, so daß diese nicht geschmolzen und zur Siegelung fließbar gemacht werden.
709827/057B
Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, daß durch die Aufbringung von hinreichender Energie zum schnellen Verschweißen mehrerer Folienschichten auf die dem Laser am nächsten liegende Schicht diese Schicht verbrannt wird.
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verschweißen eines Kunststoff-Folienlaminats zu schaffen, bei dem alle Schichten gleichmäßig miteinander verschweißen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Laserstrahl in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl gespalten wird, und daß die zwei Teilstrahlen von entgegengesetzten Seiten auf den Kontaktbereich der zwei Folien gerichtet werden.
Vorzugsweise werden die reflektierten Teilstrahlen koaxial zueinander auf den zu verschweißenden oder zu versiegelnden Kontaktbereich der Folien gerichtet.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung, welche gekennzeichnet ist durch einen Laser, durch einen Strahlenteiler für die Teilung des Laserstrahls in zwei Teilstrahlen, durch Halteeinrichtungen zum engen Anpressen bestimmter Bereiche der Folien,
708827/0575
.*■
und durch Reflexionsflächen zur Richtung der Teilstrahlen von gegenüberliegenden Seiten des Folienlaminats auf den Kontaktbereich, so daß durch die in der Nähe des Kontaktbereichs in den Folien abgelagerte Energie ein Fließen und Verschweißen der Folien erfolgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung mit einem Laser, einem Strahlenteiler und mit Reflexionsflächen, die den Laserstrahl von zwei Seiten auf die zu verschweißenden thermoplastischen Folie richten;
Figur 2 einen Schnitt durch zwei Abschnitte der Folien gemäß Figur 1 mit auf die zu verschweißenden Folien auffallenden Laserteilstrahlen;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Halteeinrichtung für das Zusammenhalten der thermoplastischen Folien sowie ein Paar Gasdüsen, aus denen Gasstrahlen von zwei Seiten auf zwei vertikale Folienflächen aufprallen, die in ihrem Kontaktbereich mit den Laser-Teilstrahlen bestrahlt werden; und
Figur 4 einen Schnitt durch zwei zusammengehaltene Folienabschnitte für das Strahlungsenergieschweißen mit Hilfe der zwei Laserteilstrahlen.
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Die nachstehend verwendeten Ausdrücke haben folgende Bedeutung:
"Schweißen" bedeutet das Vereinigen durch Erhitzen und ermöglicht ein Zusammenfließen der Stoffe, die entweder aus Kunststoff oder aus Metall bestehen.
"Schweißtemperatur" bezeichnet die Temperatur, bei der der jeweilige Stoff fließt und eine Schweißung zustande kommt. Für Thermoplaste werden die Ausdrücke "Schweißtemperatur" und "Heißsiegeltemperatur" gegeneinander austauschbar verwendet .
"Strahlungsenergie" ist Energie, die als elektromagnetische Strahlung weitergeleitet oder ausgesendet wird.
"Strahlung" ist Energie, die durch den Raum oder durch ein Medium als Welle oder als Teilchen ausgesendet oder verbreitet wird, übliche Strahlungsformen sind Lichtstrahlen sowie Röntgen- und Gammastrahlen.
"Laser" bedeutet Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungs emission. Diese Energie ist eine elektromagnetische Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich, die annähernd monochromatisch ist.
"Strahl" ist ein kräftiger Pluidstrahl einer Flüssigkeit oder eines Gases, der aus einer engen Öffnung oder einer Düse ausgestoßen wird.
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"Bestrahlung" bedeutet die Anwendung von Strahlungsenergie auf eine Oberfläche oder einen Gegenstand, oder die Einwirkung von Strahlungsenergie auf eine Oberfläche.
"Strahlenteiler" ist ein halbdurchlässiger Spiegel.
Figur 1 beschreibt eine Ausführung der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß Erfindung. Der Laserstrahl 2 wird von einem COp-Laser erzeugt und fällt auf einen Strahlenteiler 3. Für das Thermoschweißen von Kunststoffen wird der CO_-Gaslaser bevorzugt verwendet, da die vom Laserstrahl erzeugten Photonen Wellenlängen haben, die leicht in thermoplastischen Stoffen, beispielsweise in dem Copolymeren von Vinylchlorid und Polyvinylchlorid ("Saran"), im Copolymeren von Athylenvinylacetat oder in Polyäthylen absorbiert werden.
Der Strahlenteiler 3 teilt den Laserstrahl 2 in einen durchgehenden Teilstrahl k und einen reflektierten Teilstrahl 5· Der durchgehende Teilstrahl 1I wird dann von totalreflektierenden Oberflächen oder von Spiegeln 6, 7, 8 reflektiert, die unter ^5° zum Teilstrahl 4 eingestellt sind, so daß dieser unter 90 reflektiert wird.
Wenn der Teilstrahl 4 den thermoplastischen Folienabschnitt 10 erreicht, ist er koaxial zu dem vom Strahlenteiler 3 reflektierten Teilstrahl 5 ausgerichtet. Die Teilstrahlen
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»AU.
H und 5 fallen beide auf die betreffenden Folienabschnitte und 10, wie es Figur 2 in Einzelheiten zeigt und worin die Teilstrahlen k und 5 auf einen gemeinsamen Brennpunkt 11 gerichtet sind. Der Brennpunkt 11 liegt im Kontaktpunkt der Folienabschnitte 9 und 10, an welchen eine Thermoschweißung oder Heißsiegelung erfolgen soll. Die in Figur 1 nicht dargestellten Einrichtungen zur Laserstrahlenfokussierung sind dem Fachmann allgemein bekannt. Die von den Teilstrahlen k und 5 an die Folienabschnitte 9 und 10 übertragene Energie erwärmt die Folien schnell bis zur Fließ- oder Schmelztemperatur, so daß sich die Schmelze jedes Folienabschnitts an der Stelle des Brennpunkts 11 im Bereich der auftreffenden Laser-Teilstrahlen verbinden wird.
Die Folienabschnitte 9 und 10 können die zwei Schichten einer einfachen, flachen, rohrartigen Folie sein, d.h. die Abschnitte 9 und 10 werden entlang ihrer aufeinanderliegenden Kanten verbunden.
Der vorzugsweise als teilversilberter Spiegel ausgebildete Strahlenteiler 3 kann so hergestellt werden, daß der durchgehende Teilstrahl stärker oder schwächer als die Hälfte des einfallenden Laserstrahls 2 ist. Ist der Folienabschnitt 9 dicker als der Folienabschnitt 10, so entnimmt der Teilstrahl 5 vorzugsweise einen größeren Energieanteil vom Laserstrahl 2 als der Teilstrahl Ί. Im allgemeinen werden vorzugsweise ungleiche Teilstrahlen 4 und 5 vorgesehen, falls die Stärke
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der zu verschweißenden Polienabschnitte 9 und 10 ungleich ist. Die Verteilung der Energien auf die Teilstrahlen kann so gewählt werden, daß die Energie jedes Teilstrahls proportional zur Stärke des Polienabschnitts ist, auf den dieser Teilstrahl auftrifft (d.h. das Verhältnis der Energien von Teilstrahl 1J zu Teilstrahl 5 entspricht dem Verhältnis der Stärke von Polienabschnitt 9 zu Polienabschnitt 10).
Auch andere als die in Figur 1 gezeigten Anordnungen des Strahlenteilers und der Reflexionsflächen liegen im Rahmen der Erfindung.
Beispielsweise kann auch ein rechteckiger Aufbau anstelle der an den Ecken eines Quadrats angeordneten Spiegel und Strahlenteiler verwendet werden. Ebenso müssen die Folienabschnitte oder die zu verschweißenden Gegenstände nicht unbedingt zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Spiegel 8 liegen, sondern sie können auch zwischen den Spiegeln 7 und 8, den Spiegeln 6 und 7, oder dem Strahlenteiler 3 und dem Spiegel 6 angeordnet werden.
Ferner kann trotz der im allgemeinen bevorzugten rechtekkigen Anordnung eine dreieckige Anordnung gewählt werden, wobei der Spiegel 7 entfernt wird und die Richtungswinkel der Spiegel 6 und 8 so geändert werden, daß der Teilstrahl 4 direkt vom Spiegel 6 zum Spiegel 8 diagonal in dem Quadrat
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gemäß Figur 1 reflektiert wird. Dazu wird der Spiegel 6 so gekippt, daß er mit dem Teilstrahl 1I einen Einfallswinkel von 67,5° bildet, so daß der Teilstrahl 4 vor seiner Reflexion am Spiegel mit dem Teilstrahl 4 nach der Reflexion einen Winkel von H5 einschließt. Die gleiche Winkeleinstellung gilt auch für den Spiegel 8.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Halteeinrichtung für das Zusammenhalten von bestimmten Bereichen der beiden thermoplastischen Folien. Die Folienabschnitte 9 und 10 der thermoplastischen Folien stehen senkrecht zum Kontaktbereieh A für die Laserteilstrahlen H und 5. Luftdüsen 15 und 16 haben Schlitzblenden 13» aus denen Druckluftstrahlen auf den Folienabschnitt 10 im Bereich A gerichtet werden; in gleicher Weise besitzen die Düsen 17 und 18 Schlitzblenden 13, aus denen Druckluftstrahlen auf den im Kontaktbereich A liegenden Folienabschnitt 9 gerichtet sind. Die Düsen werden durch die Versorgungsleitung Ik mit Druckluft versorgt.
In Figur 4 werden die gleichen Folienabschnitte 9 und 10 in vergrößertem Maßstab und mit übertrieben dargestellter Bündelung der Teilstrahlen 4 und 5 zur Fokussierung im Kontaktbereich A dargestellt. Man erkennt, daß der Druck der aus den Düsen 15 bis 17 austretenden Luftstrahlen 12 die beiden Folienabschnitte zusammenpreßt.
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Die Drucklufteinrichtung zum Zusammenpressen ausgewählter Bereiche von Folienabschnitten wird als pneumatische Klemmeinrichtung bezeichnet. Sie hat gegenüber den bekannten
Klemmeinrichtungen den Vorteil, daß keine mechanischen
Einrichtungen für das Festklemmen der Folien benötigt werden, die teilweise für den Laserstrahl undurchlässig sind und mit dem hindurchgehenden Strahl wechselwirken können. Nähere Angaben darüber finden sich in der US-Patentanmeldung 605 361.
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Claims (1)

  1. Ansprüche
    Verfahren zum Thermoverschweißen zweier Folien unter Verwendung eines Lasers mit einer in den Folien absorbierbaren Wellenlänge, durch Aneinanderlegen der Folien und Bestrahlen der Kontaktbereiche mit dem Laser, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (2) in einen ersten Teilstrahl (5) und einen zweiten Teilstrahl (1I) gespalten wird, und daß die zwei Teilstrahlen (1I; 5) von entgegengesetzten Seiten auf den Kontaktbereich (A) der beiden Folien gerichtet werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Teilstrahlen (1I; 5) auf dem Kontaktbereich (A) der beiden thermoplastischen Folien fokussiert werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrahl (1I). von einem Strahlenteiler (3) auf den Kontaktbereich (A) der Folien gelenkt wird.
    1I. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilstrahlen (1I; 5) nach der Teilung des Laserstrahls (2) reflektiert werden.
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    •χ.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1J, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Laserstrahls (2) mit Hilfe des Strahlenteilers (3) proportional zur Stärke der Folien (9; 10) auf die zwei Teilstrahlen (4; 5) entsprechend der zu bestrahlenden Folie (9 oder 10) verteilt wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Laser (1) einen C0„-Laser verwendet.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Folien (9; 10) Bahnen thermoplastischer Folien verwendet.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Hitze zu verschweißenden Folien die Form eines flachen Rohres aus thermoplastischer Folie haben.
    9. Vorrichtung zum Folienschweißen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Laser (1), durch einen Strahlenteiler (3) für die Teilung des Laserstrahles (2) in zwei Teilstrahlen (1I; 5), durch Halteeinrichtungen (15-18) zum engen Aneinanderpressen von zwei Folien (9; 10), und durch Reflexionsflächen (6-8) zur Richtung der Teilstrahlen
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    vom Strahlenteiler (3) von gegenüberliegenden Seiten auf den Kontaktbereich (A) der zwei von den Halteeinrichtungen (15-18) gehaltenen Folien (9; 10), so daß die Folien (9; 10) im Kontaktbereich (A) schmelzen und miteinander verschweißen.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß drei Reflexionsflächen (6; 7; 8) so ausgerichtet sind, daß sie den ersten Teilstrahl (M) auf eine Seite des Kontaktbereichs (A) lenken.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch zumindest eine den ersten Teilstrahl (M) auf eine erste Seite des Kontaktbereichs (A) lenkende erste Reflexions fläche, und durch zumindest eine den zweiten Teilstrahl (5) auf eine zweite Seite des Kontaktbereichs (A) richtende zweite Reflexionsfläche.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein COp-Laser ist.
    13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen zum Zusammenhalten der Folien (9; 10) Düsen (15, 16, 17, 18) zur Erzeugung von gegeneinander und auf die Folien gerichteten Gasstrahlen (12) aufweist, welche die Folien pneumatisch zusammenpressen.
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    I1I. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (3) derart aufgebaut und angeordnet ist, daß eine Teilung des Laserstrahls (2) in zwei gleiche Teilstrahlen (4; 5) erfolgt .
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