Höhenverstellbarer Absaugsiphon (Bild: Evosys)
Seit nunmehr fast sieben Jahrzehnten befasst sich Otto Haas, Nürnberg mit der Entwicklung und Produktion von Gummi- und Kunststoffprodukten. Diese werden im Sanitär-, Heizungs- und Klimahandwerk, aber auch in der Medizintechnik, im Maschinen- und Automobilbau sowie in der Windkraft- und Solarindustrie eingesetzt. Das Unternehmen hat sich zudem gezielt als Problemlöser etabliert, denn ein Absaugsiphon wurde speziell für den Austausch- und Renovierungsmarkt entwickelt. Er genügt den einschlägigen DIN-Normen und kann stufenlos um bis zu 65 mm in der Höhe verstellt werden. Dadurch werden auch bei einem Wechsel des Herstellers der Sanitärkeramik aufwendige Arbeiten im Mauerwerk vermieden. Üblicherweise haben alle Keramikhersteller unterschiedliche Anschlussmaße und -abstände. Der Siphon spart nach Angaben des Herstellers Zeit, Geld und Ärger.
Technisch und wirtschaftlich ist das Umsetzen der erforderlichen Funktionen eine beachtliche Leistung. Neben den genormten Anschlussgrößen sind Befestigungslaschen an der Baugruppe, um eine einfache Montage zu ermöglichen. Zuletzt ist noch eine leichtgängige und dichte Höhenverstellung notwendig, damit die Einheit im Gebrauch wasser- und luftdicht ist. Um all diesen Aufgaben gerecht zu werden, ist ein mindestens zweiteiliger Aufbau erforderlich, da der Mechanismus zum Einstellen der Höhe über zwei ineinanderlaufende Rohre realisiert wird. Die beiden Einzelteile in einem einzigen Spritzgussvorgang herzustellen, ist aufgrund der Geometrie und zahlreicher Hinterschnitte nicht umsetzbar. Die Baugruppe wird aus vier Einzelteilen hergestellt.
Als Fügeverfahren standen Kleben, Laser- oder Heizelementschweißen zur Diskussion. Für das Laserschweißen der vier verschiedenen Siphonvarianten sprachen, neben der kurzen Taktzeit, insbesondere der geringe Platzbedarf des Fügeverfahrens sowie dessen Wirtschaftlichkeit. Gegenüber den Alternativen sind die Werkzeugkosten für einen Laserschweißprozess vergleichsweise gering. Durch die hohe Flexibilität der Systemtechnik ist es möglich, beide erforderlichen Schweißungen auf einer Schweißanlage durchzuführen.
Ein weiterer Vorzug des Laserschweißens sind die erzielbaren mechanischen Genauigkeiten, die gerade im Hinblick auf die Rundheit der Einzelteile des Siphons wichtig sind. Durch die sehr geringe Wärmeeinflusszone bei der Laserbearbeitung können hier enge Toleranzen eingehalten werden. Der Prozess kann online überwacht werden, die erzielbare Schweißnahtfestigkeit ist hoch und für das Fügen werden keine Zusatzwerkstoffe benötigt.
Stoffschlüssige Verbindung
Ansicht der Endlagen des verstellbaren Siphons (Bildquelle: O. Haas)
Beim Laserschweißen wird ein lasertransparenter mit einem laserabsorbierenden Kunststoff verbunden. Der Laserstrahl wird durch das lasertransparente Formteil hindurch auf den absorbierenden Fügepartner fokussiert, wodurch dieser oberflächlich aufschmilzt. Durch das Aufeinanderpressen der beiden Teile findet eine Wärmeübertragung in das lasertransparente Kunststoffteil statt. Damit schmelzen beide Fügepartner in diesem Bereich der Laseraktivität auf und es entsteht eine stabile, stoffschlüssige Verbindung ohne größere mechanische Bauteilbelastungen. Der erforderliche Fügedruck wird von außen durch die Spannvorrichtung aufgebracht. Er wird benötigt, um eine möglichst spaltfreie Berührung der Bauteile in der gesamten Fügefläche zu erzielen.
Wie bei allen Schweißverfahren muss auch beim Laserschweißen der Fügedruck in der Abkühlphase aufrechterhalten werden, um der Volumenkontraktion des Kunststoffes entgegenzuwirken. Auf diese Weise können Fehlstellen in Form von Lunkern, die die Schweißnahtqualität beeinträchtigen, vermieden werden.
Neben dem Grundprinzip ist die Art der Energieeinbringung beim Laserschweißen ein wichtiges Merkmal zum Einteilen der Verfahren. Dabei wird zwischen Kontur-, Simultan- und Quasisimultanschweißen unterschieden. Da jedes der Verfahren spezifischen Vorteile und Merkmale aufweist, muss für jeden Anwendungsfall entschieden werden, welche Art der Energieeinbringung eingesetzt wird.
Die beschriebene Baugruppe wird quasi-simultangeschweißt. Bei dieser Variante wird der Laserstrahl unter Verwendung galvanometrischer Spiegel mit sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s entlang der Schweißkontur geführt. Ziel dabei ist, die Kontur mehrfach so schnell abzufahren, dass die Schweißnaht sozusagen gleichzeitig erwärmt und aufgeschmolzen wird. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, mit einem Fügeweg Formteiltoleranzen zu überbrücken.
Komplexes Bauteil – einfacher Prozess
Um den geeigneten Werkstoff für die Baugruppe zu ermitteln, wurden gemeinsam mit dem Anlagenhersteller Evosys Laser, Erlangen, in dessen Technikum Versuchsreihen mit Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyoxymethylene (POM), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyamid (PA) durchgeführt. Hierfür wurden bei Otto Haas alle Materialien mit dem gleichen Spritzgießwerkzeug verarbeitet. Auch für die Schweißversuche war nur ein Werkzeugsatz je Schweißung erforderlich. Als finaler Werkstoff wurde aufgrund der mechanischen Anforderungen und der hohen chemischen Beständigkeit ein PP ausgewählt. Insbesondere die hohe Resistenz gegen Reinigungschemikalien war ausschlaggebend. Die beiden schwarzen Grundkörper sind durch Zugabe von Pigmentruß schwarz absorbierend eingefärbt. Die beiden lasertransparenten Deckel sind aus ungefärbtem PP natur. Unter Berücksichtigung der funktionalen und herstellungsspezifischen Randbedingungen, wurde die Konstruktion der Kunststoffteile entsprechend der Anforderungen des Schweißverfahrens angepasst. Denn eine gut für den Laserstrahl zugängliche Bearbeitungszone ist ebenso wichtig wie die Möglichkeit, die Einzelteile in einer Aufnahme zu fixieren.
Für das Fügen der Einzelteile wurde in der weiteren Zusammenarbeit ein geeignetes Produktionssystem ausgewählt. Aufgrund der gemischten Losfertigung mit anderen, ähnlichen Baugruppen ist ein Komplettsystem prädestiniert für die Produktion. Die Anlage EVO 2800 des Anlagenherstellers eignet sich aufgrund des intuitiven Bedienkonzepts, der leichten Prozessumstellung mittels der Prozesssoftware Evolap und der integrierten Prozessüberwachung besonders dafür. Die standardisierte Laserschweißanlage greift im Inneren auf out-of-the-box-Module aus dem Sortiment des Schweißanlagenherstellers zurück. Sämtliche Komponenten, wie Laser und Steuerung, sind im Anlagengehäuse integriert, damit wird eine kompakte Bauweise erreicht. Aufgrund der Fertigungslogistik wird die Anlage manuell beschickt.
Hightech Inside
Kernelement des Systems ist der Laser mit nachfolgender Strahlformung und -führung. Der Strahl wird mit einem speziellen Optikaufbau in ein dynamisches Spiegelsystem (Galvanometer-Scanner) geleitet. Nach dem Scanner folgt eine Planfeldoptik, die den Strahl in die Bearbeitungsebene fokussiert. Um die komplexe Form der Schweißnaht zu bearbeiten, fährt der Laserstrahl diese mehrfach hintereinander ab. Eine Besonderheit beim Schweißen des Siphons ist die 2,5-dimensionale Schweißgeometrie, das heißt, die Schweißzone ist von oben mit dem Laser erreichbar, liegt aber nicht vollständig in einer Ebene. Dies wird durch die, optisch geeignet eingestellte, große Tiefenschärfe ausgeglichen.
Ein weiteres, unerlässliches Modul ist die Positionier- und Spanneinheit für die beiden zu fügenden Bauteile. Wechselbare, bauteilspezifische Aufnahmen und Spanntechniken sorgen für ein exaktes Positionieren vor dem Schweißvorgang. Sobald beide Fügeteile in der korrekten Lage sind, wird die gesamte Vorrichtung automatisch in Schweißposition gefahren. Nun erfolgt das Spannen mit einem Pneumatikzylinder, um die erforderlichen Kräfte für den Schweißprozess dosieren zu können. Während des Schweißvorgangs erfolgt eine Online-Prozesskontrolle mittels Fügewegüberwachung. Oberflächendefekte und Verschmutzungen der lasertransparenten Bauteile können mit einem Pyrometer detektiert werden. Dadurch wird garantiert, dass in die Anlage eingelegte, verschmutzte Bauteile zu 100 % ausgeschleust werden.
Über ein Human-Machine-Interface (HMI) auf Basis einer Industrie-SPS wird die Anlage bedient. Durch die Programmiersoftware Evolap wird die Flexibilität der Anlage erhöht. Der Anwender kann schnell die Daten für Schweißkontur, Vorschubgeschwindigkeiten und Laserleistung einprogrammieren. Aufgrund der intuitiven Bedienoberfläche, die speziell für die Nutzung auf Touchbildschirmen ausgelegt ist, kann der Benutzer ohne aufwendige Schulung direkt starten.
Der saubere und robuste Fügeprozess garantiert eine hohe Ausbringung, selbst bei den gegebenen Schwankungen des Werkstoffs und der komplexen Bauteilgeometrie. Die Anlage zeigt eine hohe Verfügbarkeit bei extrem niedrigen Folgekosten. Dazu tragen der wartungsarme Laser und die zuverlässigen mechanischen und elektrischen Komponenten bei.
