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Dokumentenidentifikation DE102004025331B4 24.08.2006
Titel Arbeitsgerät zum Verbinden von Zuschnitten aus Flachmaterial
Anmelder Huber, Georg Andreas, 83547 Babensham, DE
Erfinder Huber, Georg Andreas, 83547 Babensham, DE
Vertreter Heuer, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 82335 Berg
DE-Anmeldedatum 19.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004025331
Offenlegungstag 22.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse B29C 65/78(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29C 65/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B65H 21/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Arbeitsgerät zum randseitigen Verbinden von Zuschnitten aus Flachmaterial, um aus diesen einen vorgegebenen dreidimensionalen Hohlkörper herzustellen, sowie ein Arbeitsverfahren, das mit einem solchen Gerät ausführbar ist. Wenn zwei nicht deckungsgleiche Ränder von solchen zweidimensionalen flachen Zuschnitten miteinander durchgehend verbunden werden sollen, so ist dies nur möglich, wenn die resultierende Verbindungslinie bzw. die an der Verbindungslinie verbundenen Zuschnitte eine Krümmung in einer dritten Dimension aufweisen. Als Hohlkörper soll hier im allgemeinsten Sinne jeder dreidimensionale Körper verstanden werden, der eine im Vergleich zu seinem sonstigen Abmessungen geringe Wandstärke aufweist und wenigstens lokal konkav ist.

Ein bekanntes Arbeitsgerät, mit dem herkömmlicherweise nicht deckungsgleiche Ränder von Zuschnitten verbunden werden, ist eine Nähmaschine. Diese hat üblicherweise einen Kopf, der eine auf und ab bewegliche Nadel und einen vertikal verstellbaren Klemmfuß trägt, der dazu dient, die zu bearbeitenden Zuschnitte gegen einen flachen Träger zu drücken, in welchem beiderseits der Nadel zwei Reibplatten beweglich sind, die beim Nähen die zu bearbeitenden Zuschnitte fördern. Um mit einer solchen Maschine gekrümmte Ränder miteinander zu vernähen, bedarf es des ständigen korrigierenden Eingriffs einer Bedienungsperson, die die Zuschnitte quer zur Förderrichtung der Reibplatten nachführt. Die beim Vernähen von nicht deckungsgleichen Rändern resultierende Wölbung der vernähten Bereiche führen zu Spannungen in den Zuschnitten, die ein exaktes Vernähen sehr schwierig machen. Die von Nähmaschinen bekannte Technik zum Fördern der Zuschnitte ist daher nicht geeignet, wenn großformatige Zuschnitte aus einem wenig dehnbaren Material miteinander verbunden werden sollen.

DE 214 88 61 A beschreibt eine Nähmaschine, die anstatt mit einer Nadel mit einem Ultraschall-Schweißkopf ausgestattet und zum Verschweißen von Folienzuschnitten einsetzbar ist.

Aus DE 91 10 488 U1 ist ein Arbeitsgerät zum Verschweißen von Folien bekannt, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist. Es hat Träger in Form von Rollen, über die die zu verschweißenden Folienbahnen ablaufen und die um eine zur Laufrichtung parallele Achse schwenkbar sind, um Dickenschwankungen der Folie auszugleichen. Dieses bekannte Arbeitsgerät eignet sich nicht zum Verbinden von Zuschnitten mit gekrümmten Rändern.

Ein aus DE 16 79 966 B2 bekanntes Verfahren zum Schweißen von Folienzuschnitten verwendet einen sphärischen Träger und ist dementsprechend nur für die Herstellung eines sphärischen Hohlkörpers anwendbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Arbeitsgerät und ein Verfahren anzugeben, die es erlauben, Zuschnitte mit nicht deckungsgleichen Rändern an ihren Rändern mit einem Höchstmaß an Präzision zu verbinden, um einen Hohlkörper von vorgegebener dreidimensionaler Form aus den Zuschnitten exakt zusammenzufügen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Arbeitsgerät mit zwei sich beiderseits einer Grenzlinie erstreckenden Trägern zum Unterstützen jeweils eines Zuschnittes und wenigstens einem Arbeitskopf zum Verbinden der von den Trägern unterstützten Zuschnitte an wenigstens einem Ort der Grenzlinie, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Träger jeweils aus einer Mehrzahl schwenkbarer Segmente aufgebaut sind, die bis auf höchstens eines jeweils wenigstens zwei Schwenkfreiheitsgrade aufweisen.

Mit Hilfe dieser Segmente ist es möglich, mit jedem Träger näherungsweise einen Ausschnitt einer Kegelfläche so nachzubilden, dass die Schnittlinie der zwei Kegelflächen der zwei Träger am zu verbindenden Punkt die für diesen Punkt vorgegebene Krümmung der zwei miteinander verbundenen Ränder der Zuschnitte im dreidimensionalen Raum des fertigen dreidimensionalen Hohlkörpers aufweist und der Schnittwinkel der Kegelflächen am Verbindungspunkt dem entsprechenden Schnittwinkel des dreidimensionalen Hohlkörpers entspricht. Die so geformten Träger unterstützen die Zuschnitte jeweils in an die herzustellende Form angepasster Weise, so dass die Ränder der Zuschnitte einander bereits vor dem Verbinden berühren und im Wesentlichen keine manuelle Korrektur erforderlich ist. Das Gewicht miteinander verbundener Bereiche der zwei Zuschnitte wird aufgrund dieser Stellung der Träger von Letzteren vollständig aufgefangen, so dass während des Verbindens keine quer zu den Rändern orientierten Kräfte in den Zuschnitten auftreten, die diese gegeneinander verschieben und eine exakte Fertigung so erschweren könnten.

Einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge ist der Arbeitskopf entlang der Grenzlinie zwischen den Trägern bewegbar, so dass nach einmaligem Einstellen der Segmente und Platzieren der Zuschnitte darauf diese auf einer im Wesentlichen der Länge der Grenzlinie entsprechenden Länge miteinander verbunden werden können.

Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge sind die Träger mit Antriebsmitteln zum Fördern der Zuschnitte entlang der Grenzlinie ausgestattet. Diese Antriebsmittel erlauben es, auf eine Beweglichkeit des Arbeitskopfes entlang der Grenzlinie zu verzichten und den Vorgang des Verbindens kontinuierlich zu machen, auch wenn die Länge der zu verbindenden Ränder größer als die der Träger ist.

Um jeden Zuschnitt exakt in einer vorgesehenen Richtung zu führen, so dass sich der Rand des Zuschnittes exakt auf der Grenzlinie bewegt, sind an den Trägern Förderrollen in wenigstens zwei verschiedenen Abständen von der Grenzlinie angebracht, und diese sind mit in Abhängigkeit von ihrem Abstand von der Grenzlinie unterschiedlicher Geschwindigkeit antreibbar, um einen Zuschnitt während des Förderns gleichzeitig zu drehen. Die Stärke der Drehung bzw. das Verhältnis der Geschwindigkeiten der Förderrollen eines Trägers wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom Krümmungsradius des Randes des betreffenden Zuschnittes am Ort des Arbeitskopfes so festgelegt, dass dieser Rand sich stets in gleichbleibender Richtung am Arbeitskopf entlang bewegt.

Vorzugsweise sind die Segmente wenigstens eines der Träger durch untereinander gelenkig verbundene Platten gebildet.

Vorzugsweise sind die Platten trapezförmig und untereinander jeweils entlang der langen Grundlinien der trapezförmigen Platten verbunden. Diese Form erlaubt es, den Träger aus einer in Draufsicht langgestreckten Konfiguration in zwei entgegengesetzte Richtungen auszulenken.

Vorzugsweise ist die lange Grundlinie der trapezförmigen Platten der Grenzlinie zugewandt, um eine möglichst lückenlose Unterstützung der Zuschnitte jeweils entlang der Grenzlinie zu gewährleisten.

Alternativ kann auch wenigstens einer der Träger eine kammförmig geschlitzte Platte aus einem flexiblen Material umfassen, wobei die Segmente jeweils durch die Zähne dieser Kammform gebildet sind.

Um eine exakte Anpassung der dreidimensionalen Krümmung eines Zuschnittes an die seines Trägers zu gewährleisten, ist vorzugsweise diesem Träger ein Niederhalter zugeordnet, der wie der Träger aus einer Mehrzahl von schwenkbaren Segmenten aufgebaut ist und zusammen mit dem Träger einen Führungsspalt für einen Zuschnitt definiert.

Eine exakte Förderung des Zuschnittes zwischen Träger und Niederhalter wird dadurch erreicht, dass jede Förderrolle des Trägers mit einer gegenüberliegenden Förderrolle des Niederhalters einen Spalt bildet, in dem der Zuschnitt einklemmbar ist.

Als Arbeitskopf für das Arbeitsgerät kommt grundsätzlich ein beliebiges zum Verbinden der Ränder von Flachmaterialzuschnitten geeignetes Werkzeug in Betracht, von einem Klebebandabroller über einen Nähmaschinenkopf bis hin zu einem Schweißkopf. Um Zuschnitte aus Kunststoffmaterial zu schweißen, ist insbesondere ein Heißluftstrahl-Schweißkopf bevorzugt.

Das Schweißen kann bei Polymerflachmaterial, insbesondere bei kalandrierten Folien, zu einer Schrumpfung des Materials führen. Um diese Schrumpfung zu verhindern bzw. vorab zu kompensieren, ist vorzugsweise ein erster von zwei Rollen gebildeter Spalt in Förderrichtung des Zuschnittes vor dem Ort des Schweißkopfes und ein zweiter von zwei Rollen gebildeter Spalt hinter dem Ort des Schweißkopfes angeordnet, und die Rollen des zweiten Spaltes sind schneller als die des ersten Spaltes angetrieben, um den Zuschnitt am Ort des Schweißkopfes in Längsrichtung des Randes zu dehnen, damit durch die Schrumpfung des Materials nach dem Schweißen die ursprünglichen Abmessungen der Zuschnitte so genau wie möglich wieder erreicht werden.

Um nach dem Schweißen in dem Material der Zuschnitte zurückbleibende Spannungen abzubauen, ist vorzugsweise an dem Arbeitsgerät eine Wärmebehandlungszone vorgesehen, die in Förderrichtung hinter dem Schweißkopf angeordnet ist, so dass sie von den Rändern der Zuschnitte nach dem Schweißen durchlaufen wird.

Um die Dichtigkeit der Schweißung zu prüfen, ist darüber hinaus vorzugsweise in Förderrichtung hinter dem Ort des Schweißkopfes eine Funkenentladungsstrecke oder eine Ultraschall-Prüfvorrichtung vorgesehen.

Des Weiteren ist zweckmäßigerweise eine Materialspannungsprüfvorrichtung vorgesehen, die in für sich allein bekannter Weise, vorzugsweise durch Untersuchung von spannungsinduzierter Doppelbrechung, die Beurteilung der in der Schweißnaht und ihrer Umgebung auftretenden Spannungen erlaubt.

Zum Verschwenken der Segmente der Träger jeweils in Anpassung an den bekannten, vorgegebenen Verlauf der miteinander verbundenen Ränder in dem dreidimensionalen Hohlkörper ist vorzugsweise eine Mehrzahl von durch eine elektronische Steuereinheit gesteuerten Stellgliedern vorgesehen.

Wenn das Arbeitsgerät Förderrollen zum Fördern der Zuschnitte aufweist, so ist die Steuereinheit zweckmäßigerweise eingerichtet, die Stellung der Segmente während des Förderns fortlaufend anzupassen, so dass der Verlauf der Ränder der Zuschnitte beiderseits des Arbeitskopfes, das heißt vor und nach dem Verbinden, möglichst genau der für den herzustellenden Hohlkörper vorgegebenen Form entspricht.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum randseitigen Verbinden von Zuschnitten aus Flachmaterial zu einem vorgegebenen dreidimensionalen Hohlkörper mit folgenden Schritten:

  • a) Festlegen eines Paares von miteinander zu verbindenden Punkten der Ränder von zwei flachen Zuschnitten;
  • b) Ermitteln der lokalen Krümmung der als miteinander verbunden angenommenen Ränder der zwei als zu dem dreidimensionalen Hohlkörper zusammengefügt angenommenen Zuschnitte am Ort des in Schritt a) festgelegten Paares von Punkten und des Schnittwinkels der Zuschnitte am Ort des Paares von Punkten;
  • c) für jeden der zwei Zuschnitte Formen eines Trägers, der einen Ausschnitt aus einem Kegelmantel approximiert, wobei die Kegelmäntel der zwei Träger einander an einem Ort mit dem ermittelten Schnittwinkel schneiden und die Schnittlinie die ermittelte lokale Krümmung ausweist; und
  • d) Platzieren jedes Zuschnittes auf seinem Träger, so dass die festgelegten Punkte ihrer Ränder einander an dem Ort berühren, und Verbinden der Punkte miteinander.

Vorzugsweise werden die Schritte a) bis d) viele Male wiederholt und zwischen zwei Wiederholungen die Zuschnitte weiterbefördert, bis die zu verbindenden Ränder vollständig verbunden sind. Die Strecken, über die die zwei Zuschnitte auf ihren Trägern bei jeder Wiederholung der Schritte a) bis d) weiterbefördert werden, werden zweckmäßigerweise anhand der als gegeben vorausgesetzten Beschreibungen der Zuschnitte und des dreidimensionalen Hohlkörpers so festgelegt, dass zwei jeweils vor dem Weiterbefördern in Schritt a) als miteinander zu verbindend festgelegte Punkte den Ort gleichzeitig erreichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes;

2 ein Schnitt durch dasselbe Arbeitsgerät in der Konfiguration der 1, entlang der Linie II-II aus 1;

3 eine Draufsicht auf das Arbeitsgerät gemäß einer zweiten Ausgestaltung;

4 eine perspektivische Ansicht eines Details eines Arbeitsgerätes gemäß einer dritten Ausgestaltung;

5 ein Detail gemäß einer vierten Ausgestaltung; und

6 eine Draufsicht auf zwei Zuschnitte während des Verbindens mit Hilfe des Arbeitsgerätes nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen.

Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes wird anhand einer in 1 gezeigten Draufsicht und eines in 2 gezeigten Schnittes entlang der Linie II-II der 1 erläutert. Das Arbeitsgerät gliedert sich in eine Träger- und Führungsvorrichtung für zwei miteinander zu verschweißende Zuschnitte 1, 2 aus einer Polymerfolie sowie diverse an dieser Träger- und Führungsvorrichtung angeordnete Werkzeuge zum Verbinden der sich berührenden Ränder der Zuschnitte 1 und 2 und zum Überprüfen der Qualität der Verbindung.

Zunächst wird die Träger- und Führungsvorrichtung erläutert. Sie ist aufgebaut aus zwei Trägern 3, 4 und zwei Niederhaltern 5, 6 für jeweils einen der Zuschnitte 1, 2, die sich beiderseits der Linie II-II aus 1 gegenüberliegen. In der Draufsicht der 1 sind jeweils nur die Niederhalter 5, 6 zu sehen, der Schnitt der 2 zeigt einen Niederhalter 5 und den von ihm durch einen schmalen Spalt 7 zum Hindurchführen des Zuschnittes 1 getrennten Träger 3. Träger 3, 4 und Niederhalter 4, 5 sind jeweils identisch aufgebaut, aus einer Mehrzahl von trapezförmigen Segmenten 8a, 8b, ..., 8f, im Folgenden auch generell mit 8 bezeichnet, deren lange Grundlinien jeweils der Linie II-II zugewandt und untereinander durch Kugelgelenke 9 verbunden sind. Die 1, 2 zeigen jeweils drei Segmente 8 der Träger und Niederhalter; die Zahl der Segmente könnte aber auch größer sein oder im einfachsten Fall lediglich zwei betragen. Bei einem der Segmente 8 jedes Trägers bzw. Niederhalters, in der hier gezeigten Ausgestaltung jeweils dem von den Zuschnitten 1, 2 als erstes durchlaufenen Segment 8a bzw. 8d, sind die Kugelgelenke 9 und mit ihnen die lange Grundlinie des Trapezes in Bezug auf ein nicht dargestelltes Gestell des Arbeitsgerätes ortsfest gehalten. An einem mittig in der Nähe der kurzen Grundlinie des Trapezes angeordneten Gelenk 10 greift ein mit dem Gestell verbundenes Stellglied 11 an, das es erlaubt, den Winkel, unter dem sich die Ebenen des Segmentes 8d der Träger 3, 4 bzw. des Segmentes 8a der Niederhalter 5, 6 an der Linie II-II schneiden, zu variieren. Die Segmente 8a, 8d haben somit jeweils einen einzigen Schwenkfreiheitsgrad.

Eine nicht dargestellte elektronische Steuereinrichtung steuert die Stellglieder 11 der Segmente 8a, 8d des Trägers 3 und des Niederhalters 5 bzw. des Trägers 4 und des Niederhalters 6 jeweils in gleicher Weise an, so dass die auf der gleichen Seite der Linie II-II liegenden Segmente 8a, 8d stets parallel zueinander sind.

Bei den in Förderrichtung der Zuschnitte 1, 2 folgenden Segmenten 8b bzw. 8d greifen am Gelenk 10 und dem das Segment mit einem jeweils nachfolgenden Segment 8c bzw. 8f verbindenden Gelenk 9 jeweils drei Stellglieder 11 an, die entsprechend den Kanten eines Tetraeders angeordnet sind und es erlauben, das betreffende Gelenk in drei Dimensionen frei im Raum zu positionieren bzw. das betreffende Segment in drei Freiheitsgraden zu schwenken. Die elektronische Steuereinheit berechnet Ansteuerwerte für diese Stellglieder 11 jeweils anhand eines vorgegebenen Verlaufes, den der Spalt 7 zwischen Trägern und Niederhaltern haben soll, und der sich aus einer vorgegebenen dreidimensionalen Gestalt ergibt, die eine aus den Zuschnitten 1, 2 zusammengefügte Membran haben soll.

Jedes Segment 8 der Träger 3, 4 und der Niederhalter 5, 6 ist mit mehreren Rollen 12, 13, 14 zum Fördern der Zuschnitte 1, 2 in Richtung der Linie II-II ausgestattet. Dabei sind die Rollen 12, 13 jeweils in einem ersten, kleinen Abstand von der langen Grundlinie ihres Segmentes 8 bzw. der Linie II-II und die Rollen 14 in einem zweiten, größeren Abstand davon angeordnet. Die Rollen 12, 13, 14 der Trägersegmente 8d, e, f und der Niederhaltersegmente 8a, b, c sind jeweils einander exakt gegenüberliegend angeordnet, so dass sie einander entlang einer zu den betreffenden Segmenten parallelen Tangentenfläche berühren und einen der Zuschnitte 1, 2 dabei zwischen sich eingeklemmt halten.

Jede Rolle 12, 13, 14 ist durch einen eigenen Elektromotor 15 mit einer durch die Steuerschaltung individuell festlegbaren Geschwindigkeit antreibbar.

Zu den Werkzeugen und Überprüfungseinrichtungen des erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes gehört ein Heißluftgebläse 20, das über dem Überlappungsbereich der Zuschnitte 1, 2 entlang der Linie II-II in Höhe der von den Zuschnitten als erstes durchlaufenen Segmente 8a, links in 1, angeordnet ist und einen durch eine dichte Schraffierung hervorgehobenen Bereich 21 der Überlappungszone anbläst, um dort die Zuschnitte 1, 2 anzuschmelzen und zu verschweißen. ETFE hat eine Plastifizierungstemperatur von 220°C, so dass Zuschnitte 1, 2 aus diesem Material in dem Bereich 21 wenigstens diese Temperatur erreichen sollten. Der Abstand zwischen der Oberfläche der Zuschnitte und einer die Heißluft ausstoßenden Düse des Gebläses 20 ist vorzugsweise nicht größer als das Zwei- oder Dreifache des Durchmessers der Düse, um einen scharf umrissenen Schweißbereich 21 an den Zuschnitten 1, 2 zu erzeugen, dessen Lage durch eventuellen Luftzug in der Umgebung des Gebläses 20 nicht wesentlich beeinflusst wird.

Ein entsprechendes, nicht gezeigtes Heißluftgebläse kann unterhalb der Transport- und Führungsvorrichtung angeordnet sein, um den gleichen Bereich 21 durch einen Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Trägersegmenten 8d anzublasen.

Das Schmelzen durch das oder die Heißluftgebläse 20 hat bei vielen als Zuschnitte 1, 2 verwendbaren Polymerfolien die Folge, dass das Folienmaterial lokal schrumpft. Während eine solche Schrumpfung quer zur Schweißnaht im Allgemeinen zu vernachlässigbaren Ungenauigkeiten führt und in Kauf genommen werden kann, kann eine Schrumpfung entlang der Schweißnaht zu erheblichen inneren Spannungen des Folienmaterials und zur Ausbildung von Wellen in der Umgebung der Schweißnaht führen. Um diesen Effekt zu kompensieren, treibt die elektronische Steuereinheit die Motoren 15 der hinter dem Schweißbereich 21 eng benachbart zur Schweißnaht angeordneten Rollen 13 der Segmente 8a, 8d mit einer Geschwindigkeit an, die um das erwartete Maß der Schrumpfung höher ist als die der Rollen 12, die vor dem Schweißbereich 21 eng benachbart zu der noch zu erzeugenden Schweißnaht angeordnet sind. Diese Geschwindigkeitsdifferenz führt zu einer Dehnung des Materials der Zuschnitte 1, 2 entlang der Schweißnaht um das erwartete Ausmaß der Schrumpfung, so dass nach Schweißen und Auskühlen der Schweißnaht die Schrumpfung und die Dehnung durch die Rollen 12, 13 einander ausgleichen. So wird eine Schweißnaht erhalten, die arm an internen Spannungen ist und in deren Nachbarschaft das Material der Zuschnitte 1, 2 makellos flach liegt.

In Höhe der als zweites durchlaufenen Segmente 8b, 8d ist ein zweites Heißluftgebläse 22 angeordnet, das durch eine Spalt zwischen den Niederhaltersegmenten 8b die Schweißnaht anbläst. Ein nicht gezeigtes zweites Gebläse zum Anblasen der Schweißnaht von unten kann unterhalb der Trägersegmente 8e angeordnet sein. Aufgabe dieses Gebläses bzw. dieser Gebläse 22 ist, die Schweißnaht ein weiteres Mal zu erwärmen bzw. zu tempern, um dadurch im Material der Zuschnitte 1, 2 nach dem Schweißen verbliebene Restspannungen abzubauen. Die Leistung des Gebläses 22 ist so gewählt, dass es die Schweißnaht auf eine maximale Temperatur zwischen 180 und 220°C erwärmt, die deutlich unter der Plastifizierungstemperatur des Materials der Zuschnitte 1, 2 liegt.

Die der Schweißnaht benachbarten Rollen 12, 13 der Segmente 8b, 8e sind jeweils mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben; falls durch die nochmalige Erwärmung eine weitere Schrumpfung zu erwarten ist, so kann diese bereits bei der Festlegung der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Rollen 12, 13 der Segmente 8a, 8d berücksichtigt werden.

An den nachfolgenden Segmenten 8c, 8f sind jeweils eine Funkeninduktions-Prüfvorrichtung 23 und eine spannungsoptische Prüfvorrichtung 24 angeordnet. Die Funkeninduktions-Prüfvorrichtung 23 umfasst zwei Elektroden, von denen eine oberhalb und die andere unterhalb der Zuschnitte 1, 2 angeordnet sind und die mit einer alternierenden Hochspannung beaufschlagt sind. Wenn die Schweißnaht zwischen den Zuschnitten 1, 2 undichte Stellen oder andere Fehler aufweist, so steigt der Stromfluss über die Funkenstrecke bei Durchlauf des Fehlers messbar an. Die mit der Funkeninduktions-Prüfvorrichtung 23 verbundene Steuereinheit registriert einen solchen Stromanstieg und gibt einen entsprechenden Warnhinweis aus, um eine Bedienungsperson darauf hinzuweisen, dass die Schweißnaht einen Fehler aufweist, und das dieser nachträglich repariert werden sollte.

Anstelle der Funkeninduktions-Prüfvorrichtung 23 kann vorteilhaft auch eine Ultraschall-Prüfvorrichtung mit einer Ultraschallquelle und einem Mikrofon, die jeweils auf die Schweißnaht ausgerichtet sind, eingesetzt werden. Fehler der Schweißnaht, an denen keine Materialkontinuität zwischen den zwei Zuschnitten 1, 2 entstanden ist, sind mit einer solchen Vorrichtung anhand ihres im Vergleich zu einer ordnungsgemäßen Schweißnaht verstärkten Ultraschall-Echo nachweisbar.

Die spannungsoptische Prüfvorrichtung 24 umfasst eine polarisierte Lichtquelle, die einen Abschnitt der Schweißnaht von einer Seite her beleuchtet, und eine Kamera, die den entsprechenden Abschnitt von der anderen Seite her durch einen Polarisator hindurch beobachtet. Wenn der Polarisator gekreuzt zur Polarisationsebene der Lichtquelle orientiert ist und die Schweißnaht spannungsfrei ist, ist das Gesichtsfeld der Kamera dunkel. Interne Spannungen der Schweißnaht, die eine Doppelbrechung in dem transparenten Material der Zuschnitte 1, 2 induzieren, führen lokal zu einer Drehung der Polarisationsebene des Lichtes beim Durchgang durch die Schweißnaht und damit zu einer Aufhellung des Gesichtsfeldes der Kamera bzw. im Extremfall zu Ausbildung von Ringmustern rings um Orte mit hoher Spannung. Indem mit Hilfe der spannungsoptischen Prüfvorrichtung 24 das Vorhandensein solcher Orte hoher Spannung unmittelbar im Anschluss an das Schweißen in Echtzeit erfasst wird, kann verhindert werden, dass die durch Zusammenschweißen der Zuschnitte 1, 2 erhaltene Membran weiterverwendet wird, wenn darin unzulässig hohe Spannungen auftreten, die über kurz oder lang zu einem Ausfall der Membran, zu Faltenbildung oder Undichtwerden der Schweißnaht führen könnten. Statt dessen kann eine solche Membran repariert oder, wenn eine Reparatur nicht möglich oder nicht lohnend ist, verworfen werden. Kostenträchtige Nachbesserungen, die erforderlich würden, wenn die Membran erst nach Einbau an einen Bestimmungsort oder anderweitige Weiterverwendung ausfällt, werden so vermieden.

3 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes. Teile dieses Arbeitsgerätes, die Teilen der Ausgestaltung der 1 und 2 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut erläutert. Der Unterschied zwischen der Ausgestaltung der 3 und derjenigen der 1 und 2 liegt in der beweglichen Aufhängung der Segmente 8a bis 8f. Während bei der Ausgestaltung der 1 und 2 jeweils Gelenke 10 in der Nähe der kurzen Grundlinie der trapezförmigen Segmente vorgesehen sind, an welchen Stellglieder 11 angreifen, um den Schnittwinkel zwischen den sich beiderseits der Linie II-II bzw. der Schweißnaht gegenüberliegenden Segmenten einzustellen, ist bei der Ausgestaltung der 3 zu dem gleichen Zweck ein Getriebemechanismus vorgesehen, der nachfolgend bezogen auf den in der Figur gezeigten Niederhalter 5 bzw. 6 beschrieben wird, der aber symmetrisch auch an den Trägern 3, 4 realisiert ist.

Ein Elektromotor 30 ist am mittleren Segment 8b des Niederhalters 5, 6 angeordnet und treibt ein Kegelrad 31, das mit zwei einander gegenüberliegenden Kegelrädern 32 kämmt. Diese Kegelräder sitzen jeweils am Ende einer zylindrischen Stange 33, die in einer Halterung 34 drehbar, aber axial unverschiebbar gehalten ist. Die Stange 33 ist jeweils über ein Kardangelenk 35 mit einer Gewindestange 36 verbunden, die jeweils in einem Innengewinde 37 gehalten ist, das mit dem benachbarten Segment 8a bzw. 8c durch ein Kugelgelenk verbunden ist. Der Drehsinn der Gewinde der zwei Gewindestangen 36 ist jeweils entgegengesetzt, so dass durch eine Drehung des Elektromotors 30 entweder die von der Linie II-II abgewandten Ecken der trapezförmigen Segmente zueinander hin gezogen oder voneinander fortgeschoben werden.

Eine alternative Ausgestaltung eines Trägers oder Niederhalters ist in einer perspektivischen Detailansicht in 4 dargestellt. Die mehreren in sich starren Segmente der bisher beschriebenen Ausgestaltungen sind hier durch einen einteiligen Kamm 40 aus einem steifen Kunststoffmaterial mit einem durchgehenden, der Schweißnaht zugewandten Rücken 41 und einer Vielzahl von von dem Rücken abstehenden Zähnen 42 ersetzt. Diese Bauform erlaubt es, mit einer minimalen Zahl von Stellgliedern die Form eines Kegelmantelausschnittes durch Drehen des Rückens 41 um seine Längsachse A und Biegen um zwei zur Längsachse orthogonale Achsen mit einer im Wesentlichen nur durch die Dichte der Zähne 42 begrenzten Genauigkeit nachzubilden.

Eine ähnliche genaue Nachbildung der Kegelmantelform ist mit Hilfe eines Segmentes 50, wie in 5 gezeigt, realisierbar. Das Segment 50 hat im Wesentlichen die Form eines flachen, starren Stabes aus einem biegesteifen Material, von dem am Ende einer Schmalseite zwei eine Gelenkgabel bildende Laschen 51 abstehen. Von dem entsprechenden Ende der gegenüberliegenden Schmalseite steht, über ein Stück Federstahl 52 um eine zur Längsrichtung des Segmentes 50 parallele Achse biegbar verbunden, ein Gelenkkopf 53 ab, der bemessen ist, um in der Gelenkgabel eines nicht dargestellten, identischen Segmentes 50 aufgenommen zu werden. Die von den Gelenken abgewandten Enden benachbarter Segmente 50 sind jeweils durch Zug-Druckfedern 54 verbunden. Durch Verbinden einer Vielzahl von Segmenten 50 miteinander wird ein Träger oder Niederhalter in Form eines Kammes ähnlich dem der 4 erhalten, wobei die Zug-Druckfedern 54 und die Federstahlplättchen 52 jeweils eine Biegsamkeit der erhaltenen Kammform um die zwei zueinander senkrechten Achsen und die ineinandergreifenden Gabelgelenke die Übertragung eines zur Längsrichtung A des Rückens parallelen Drehmomentvektors von einem Segment 50 zum nächsten ermöglichen.

6 veranschaulicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes zum Verbinden von Zuschnitten 1, 2 mit nicht geradlinigen Rändern. Solche nicht geradlinigen Ränder werden benötigt, wenn aus mehreren Zuschnitten aus Flachmaterial ein dreidimensionaler Hohlkörper zusammengefügt werden soll. In der Praxis ist in der Regel die Gestalt des zu realisierenden dreidimensionalen Hohlkörpers vorgegeben, und es werden die Randverläufe von Zuschnitten berechnet, mit denen die vorgegebene Gestalt zusammengefügt werden kann.

Jeder stetige Randverlauf kann lokal als Kreisbogen approximiert werden, dessen Krümmungsradius entlang des Randes variieren kann. Der Einfachheit halber sind in 6 zwei Zuschnitte 1 und 2 dargestellt, bei denen der Krümmungsradius ihrer Ränder 61, 62 im in der Fig. dargestellten Bereich konstant ist. Die Durchlaufrichtung der Zuschnitte 1, 2 durch den Schweißbereich 21 in 6 ist von oben nach unten; die oberhalb des Schweißbereiches 21 liegenden, noch unverbundenen Abschnitte der Ränder 61, 62 sind als durchgezogene Linien dargestellt; sie überlappen nicht. Der ursprüngliche Verlauf der Ränder in der Ebene unterhalb des Schweißbereiches 21 ist jeweils durch eine strichpunktierte Linie dargestellt; die miteinander der Linie 63 verbundenen Ränder verlaufen außerhalb der Zeichnungsebene der Figur. Die die Zuschnitte 1, 2 antreibenden Rollen 13, 14 sind der Einfachheit halber auf einer Linie eingezeichnet, die die Krümmungsmittelpunkte M1, M2 der zwei Zuschnitte 1, 2 verbindet. Die elektronische Steuereinheit kennt den Krümmungsradius r1, r2 der Segmente 1, 2 sowie die Abstände d13, d14 der Rollen 13, 14 vom Mittelpunkt des Schweißbereiches 21. Sie steuert die Geschwindigkeit der Motoren der Rollen 13, 14 so, dass für die Rolle 13 auf Seiten des Zuschnittes 1 eine Fördergeschwindigkeit v13 = v(1 – d13/r1) und für die Rolle d14 eine Geschwindigkeit v14 = v(1 – d14/r1) und entsprechend auf Seiten des Zuschnittes 2 für die Rolle 13 eine Geschwindigkeit v13 = v(1 – d13/r2) und für die Rolle 14 eine Geschwindigkeit v14 = v(1 – d14/r2) resultiert, wobei v für alle Rollen 13, 14 gleich und die Geschwindigkeit ist, mit der die Ränder 61, 62 den Schweißbereich durchlaufen. Durch diese Wahl der Fördergeschwindigkeiten wird erreicht, dass bei beiden Zuschnitten 1, 2 der Krümmungsmittelpunkt M1, M2 jederzeit in Ruhe ist, so dass die zu verbindenden Ränder 61, 62 während des Förderns und Schweißens der Zuschnitte 1, 2 jederzeit im Schweißbereich 21 aufeinandertreffen.

Indem gleichzeitig die Steuereinheit die Form der Träger 3, 4 und Niederhalter 5, 6 mit Hilfe der Stellglieder 11 an die vorgegebene, durch das Verschweißen der Ränder zu realisierende Gestalt anpasst, wird erreicht, dass die miteinander verschweißten Teile der Zuschnitte 1, 2 großflächig unterstützt und geführt sind, so dass nicht aus dem Eigengewicht der Zuschnitte 1, 2 unkontrollierbare Zugkräfte resultieren, die die Genauigkeit der Förderung und der Schweißung beeinträchtigen könnten.

Die Erfindung ist oben ausschließlich anhand eines Schweißgerätes als Ausführungsbeispiel beschrieben, doch versteht sich, dass an Stelle des Schweißens eine beliebige andere Verbindungstechnik wie etwa Nähen, Kleben, je nach Art und Eignung des für die Zuschnitte 1, 2 verwendeten Materials, zum Einsatz kommen könnte. Außerdem ist ohne Weiteres eine vereinfachte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes denkbar, bei der keine Rollen 12, 13, 14 zum automatischen Fördern der Zuschnitte 1, 2 vorhanden sind, sondern die Zuschnitte 1, 2 von Hand auf Träger aufgelegt oder zwischen Träger und Niederhalter eingefügt werden, die jeweils passend zur herzustellenden dreidimensionalen Gestalt so geformt sind, dass die Zuschnitte 1, 2 großflächig von den Trägern unterstützt werden und gleichzeitig ihre zu verbindenden Ränder sich im unterstützten Bereich berühren oder überlappen, und anschließend ein Schweißkopf oder ein anderes Werkzeug zum Verbinden der Ränder der Zuschnitte an den einander berührenden oder überlappenden Rändern der Zuschnitte entlanggeführt wird.

1, 2Zuschnitt 3, 4Träger 5, 6Niederhalter 7Spalt 8a, 8b, ..., 8fSegment 9Kugelgelenk 11Stellglied 12, 13, 14Rolle 15Elektromotor 20Heißluftgebläse 21Schweißbereich 22Heißluftgebläse 23Funkeninduktions- Prüfvorrichtung 24spannungsoptische Prüfvorrichtung 30Elektromotor 31, 32Kegelrad 33Stange 34Halterung 35Kardangelenk 36Gewindestange 37Innengewinde 40Kamm 41Rücken 42Zähn 50Segment 51Lasche 52Federstahlstück 53Gelenkkopf 54Zug-Druckfedern 61, 62Ränder 63Linie

Anspruch[de]
  1. Arbeitsgerät zum randseitigen Verbinden von Zuschnitten aus Flachmaterial, mit zwei sich beiderseits einer Grenzlinie erstreckenden Trägern (3, 4) zum Unterstützen jeweils eines Zuschnitts (1, 2) und wenigstens einem Arbeitskopf (20) zum Verbinden der von den Trägern (3, 4) unterstützten Zuschnitte (1, 2) an wenigstens einem Ort der Grenzlinie, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (3, 4) jeweils aus einer Mehrzahl von schwenkbaren Segmenten (8d, 8e, 8f) aufgebaut sind, von denen alle bis auf höchstens jeweils eines (8d) wenigstens zwei Schwenkfreiheitsgrade aufweisen.
  2. Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskopf entlang der Grenzlinie bewegbar ist.
  3. Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (3, 4) mit Antriebsmitteln (12, 13, 14, 15) zum Fördern der Zuschnitte (1, 2) entlang der Grenzlinie ausgestattet sind.
  4. Arbeitsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Trägern (3, 4) Förderrollen (12, 13, 14) in wenigstens zwei verschiedenen Abständen (d13, d14) von der Grenzlinie angebracht sind, und dass die Förderrollen jedes Trägers mit in Abhängigkeit von ihrem Abstand von der Grenzlinie unterschiedlicher Geschwindigkeit antreibbar sind.
  5. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (8d, 8e, 8f) wenigstens eines der Träger (3, 4) durch untereinander gelenkig verbundene Platten gebildet sind.
  6. Arbeitsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten trapezförmig sind.
  7. Arbeitsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Grundlinie der trapezförmigen Platten der Grenzlinie zugewandt ist.
  8. Arbeitsgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die trapezförmigen Platten an den Enden ihrer langen Grundlinien gelenkig verbunden sind.
  9. Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Träger eine kammförmig geschlitzte Platte (40) aus einem flexiblen Material umfasst, wobei die Segmente jeweils durch die Zähne (42) der Kammform gebildet sind.
  10. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem der Träger (3, 4) ein Niederhalter (5, 6) zugeordnet ist, der aus einer Mehrzahl von schwenkbaren Segmenten (8a, 8b, 8c) aufgebaut ist und zusammen mit dem Träger (3, 4) einen Führungsspalt (7) für einen Zuschnitt (1, 2) definiert.
  11. Arbeitsgerät nach Anspruch 10, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Förderrolle (12, 13, 14) des Trägers (3, 4) mit einer gegenüberliegenden Förderrolle (12, 13, 14) des Niederhalters (5, 6) einen Spalt bildet, in dem der Zuschnitt (1, 2) einklemmbar ist.
  12. Arbeitsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskopf (20) ein Schweißkopf, insbesondere ein Heißluftstrahl-Schweißkopf ist.
  13. Arbeitsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster von zwei Rollen (12) gebildeter Spalt in Förderrichtung des Zuschnitts (1, 2) vor dem Einwirkort (21) des Schweißkopfes (20) und ein zweiter von zwei Rollen (13) gebildeter Spalt hinter dem Einwirkort (21) liegt, und dass die Rollen (13) des zweiten Spalts schneller als die (12) des ersten Spalts angetrieben sind, um den Zuschnitt (1, 2) am Einwirkort (21) zu dehnen.
  14. Arbeitsgerät nach Anspruch 12 oder 13, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung hinter dem Einwirkort (21) eine Temperzone vorgesehen ist.
  15. Arbeitsgerät nach Anspruch 12 oder 13, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung hinter dem Einwirkort (21) eine Funkenentladungsstrecke (23) vorgesehen ist.
  16. Arbeitsgerät nach Anspruch 12 oder 13, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, oder Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung hinter dem Einwirkort (21) eine Ultraschall-Prüfvorrichtung vorgesehen ist.
  17. Arbeitsgerät nach Anspruch 12 oder 13, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, oder einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in Förderrichtung hinter dem Einwirkort (21) eine Materialspannungsprüfvorrichtung (24) vorgesehen ist.
  18. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von durch eine elektronische Steuereinheit gesteuerten Stellgliedern (11) zum Verschwenken der Segmente (8a, 8b, 8c, ..., 8f).
  19. Arbeitsgerät nach Anspruch 18, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Stellung der Segmente während des Förderns fortlaufend so anzupassen, dass die Ränder (61, 62) der Zuschnitte (1, 2) wenigstens in der Umgebung des Einwirkorts (21) des Schweißkopfes (20) einander berühren.
  20. Arbeitsgerät nach Anspruch 18, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, oder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Geschwindigkeit der Förderrollen (12, 13, 14) jedes Trägers (3, 4) so zu steuern, dass, wenn r der Krümmungsradius des Randes (61, 62) von diesem Träger (5, 6) unterstützten Zuschnitts (1, 2) am Einwirkort (21) des Arbeitskopfes (20) ist und d der Abstand einer Förderrolle (13, 14) von der Grenzlinie ist, die Geschwindigkeit der Förderrollen (13, 14) dieses Trägers (3, 4) proportional zu r-d ist.
  21. Verfahren zum randseitigen Verbinden von Zuschnitten (1, 2) aus Flachmaterial zu einem vorgegebenen dreidimensionalen Hohlkörper, mit den Schritten:

    a) Festlegen eines Paars von miteinander zu verbindenden Punkten der Ränder von zwei flachen Zuschnitten anhand einer Beschreibung der Zuschnitte und des dreidimensionalen Hohlkörpers;

    b) Ermitteln der lokalen Krümmung der als miteinander verbunden angenommenen Ränder der zwei als zu dem dreidimensionalen Hohlkörper zusammengefügt angenommenen Zuschnitte (1, 2) am Ort des Paars von Punkten und des Schnittwinkels der Zuschnitte (1, 2) am Ort des Paars von Punkten;

    c) für jeden der zwei Zuschnitte (1, 2) Formen eines Trägers (3, 4), der einen Ausschnitt aus einem Kegelmantel approximiert, wobei die Kegelmäntel der zwei Träger (3, 4) einander an einem Ort (21) mit dem ermittelten Schnittwinkel schneiden und die Schnittlinie die ermittelte lokale Krümmung aufweist;

    d) Platzieren jedes Zuschnitts (1, 2) auf seinem Träger (3, 4), so dass die festgelegten Punkte ihrer Ränder einander an dem berühren, und Verbinden der Punkte miteinander.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschnitte (1, 2) auf ihrem Träger (3, 4) weiterbefördert und die Schritte a) bis d) wiederholt werden, bis die zu verbindenden Ränder (61, 62) vollständig verbunden sind.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecken, über die die Zuschnitte auf ihren Trägern weiterbefördert werden, so festgelegt werden, dass zwei zuvor in Schritt a) als miteinander zu verbindend festgelegte Punkte zur gleichen Zeit den Schnittpunkt (21) der Träger erreichen.
  24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (61, 62) unterbrechungslos verbunden werden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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