Ein Siphon, wie er heute im Sanitärbereich in jedem Haushalt eingesetzt wird, ist eine einfache aber effektive Lösung, um unangenehme Gerüche aus der Kanalisation zu vermeiden. Durch speziell geformte Rohrsysteme wird Wasser so gestaut, dass sich ein Geruchsverschluss bildet. Die Otto Haas KG in Nürnberg hat ein patentiertes Siphonsystem entwickelt, dass sich speziell bei Renovierungs- und Austauscharbeiten unkompliziert an bestehende Gegebenheiten anpassen lässt.
Seit Jahrzehnten befasst sich die Otto Haas KG in Nürnberg mit der Entwicklung und Produktion von Gummi- und Kunststoffprodukten, die im Sanitär-, Heizungs- und Klimahandwerk, aber auch in der Medizintechnik, im Maschinen- und Automobilbau sowie in der Windkraft- und Solarindustrie Absatz finden. Das Unternehmen hat sich zudem gezielt als Problemlöser etabliert. Den patentierten Absaugsiphon in Bild 1 hat man für den Austausch- und Renovierungsmarkt entwickelt. Er genügt den einschlägigen DI-Normen und kann stufenlos um bis zu 65 mm in der Höhe verstellt werden. Dadurch werden auch bei einem Wechsel des Herstellers der Sanitärkeramik aufwändige Arbeiten im Mauerwerk vermieden. Üblicherweise haben alle Keramikhersteller unterschiedliche Anschlussmaße und -abstände. Der Siphon spart nach Angaben der Otto Haas KG somit viel Zeit, Ärger und Geld.
Technisch und wirtschaftlich ist die Umsetzung der erforderlichen Funktionen eine herausragende Leistung. Neben den genormten Anschlussgrößen, sind Befestigungslaschen an der Baugruppe erforderlich, um eine einfache Montage zu gewährleisten. Zuletzt muss noch eine leichtgängige und dichte Höhenverstellung sichergestellt sein, so dass die Baugruppe am Ende insgesamt 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. Eine Herstellung der beiden Einzelteile in einem einzigen Spritzgussvorgang ist aufgrund der Geometrie und zahlreicher Hinterschnitte nicht umsetzbar. Im Ergebnis muss die Baugruppe aus vier Einzelteilen hergestellt werden.
Als Fügeverfahren standen Kleben, Laser- oder Heizelementschweißen zur Auswahl. Aufgrund der deutlich schlechteren Prozesssicherheit und des Platzbedarfs, können die Bauteile nicht geklebt werden. Für das Laserschweißen der vier verschiedenen Baugruppen sprachen, neben der kurzen Taktzeit, insbesondere der geringe Platzbedarf des Fügeverfahrens sowie die hohe Wirtschaftlichkeit. Gegenüber den Alternativen, sind die Werkzeugkosten für einen Laserschweißprozess vergleichsweise gering. Durch die hohe Flexibilität der Systemtechnik ist es außerdem 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. Abschließend sprachen auch die guten Möglichkeiten der Online-Prozessüberwachung, die hohe erzielbare Schweißnahtfestigkeit und die Tatsache, dass keine Zusatzwerkstoffe erforderlich sind, für den Einsatz der Lasertechnik.
Stoffschlüssig durch Laserbearbeitung
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.
Für die hier bearbeitete Baugruppe wird das Quasisimultanschweißen eingesetzt. 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 es, die Kontur mehrfach so schnell abzufahren, dass die Schweißnaht quasi gleichzeitig erwärmt und aufgeschmolzen wird. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, mittels eines Fügewegs Formteiltoleranzen zu überbrücken.
Als Werkstoff wurde aufgrund der mechanischen Anforderungen und der hohen chemischen Beständigkeit ein PP ausgewählt. Insbesondere die hohe Resistenz gegen Reinigungschemikalien gab dabei den Ausschlag. Die beiden schwarzen Grundkörper sind jeweils durch Zugabe von Pigmentruß schwarz absorbierend eingefärbt. Für die beiden lasertransparenten Deckel kommt ungefärbtes PP natur zum Einsatz. Unter Berücksichtigung der funktionalen und herstellungsspezifischen Randbedingungen, wurde die Konstruktion der Kunststoffteile entsprechend der Anforderungen des Schweißverfahrens angepasst. Hervorzuheben ist eine gut für den Laserstrahl zugängliche Bearbeitungszone sowie die Möglichkeit, die Einzelteile in einer Aufnahme zu fixieren.
Kernelement des Systems ist der Laser mit nachfolgender Strahlformung und -führung. Der Strahl wird mit einem speziellen Optikaufbau in ein dynamisches Spiegelsystem (Galvanometerscanner) 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 der Schweißung des Siphons ist die 2,5-dimensionale Schweißgeometrie, d.h., die Schweißzone ist zwar von oben mit dem Laser erreichbar, liegt aber nicht vollständig in einer Ebene. Durch die optisch geeignet eingestellte große Tiefenschärfe ist dies im Prozess aber unproblematisch.
Ein weiteres für die Fertigung unerlässliches Modul ist die Positionier- und Spanneinheit für die beiden zu fügenden Bauteile. Wechselbare, bauteilspezifische Aufnahmen und Spanntechniken sorgen für eine exakte Positionierung der Bauteile 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 kann garantiert werden, dass in die Anlage eingelegte, verschmutzte Bauteile zu 100% ausgeschleust werden können.
Zusammenfassung
Die Produktion des Siphons der Otto Haas KG zeigt, dass das Laserschweißen ein äußerst wirtschaftliches Verfahren ist, das auch für Alltagsprodukte eingesetzt werden kann. Die Erfahrungen in der Serienproduktion – sowohl mit dem Verfahren Laserschweißen von Kunststoffen, als auch mit der eingesetzten Schweißanlage – sind durchweg positiv. Der saubere und robuste Prozess 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.
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