Infrarot-Schweissen von Kunststoffrohren

1.13 Effizientes, thermisches Modell zur präzisen Vorhersage der Schweisszeit beim Infrarot-Schweissen von Kunststoffrohren

Infrarot-Schweissen ist eine etablierte Methode zum Verschweissen von Kunststoffrohren, die sich durch eine hohe Reinheit der Schweissnaht auszeichnet. Die Rohre werden dabei an ihren Stirnflächen über eine Infrarotheizung so lange kontaktlos erwärmt, bis sich eine wenige Millimeter dicke Schmelzfront ausbildet. Anschliessend werden die Rohre zusammengepresst und abgekühlt. Um die Schweisszeit auf ein Minimum zu reduzieren, wurde ein effizientes, thermisches Modell entwickelt, das den Temperaturverlauf in der Schweissnaht während des gesamten Schweissprozesses präzise vorhersagt und so den optimalen Zeitpunkt zum Ausspannen der verschweissten Rohre liefert.

Mitwirkende: T. Hocker, D. Kempf Partner: ZHAW-IMPE-Teams C. Brändli und D. Penner, Georg Fischer Piping Systems Finanzierung: Innosuisse Dauer: 2018–2021

Modelle zur thermischen Simulation des InfrarotSchweissprozesses von Kunststoffrohren werden meist in FE- oder CFD-Tools implementiert. Dabei werden die zu verschweissenden Rohrenden, die IRHeizung sowie die umgebende Luft in 105 –106 Elementen diskretisiert. Zu jedem Zeitschritt muss in jedem Element des Rohrs und der Heizung die Energiebilanz sowie in der Umgebungsluft zusätzlich die Massen- und Impulsbilanzen gelöst werden. Die daraus resultieren Simulationszeiten im Bereich von mehreren Stunden sind zu lang, um in der Steuerungssoftware der IR-Schweissmaschine zum Einsatz zu kommen. Hierfür wird ein Modell benötigt, das den T-Verlauf in der Schweissnaht während des gesamten Schweissprozesses in wenigen Sekunden simuliert. Deshalb wurde in Zusammenarbeit mit Georg Fischer ein neues Modell entwickelt, das die zu verschweissenden Rohrenden in nur fünf Segmente unterteilt, siehe Abbildung 1.

Abbildung. 1: Diskretisierung der zu verschweissenden Rohrenden in nur fünf Segmente.

In jedem dieser fünf Segmente wird eine Energiebilanz gelöst, die jeweils zu- und abfliessende Wärmeströme über Wärmeleitung, natürliche bzw. erzwungene Konvektion sowie Wärmestrahlung berücksichtigt. Die Phasenübergänge beim Schmelzen und anschliessenden Rekristallisieren der Rohrenden werden über ein Modell abgebildet, das über DSC-Daten kalibriert wird. Abbildung 2 zeigt den typischen Verlauf der im Modell simulierten Schweissnahttemperaturen und entsprechenden Messdaten, die in realen Schweissversuchen ermittelt wurden. Auch Details wie das T-Plateau beim Kristallisieren werden korrekt vorhergesagt. Abbildung 3 zeigt das Einsparungspotential für die Schweisszeit, das aus der präzisen Vorhersage des optimalen Ausspannzeitpunkts der verschweissten Rohrenden resultiert. Das Modell wurde mittlerweile in Java implementiert und soll zukünftig in den GF-Schweissmaschinen eingesetzt werden.

Abbildung 2: Validierung der vom Modell vorhergesagten Schweissnahttemperaturen über Schweissversuchen mit T-Sensoren, die in der Schweissnaht platziert wurden.

Abbildung 3: Verkürzung der Schweisszeit von Kunststoffrohren bei Verwendung des neu entwickelten Modells, das den Verlauf der Schweissnahttemperaturen simuliert und so den optimalen Ausspannzeitpunkt der verschweissten Rohrenden vorhersagt.