Kunststoffe werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, darunter geringes Gewicht, gute Schlagfestigkeit, gute Transparenz, gute Isolierung, gute Formbarkeit, gute Einfärbbarkeit und niedrige Verarbeitungskosten, häufig in medizinischen Geräten, Automobilen und Alltagsprodukten verwendet. Seit frühe Menschen versuchten, Speere an Ästen zu befestigen, war der Zusammenbau ein entscheidender Bereich menschlicher Bemühungen, und die endgültige Leistung von Kunststoffteilen hängt weitgehend von den Verbindungsmethoden zwischen ihnen ab. Wissenschaftler und verwandte Ingenieure haben durch langjährige Forschung und Praxis viele verschiedene Kunststoffverbindungsmethoden entwickelt.
Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in diese Kunststoffverbindungstechnologien und soll Designern in verwandten Bereichen als Referenz bei der Auswahl von Kunststoffverbindungsmethoden dienen.
1. Klebeverbindung
Unter Kleben versteht man die Technik, Oberflächen homogener oder heterogener Objekte mittels Klebstoffen miteinander zu verbinden. Klebstoffe sind natürliche oder synthetische, organische oder anorganische Stoffe, die zwei oder mehr Teile oder Materialien durch Grenzflächenadhäsion und -kohäsion miteinander verbinden können. Sie werden zusammenfassend als Klebstoffe, Bindemittel bezeichnet und allgemein als Leim abgekürzt. Kurz gesagt handelt es sich bei Klebstoffen um Stoffe, die Materialien durch Kleben miteinander verbinden.
2. Lösungsmittelbindung
Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem ein Lösungsmittel die Kunststoffoberfläche auflöst und so zu einer Vermischung der Materialien führt. Wenn das Lösungsmittel verdunstet, entsteht eine Verbindung.
3. Verklebung der Verbindungselemente
Beim Kleben von Befestigungselementen handelt es sich um die Verwendung von Befestigungselementen zum Verbinden von Kunststoffteilen, einschließlich Press-{0}}Befestigungselementen, selbstschneidenden Schrauben und Bolzen. Press-{3}}Befestigungselemente verbinden normalerweise Kunststoffteile, indem sie eine Presspassung zwischen einem Vorsprung an ihrem Schaft und einem Loch im Kunststoff erzeugen. Selbst-schneidende Schrauben verwenden selbst-gewinde für die Verbindung, ohne ein Loch bohren zu müssen.
4. Scharnierverklebung
Kunststoffscharniere können in drei Typen unterteilt werden: einteilige integrierte Scharniere, zweiteilige integrierte Scharniere und mehrteilige Kombinationsscharniere. Einteilige integrierte Scharniere werden durch Formen zweier Teile zu einer Einheit hergestellt, ohne dass zusätzliche Komponenten erforderlich sind. Zweiteilige integrierte Scharniere werden hergestellt, indem zwei separate Kunststoffteile geformt und dann zusammengefügt werden. Mehrteilige Kombinationsscharniere erfordern neben der Herstellung von zwei einzelnen Kunststoffteilen noch weitere Komponenten wie Stangen oder Metallscharnierteile. Zu seinen Vorteilen gehört das wiederholbare Öffnen und Schließen, und integrierte Scharniere werden normalerweise innerhalb oder in der Nähe des Inneren des Kastens konstruiert, wodurch die Gesamtgröße der Teile reduziert wird. Zu den Nachteilen gehören hohe Präzisionsanforderungen an die Formung, im Allgemeinen komplexe Formen und die Notwendigkeit umfassender Entwicklungserfahrung bei der rationellen Gestaltung des beweglichen Scharniers.
5. Formteil einsetzen
Unter Insert Molding versteht man einen Formprozess, bei dem ein vorgefertigter Einsatz aus einem anderen Material in eine Spritzgussform eingelegt und anschließend Harz eingespritzt wird. Das geschmolzene Material verbindet sich mit dem Einsatz und verfestigt sich, wodurch ein einteiliges Produkt entsteht. Gewindeeinsätze sind eine primäre Methode zum Erstellen von Gewinden in Kunststoffteilen und bieten eine bessere Verbindungsfestigkeit als selbstschneidende Gewinde. Einsätze sind nicht auf Metall beschränkt; Sie können auch aus Stoff, Papier, Draht, Kunststoff, Glas, Holz, Spulen, elektrischen Bauteilen und mehr bestehen. Das Einsatzformen nutzt die Kombination der isolierenden Eigenschaften von Harz und der leitenden Eigenschaften von Metall, um geformte Produkte zu schaffen, die die Grundfunktionen elektrischer Produkte erfüllen. In-In{8}}Dekoration (IMD) ist eine beliebte internationale Oberflächendekorationstechnologie. Es wird häufig in dekorativen und funktionalen Bedienfeldern für Haushaltsgeräte, Armaturenbretter für Kraftfahrzeuge, Klimaanlagen, Gehäuse/Linsen von Mobiltelefonen, Waschmaschinen, Kühlschränken und mehr verwendet. Beim IMD wird eine vorbedruckte Dekorfolie in eine Spritzgussform gelegt und dann Harz auf die Rückseite der Folie eingespritzt, damit sich das Harz mit der Folie verbindet und aushärtet.
Der Hauptvorteil des Umspritzens besteht in der Kombination der einfachen Formbarkeit und Flexibilität von Harz mit der Steifigkeit, Festigkeit und Hitzebeständigkeit von Metall, was die robuste Herstellung komplexer und komplizierter integrierter Metall-{0}}Kunststoffprodukte ermöglicht.
6. Mehrteiliges Formen
Mehrteiliges Spritzgießen, auch bekannt als zwei-Spritzgießen, bezeichnet ein Formverfahren, bei dem zwei verschiedenfarbige Kunststoffe in dieselbe Form gespritzt werden. Es ermöglicht zwei verschiedene Farben im Formteil und kann regelmäßige Muster oder unregelmäßige wolkenartige Designs erzeugen, wodurch sowohl die Praktikabilität als auch die Ästhetik des Teils verbessert werden.
Das folgende Diagramm veranschaulicht das Prinzip des Zweifarben-Spritzgießens. Es werden zwei Zylinder verwendet, die jeweils den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise wie ein Standard-Spritzgusszylinder haben. Jeder Zylinder verfügt über einen eigenen Kanal, der mit der Düse verbunden ist, und im Düsenkanal ist ein Ein-/Aus-Ventil installiert. Während des Formens, nachdem das geschmolzene Material im Zylinder plastifiziert wurde, steuert das Ein-/Aus-Ventil die Reihenfolge, in der das geschmolzene Material in die Düse eintritt, und den Anteil des ausgegebenen Materials, bevor es in den Formhohlraum eingespritzt wird. Dadurch entstehen verschiedene Kunststoffprodukte mit unterschiedlichen Farbmischungseffekten.
7. Geformte Gewindeverbindungen
Geformte Gewindeverbindungen beziehen sich auf das direkte Anformen von Gewinden an Kunststoffteile durch die Konstruktion der Spritzgussform, wodurch Verbindungen mit anderen Gewinden mit dem gleichen Zahnprofil, Nenndurchmesser und anderen Parametern erzielt werden.
Gewinde an Kunststoffprodukten werden in Außengewinde und Innengewinde unterteilt. Die Entformung von Außengewinden erfolgt in der Regel über einen Schieber, die Entformung von Innengewinden über eine Gewindeverbindungsmethode. Außengewinde haben eine einfachere Struktur, nach dem Formen bleiben jedoch Trennfugen auf dem Kunststoffprodukt zurück. Wenn die Trennlinien offensichtlich sind, beeinträchtigen sie das Aussehen des Produkts und den Sitz der Gewinde. Das Prinzip besteht darin, dass der geneigte Führungspfosten aufgleitet und dann der Auswerferstift das Produkt herausdrückt. Formen mit Innengewinde können weiter unterteilt werden in: 1. Struktur mit erzwungenem Ausdrehen (nicht-drehend). 2. Nicht-erzwungenes Ausdrehen (drehend). Derzeit werden geformte Gewinde hauptsächlich bei der Herstellung von Flaschenverschlüssen verwendet.
8. Gewindeverbindung anzapfen
Unter Kunststoff-Gewindeverbindungen versteht man das Bohren von Löchern in das Kunststoffteil und das anschließende Gewindeschneiden, um Gewinde zu bilden, die dann zur Verbindung mit anderen Teilen verwendet werden. Diese Methode ähnelt der bei Metallteilen.
Seine Vorteile sind: Dieses Verfahren stellt keine Anforderungen an die Form des Kunststoffteils und präzise Positionierungslöcher können mit mechanischen Präzisionswerkzeugen erzielt werden.
9. Druckpassung
Bei der Presspassung, auch Kraftpassung, Presspassung und Schrumpfpassung genannt, werden eine Welle und ein Loch mit einer Presspassung unter einem bestimmten Druck zusammengefügt. Alternativ kann das Loch durch Erhitzen vergrößert oder der Schaft durch Abkühlen verkleinert werden. Nach dem Zusammenbau erreichen die beiden Teile wieder die gleiche Temperatur, wodurch eine Presspassung entsteht. Es nutzt die elastische Verformung von Loch und Schaft in den verbundenen Kunststoffteilen, um nach dem Zusammenbau ein bestimmtes Drehmoment oder eine bestimmte Axialkraft zu übertragen. 10. Schnappverbindung-passende Verbindung
Schnappverbindungen sind Mechanismen, die zum Ineinandergreifen oder Verriegeln eines Teils an einem anderen dienen und typischerweise zum Verbinden von Kunststoffteilen verwendet werden. Das Material ist in der Regel ein flexibler Kunststoff. Der größte Vorteil von Schnappverbindungen ist ihre einfache Installation und Demontage, die ein werkzeugloses Entfernen ermöglicht.
Im Allgemeinen besteht ein Schnappverschluss aus einem Positionierungselement und einem Befestigungselement. Das Positionierungselement führt den Schnappverschluss reibungslos, korrekt und schnell in seine Einbauposition. Der Verschluss sichert den Schnappverschluss an der Basis und verhindert, dass er während des Gebrauchs herunterfällt. Abhängig von der Anwendung und den Anforderungen werden Verbindungselemente in lösbare und unlösbare Verbindungselemente unterteilt. Lösbare Verbindungselemente sind in der Regel so konstruiert, dass sich die Schnappverbindung unter einer bestimmten Trennkraft löst und die beiden Verbindungsteile trennt. Diese Schnappverbindungen werden oft verwendet, um zwei Teile zu verbinden, die häufig zerlegt werden müssen. Nicht-nicht lösbare Befestigungselemente erfordern ein manuelles Kippen, um die beiden Teile zu trennen, und werden hauptsächlich zum Verbinden und Sichern von Teilen verwendet, die während des Gebrauchs nicht demontiert werden müssen.
11. Kunststoffnieten
Nieten ist ein Verfahren, das insbesondere zum Verbinden von Teilen aus unterschiedlichen Materialien (z. B. Kunststoff und Metall) eingesetzt wird. Ein Teil hat eine Niete, die in ein Loch im anderen Teil hineinragt. Anschließend wird der Niet durch das Kaltfließen bzw. Schmelzen des Kunststoffs verformt und bildet einen Nietkopf, der die beiden Teile mechanisch miteinander verriegelt. Durch Änderung des Schweißkopfdesigns können verschiedene Nietkopfdesigns erzielt werden.
Kaltnieten: Beim Kaltnieten wird der Niet unter hohem Druck verformt. Durch den Kaltfluss entstehen hohe Spannungen im Nietbereich, daher ist es nur für Kunststoffe mit guter Duktilität geeignet.
Heißnieten: Beim Heißnieten wird der Schweißkopf durch Kompression erhitzt, sodass weniger Druck erforderlich ist, um den Nietkopf auf dem Niet zu formen, und im Nietkopf weniger Restspannung erzeugt wird. Es kann auf ein viel größeres Spektrum thermoplastischer Materialien als Kaltnieten angewendet werden, einschließlich glasfaserverstärkter Materialien. Die Qualität der Verbindung hängt von der Kontrolle der Prozessparameter Temperatur, Druck und Zeit ab.
Heißgasnieten: Beim Heißgasnieten wird der Niet durch einen Strom überhitzter Luft erhitzt, wobei die Wärme durch Luftrohre um den Niet herum übertragen wird. Anschließend wird der unabhängige Kaltschweißkopf abgesenkt, um den Niet zu komprimieren.
Ultraschall-Nietschweißen: Beim Ultraschall-Nietschweißen schmilzt die vom Schweißkopf bereitgestellte Ultraschallenergie den Niet. Unter dem kontinuierlichen Druck des Schweißkopfes fließt das geschmolzene Nietmaterial in den Hohlraum im Inneren des Schweißkopfes und bildet das gewünschte Nietkopfdesign.
Verfahren zum Schweißen von Kunststoffteilen
Das Schweißprinzip ist das gleiche: Zunächst werden die Passflächen der beiden zu verschweißenden Kunststoffteile erhitzt, bis sie schmelzen; Anschließend wird der Gegendruck auf die Schweißflächen erhöht und der Druck für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten, bis sich die Schweißflächen verfestigen und ein erfolgreiches Schweißen angezeigt wird.
12. Induktionsschweißen
Hierbei werden hauptsächlich Hochfrequenzgeräte mit Hochspannungsgleichrichtung verwendet, um durch die momentane Schwingung einer Hochfrequenz-Elektronenröhre ein elektromagnetisches Wellenstromfeld zu erzeugen. Die inneren Moleküle der verarbeiteten PVC-, TPU-, EVA-, PET- und anderen Kunststoffmaterialien erzeugen polarisierte Reibung und Wärme innerhalb des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Welle. In Kombination mit einem bestimmten Druck wird dadurch der Fusionseffekt für die zu verschweißenden Kunststoffprodukte erzielt.
13. Rotationsschweißen
Rotationsreibschweißmaschinen werden im Allgemeinen zum Schweißen zweier kreisförmiger thermoplastischer Werkstücke verwendet. Beim Schweißen wird ein Werkstück auf einer Grundform fixiert, während das andere Werkstück auf der Oberfläche des fixierten Werkstücks rotiert. Durch den auf die beiden Werkstücke wirkenden Druck schmilzt die durch die Reibung zwischen den Werkstücken entstehende Wärme die Kontaktflächen auf und es entsteht eine feste und dichte Verbindung. Beim Positionierungsrotationsschweißen wird für eine bestimmte Zeit gedreht und dann kurzzeitig an einer bestimmten Position angehalten, was zu einer dauerhaften Verschmelzung führt.
14. Heizplattenschweißen
Beim Heizplattenschweißen werden die Kanten zweier zu verbindender Kunststoffteile auf eine thermostatgesteuerte Heizplatte gelegt und erhitzt, bis die Oberflächen schmelzen. Anschließend werden die erweichten Flächen mit leichtem Druck zusammengedrückt, um die Verbindung herzustellen (siehe Abbildung). Ein weiteres häufig verwendetes Heißsiegelverfahren mit Heizplatten besteht darin, die beiden miteinander zu verbindenden Teile zu stapeln, die Heißsiegelplatte mithilfe von Heizelementen zu erhitzen, sie auf den oberen Teil der beiden Teile abzusenken und Druck auf die Heißsiegelplatte auszuüben. Die Heißsiegelplatte schmilzt den Kontaktbereich der beiden Teile und verfestigt sich dann, um sie miteinander zu verbinden. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zum Abdichten und Verbinden von Polymerharzfolien und Kunststoffteilen eingesetzt.
15. Heißgasschweißen
Beim Heißgasschweißen gibt es drei Verfahren: Punktschweißen, Dauerheißgasschweißen und Extrusionsschweißen. Ihr Grundprinzip ist das gleiche: Die vom Motor erzeugte Luft transportiert die vom Heizdraht erzeugte Wärme ab, wodurch ein Heißluftstrom entsteht, der die beiden zu verschweißenden Kunststoffteile mit dem Schweißdraht schmelzflüssig erhitzt und so miteinander verbindet und den Schweißzweck erfüllt. Durch Punktschweißen werden die Teile vor dem dauerhaften Schweißen miteinander verbunden.
Beim Punktschweißen handelt es sich um einen temporären Schweißprozess, der keine Schweißstäbe, aber eine Punktschweißdüse erfordert.
Beim Dauerschweißen werden Schweißstäbe aus dem gleichen Material wie die zu verschweißenden Teile verwendet. Die Schweißdüse bewegt sich schnell fächerförmig über den Schweißbereich hin und her, bis die V--Nut und der Schweißstab weich genug sind, um zu schweißen. Typischerweise werden sie mit einer heißen Walze zusammengepresst. Unter Extrusionsschweißen versteht man den Prozess, bei dem Füllharz, das entweder aus einem Trichter in Granulatform oder als Schweißstäbe auf einem Zylinder zugeführt wird, aus einem Einschneckenextruder extrudiert wird, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Erwärmung erfolgt über Heizschlangen oder Heißgas, die Klebeflächen werden mit an den Extruder angeschlossenem Heißgas vorgewärmt. Schließlich verschmelzen das Füllharz und die Werkstücke miteinander und es entsteht eine einheitliche Verbindung.
16. Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen wird ein Ultraschallgenerator verwendet, um 50/60-Hz-Strom in elektrische Energie mit 15, 20, 30 oder 40 kHz umzuwandeln. Diese hochfrequente elektrische Energie wird dann von einem Wandler wieder in mechanische Bewegung derselben Frequenz umgewandelt. Diese mechanische Bewegung wird dann über einen Amplitudenwandler auf den Schweißkopf übertragen. Der Schweißkopf überträgt die empfangene Vibrationsenergie auf die Verbindungsstelle der zu verschweißenden Werkstücke. In diesem Bereich wird die Vibrationsenergie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die Kontaktflächen der beiden Kunststoffe schnell schmelzen. Unter Druck verschmelzen sie miteinander. Nachdem die Ultraschallwellen aufgehört haben, wird der Druck einige Sekunden lang aufrechterhalten, um sich zu verfestigen und eine starke Molekülkette zu bilden, wodurch der Schweißzweck erreicht wird. Die Schweißnahtfestigkeit kann sich der Festigkeit des Originalmaterials annähern. Mit Ultraschallwellen lassen sich nicht nur harte Thermoplaste verschweißen, sondern auch Stoffe und Folien verarbeiten.
Zu den Hauptkomponenten eines Ultraschallschweißsystems gehören ein Ultraschallgenerator, eine Wandler-/Verstärker-/Schweißkopfbaugruppe, eine Form und ein Rahmen.
Die Qualität des Ultraschall-Kunststoffschweißens hängt von drei Faktoren ab: der Amplitude des Wandlers/Schweißkopfes, dem ausgeübten Druck und der Schweißzeit. Die Schweißzeit und der Schweißkopfdruck sind einstellbar, während die Amplitude durch den Wandler und den Amplitudenwandler bestimmt wird.
17. Vibrationsschweißen
Beim Vibrationsschweißen sind sechs Prozessparameter beteiligt: Schweißzeit, Haltezeit, Schweißdruck, Amplitude, Frequenz und Spannung.
Das Vibrationsschweißen wird unterteilt in: lineares Vibrationsschweißen, Schienenvibrationsschweißen und Winkelvibrationsschweißen.
Beim linearen Vibrationsreibschweißen wird die an den Kontaktflächen zweier Werkstücke entstehende Reibungswärme zum Schmelzen des Kunststoffs genutzt. Wärmeenergie wird durch die Hin- und Herbewegung eines Werkstücks auf einer anderen Oberfläche mit einer bestimmten Verschiebung oder Amplitude unter Druck erzeugt. Sobald der gewünschte Schweißgrad erreicht ist, hört die Vibration auf, aber der Druck bleibt auf beide Werkstücke ausgeübt, um den geschweißten Teil abzukühlen und zu verfestigen und eine feste Verbindung zu bilden.
Das Orbitalvibrationsreibschweißen ist ein Verfahren, bei dem Reibungswärmeenergie genutzt wird. Beim Orbitalvibrationsreibschweißen bewegt sich das obere Werkstück auf einer Umlaufbahn mit fester Geschwindigkeit-kreisförmig in alle Richtungen. Durch diese Bewegung entsteht Wärmeenergie, die dazu führt, dass die verschweißten Teile der beiden Kunststoffteile ihren Schmelzpunkt erreichen. Sobald der Kunststoff zu schmelzen beginnt, stoppt die Bewegung und die verschweißten Teile der beiden Werkstücke erstarren und sind fest miteinander verbunden. Kleine Spannkräfte führen zu einer minimalen Verformung der Werkstücke und Werkstücke mit einem Durchmesser von bis zu 10 Zoll können mittels Orbitalvibrationsreibschweißen geschweißt werden.
Beim Winkelvibrationsschweißen dreht sich ein Werkstück um einen Drehpunkt. Kommerziell erhältliche Winkelvibrationsschweißmaschinen sind derzeit selten.
18. Laserschweißen
Beim Laserschweißen handelt es sich um eine Technologie, die die von einem Laserstrahl erzeugte Wärme nutzt, um die Kontaktflächen von Kunststoffen aufzuschmelzen und so thermoplastische Platten, Folien oder Formteile miteinander zu verbinden.
Es erschien erstmals in den 1970er Jahren, konnte aber aufgrund seiner hohen Kosten nicht mit früheren Kunststoffverbindungstechnologien wie dem Vibrationsschweißen und dem Heizplattenschweißen konkurrieren. Doch ab Mitte der 1990er Jahre, als die Kosten für die für das Laserschweißen erforderliche Ausrüstung sanken, erfreute sich diese Technologie allmählich großer Beliebtheit.
Das Laserschweißen ist besonders nützlich, wenn es sich bei den zu verbindenden Kunststoffteilen um sehr präzise Materialien handelt (z. B. elektronische Komponenten) oder wenn eine sterile Umgebung erforderlich ist (z. B. medizinische Geräte und Lebensmittelverpackungen). Das Laserschweißen ist schnell und eignet sich daher besonders für die Fließbandbearbeitung von Automobil-Kunststoffteilen. Darüber hinaus kann das Laserschweißen bei komplexen Geometrien in Betracht gezogen werden, die mit anderen Schweißverfahren nur schwer zu verbinden sind.
Zu den Vorteilen des Laserschweißens gehören vor allem: Das Schweißgerät muss die zu verklebenden Kunststoffteile nicht berühren; es ist schnell; Die Ausrüstung verfügt über einen hohen Automatisierungsgrad, was die Bearbeitung komplexer Kunststoffteile erleichtert. es entstehen keine Grate; die Schweißnaht ist stark; es kann hochpräzise Schweißnähte erzeugen; es handelt sich um eine vibrationsfreie-Technologie; es kann luftdichte oder vakuumversiegelte Strukturen erzeugen; es minimiert thermische Schäden und thermische Verformung; und es kann Harze unterschiedlicher Zusammensetzung oder Farbe miteinander verbinden.
19. Heißdrahtschweißen
Beim Heißdrahtschweißen, auch Widerstandsschweißen genannt, werden zwei Kunststoffteile mit einem Metalldraht verbunden.
Zwischen den Kunststoffteilen wird Wärme übertragen, wodurch ihre Oberflächen schmelzen, und es wird Druck ausgeübt, um sie miteinander zu verbinden.
Ein Metalldraht wird auf eine Oberfläche der zu verbindenden Teile gelegt. Wenn Strom durch den Draht fließt, erzeugt sein Widerstand Wärme, die dann auf die Kunststoffteile übertragen wird. Nach dem Schweißen verbleibt der Draht im Kunststoffprodukt und der über die Verbindung hinausragende Teil wird abgeschnitten. In die Teile werden typischerweise Rillen oder andere Positionierungsstrukturen eingearbeitet, um sicherzustellen, dass sich der Draht in der richtigen Position befindet.
