Textilschweißen:

Thermisches Fügen und Verbinden von Textilien für Orthopädie- und Medizintechnik

  Textile welding: Thermal joining and connecting for orthopaedic and medical technology

 

Dipl.-Ing. Reinhard Bäckmann

IUB Ingenieurbüro und Unternehmensberatung Bäckmann

Stand: Januar 2004

 

 

Inhalt: 

1  Grundwissen der Thermofügetechnik  3

2  Systematik der Textilschweißverfahren  7

3  Indirekte Schweißtechniken für Textilien  12

3.1  Heißluftschweißen (Warmgasüberlappschweißen) 12

3.2  Heizkeilwärmekontaktschweißen  12

3.3  Heizelementwärmekontaktschweißen  13

3.4  Heizelementwärmeimpulsschweißen  14

3.5  Strahlungsschweißverfahren  14

3.6  Heizelementstrahlungsschweißen  15

3.7  Laserstrahlschweißverfahren  15

4  Direkte Schweißtechniken: Ultraschall und Hochfrequenz  17

5  Thermokleben von Textilien  22

6  Zusammenfassung  24

 

 

1    Grundwissen der Thermofügetechnik

Mit einer gewissen Regelmäßigkeit tauchen immer wieder Slogans auf wie:

-  Schweißen ersetzt Nähen

-  Neue Ultraschallnähmaschine entwickelt

-  Hochfrequenzschweißen ohne PVC

-  Naturfasern schweißbar durch Gentechnik

- das war so in den 60er Jahren, in den 70er Jahren, den 90ern,  und zur Zeit - auch wieder einmal.

Während jedoch früher das Textilschweißen fast immer in die Sackgasse führte, da zu hohe Erwartungen geweckt wurden, stehen heute die Vorzeichen günstiger. Ähnlich wie bei der Entwicklung des Kunststoff-Schweißens, bedingt durch den Einsatz von Thermoplasten in Kompaktform oder als Beschichtung oder Folie, gibt es immer mehr schweißbare Textilfasern am Markt, die als Grundwerkstoff fast die gesamte Palette der Thermoplaste und Thermoelaste umfassen, die als Textilien in Orthopädie- und Medizintechnik eingesetzt werden.

So gibt es beispielsweise beim thermischen Trennen eine Möglichkeit, die Schnittkanten sofort mit zu verschweißen, das thermische Fügen erzeugt flächig geschlossene oder teiloffene Verbindungen und vermeidet die gewisse Undichtigkeit der Nähnähte.

Die grundlegende Idee des Textilschweißens und Thermofügens gegenüber dem Nähen ist also,

–  punktförmige Nahtspannungen, mechanische Vorschädigung und Stichlocheffekte und Nahtöffnung zu vermeiden.

Man muss also die Frage aufwerfen:

–  Nähen, Textilschweißen oder Thermokleben -

welche Fügemethode ist bei welchem Fasermaterial richtig?

Die thermischen Fügetechnologien für Textilien und Textilverbundstoffe haben, vereinfacht gesprochen, etwas mit Temperatur und Wärme zu tun. Bekanntlich sind die meisten Bestandteile der Textilstoffe Fasermaterialien, die auf Wärme in besonderer Art und Weise reagieren - vielfach negativ. Die Orientierung und damit die Festigkeit und Elastizität textiler Fasern sind unmittelbar nach der Flächenbildung und Ausrüstung maximal bzw. optimal ausgebildet. Eine zusätzliche thermische Behandlung bedeutet daher in der Regel eine mehr oder weniger weitgehende Verschlechterung der Eigenschaften. Je nach Anwendung ist die Wärmeeinwirkung auf die Textilien mehr oder weniger konzentriert bzw. lange fortzusetzen.

Bei den textilen Fügetechnologien ist  Schweißen besonders interessant. Es wird wie folgt definiert:

Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Es kann durch Schweißhilfsstoffe, z. B. Pasten, Pulver oder Folien ermöglicht oder erleichtert werden. Die in der Schweißzone wirkende Arbeit wird von außen oder innen durch Energieträger zugeführt. Es müssen dabei keine gleichartigen Faserstoffe sein, da nur eine Mischung in der Schmelze gefordert wird, die jedoch nur bei gleichem Schmelzbereich möglich ist.

Bei mikroskopischer Betrachtung sind jedoch viele Textilschweißverbindungen keine Schweißungen im Sinne der Norm und es ist sinnvoll, nach

-  Stoffschluss, also Schweißen,

-  molekularen Kraftschluss, dem thermischem Kleben und Fixieren,

-  Strukturschluss, dem Vulkanisieren und

-  Formschluss, dem thermoplastischen Verankern

zu gliedern; hinzu kommt noch der

-  Diffusionsschluss, was man als " Textillöten" bezeichnen kann.

Bei allen ist das objektive Kriterium die unterschiedlichen Verbindungsmechanismen, die in der Fügezone wirken. Diese können auch noch in Kombinationen untereinander auftreten und beeinflussen so die Verbindungsqualität.

 

2    Systematik der Textilschweißverfahren 

Das Prinzip einer Schweißung von thermoplastischen Werkstoffen ist dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Wärmeeinwirkung bis in den thermoplastischen Bereich erhitzt werden. Dabei haben die Moleküle eine solche Beweglichkeit erreicht, dass sie mit bisher nicht anwesenden Molekülen, z. B. eines anderen Fügeteils, eine Verbindung eingehen können. Durch Druckeinwirkung werden diese Moleküle der sich berührenden Oberflächen dicht zusammengedrängt und bilden eine fast homogene Verbindungszone. Da mit der Druckeinwirkung eine Abkühlung verbunden ist, nimmt mit der Temperatursenkung die Beweglichkeit der Moleküle so ab, dass sich der Werkstoff wieder im thermoplastischen Bereich befindet mit der neuen, festen Verbindungsstelle der gefügten Teile.

Der thermoelastische Bereich ist der allgemeine Verwendungssektor, in dem die Textilien ihre Festigkeits- und Gebrauchseigenschaften entfalten. Nur im thermoplastischen Bereich ist das Fügen nach dem Schweißverfahren möglich. Für die geforderten Verwendungseigenschaften sind die Werkstoffe in diesem Temperaturbereich nicht mehr einsetzbar, da frühere Fügestellen bei Belastung wieder zerstört werden können. Die Schmelz- und Zersetzungspunkte liegen temperaturmäßig meist dicht beieinander, sie dürfen beim Schweißen oder Thermofügen nicht erreicht werden.

Wie kommt nun die Schweißwärme in konzentrierter Form an die Verbindungsstelle?

Die Physik bietet hier an die

–    Wärmeübertragung als indirekte Erwärmung sowie die

–    Wärmeerzeugung direkt im Material bzw. Textil.

Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmemitführung (Konvektion), Wärmestrahlung.

Sie treten stets mehr oder weniger gemeinsam auf.

Wärmeleitung

Bei der Wärmeleitung, z. B. durch ein Heizelement oder Heizkeil, wird die Wärme durch die Bewegung der Moleküle, die sich gegenseitig anstoßen, durch den Körper geleitet. Die Wärmeleitung ist ein Ausgleichsvorgang, dabei geht von der Stelle mit höherer Temperatur zu der mit niedrigerer Temperatur ein Wärmestrom über und zwar abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Textils - viele Textilien sind aber schlechte Wärmeleiter bzw. sogar Wärmedämmstoffe. Es wird deshalb im allgemeinen mit hohen Temperaturen geschweißt mit Heizelementen, lediglich bei dünnen Textilien, die niedrigschmelzend sind, reichen niedrige Temperaturen aus. Die Wärmeleitung ist ein molekularer Vorgang.

Wärmemitführung (Konvektion)

Kennzeichnend für die Wärmemitführung, auch Konvektion genannt, ist, dass sich der Wärmeträger (z. B. Luft) dabei bewegt und die in ihm enthaltene Wärme mit sich führt. In diese Gruppe gehören Schweißverfahren mittels Heißluft, Brenngasen und auch das Schweißen mit Plasma. Die Konvektion ist ein makroskopischer Vorgang, der nur in Gasen und Flüssigkeiten existiert, wobei die Wärme vom Gas zum Festkörper durch Wärmeleitung übertragen wird.

Wärmestrahlung

Die Wärmestrahlung ist ein elektromagnetischer Vorgang, der von dem wärmeabgebenden Körper ausgeht. Es handelt sich dabei vornehmlich um Wellen im Bereich der UV/VIS/ zum kurzen und langen Infrarot. Die Aufnahme der Strahlungsenergie durch die Textiloberfläche hängt vom Absorptionsvermögen dieser Schicht ab. Jede Reflexion sowie Transmission leistet keinen Beitrag zur Erwärmung. Außerdem dringt die Strahlung nur in eine bestimmte Schichttiefe ein, und von dieser Schicht wird durch Wärmeleitung der weitere Erwärmungsprozess erfolgen. Die indirekten Verfahren durch Leitung, Konvektion sowie Strahlung haben teilweise den Nachteil der äußeren Erwärmung, also nicht direkt an der Fügestelle.

Zur mechanischen Erwärmung kann man Reibung, Bewegung oder mechanische Wellen, wie Ultraschall, nutzen.

Bei der elektrischen Erwärmunggibt es die Widerstandserwärmung durch Gleich- oder Wechselstrom, bei der ein Strom durch ein leitfähiges Textil fließt.

Die Induktionserwärmung nutzt ein elektromagnetisches Spulenfeld aus bei leitfähigem Textil.

Bei der Hochfrequenzerwärmung werden die elektrischen Materialeigenschaften eines Kondensatorwechselfeldes zur Erwärmung genutzt, wobei ein eventueller Isolationsdurchschlag zu beachten ist.

In Frage kommt auch das gerichtete elektrische Strahlungsfeld, die so genannte

Dipolerwärmung durch Mikrowellen. 

Dabei sind nicht nur

-  die Fasereigenschaften wichtig,

sondern die Summeneigenschaften des Textils in Form von

-  Textilflächen, die imprägniert, unbeschichtet, beschichtet, gummiert, laminiert, kaschiert, kalandriert, vernadelt und übernäht usw. sein können. 

Der gesamte Werkstoffverbund beeinflusst also die gewünschte Schweißverbindung.

Es ist zu beachten:

Das gleiche Schweißverfahren auf unterschiedliche textile Flächengebilde angewandt ergibt unterschiedliche Schweißprozessbedingungen und differierende Schweißergebnisse. So ist besonders der Unterschied zwischen

–    beschichteten und unbeschichteten Textilien

–    hochelastischen und normalelastischen Textilien

–    Normal- und Hochtemperaturtextilien

fundamental.

 

3    Indirekte Schweißtechniken für Textilien

Die Norm bezeichnet das bekannte Heißluftschweißen von Textilien als

3.1  Heißluftschweißen (Warmgasüberlappschweißen)

In der einfachsten Form wird beim Heißluftschweißen eine Luftdüse, aus der heiße Luft ausströmt, zwischen zwei sich überlappende Fügeteile gehalten und so bewegt, daß die erwärmten Fügestellen sofort zusammengedrückt werden können. Auf dieser Basis arbeiten eine Reihe von Geräten mit den unterschiedlichsten Bezeichnungen. Die dort ausströmende Luft mit unterschiedlicher Temperatur wird zum Plastifizieren von unterschiedlichen Textilien, wie PVC, Polyethylen, PP, PA, PET genutzt. 

3.2  Heizkeilwärmekontaktschweißen

Die Heizkeilschweißmaschinen sind in die Gruppe direkter Heizelementschweißen einzustufen oder auch als Wärmekontaktschweißen zu bezeichnen. Dieses Verfahren arbeitet mit einem keilartigen Heizelement, das regelbar elektrisch aufgeheizt wird. Die Erwärmung der Schweißstelle kommt durch einen Wärmeübergang von den Keilflanken zur Schweißgutoberfläche zustande. Die Tatsache, dass mit Textilien schlechte Wärmeleiter verschweißt werden, führt zu einem Wärmestau an der Werkstoffoberfläche und somit zu einer raschen Erwärmung. Folglich sind nur kurze Kontaktzeiten notwendig, um die Schweißtemperatur zu erreichen. Dabei treten allerdings Wärmeleitungsverluste durch Grenzschichten auf, die sich auf der Schweißgutoberfläche in Form von Luft, Staub und anderen sorbierten Molekülen befinden. Der durch die Grenzschicht hervorgerufene Wärmewiderstand erfordert am Heizkeil Übertemperaturen, damit eine genügende Aufheizung der Verschweißungsstelle erfolgen kann. Die Heizkeiltemperaturen liegen daher bei 200 bis 300 ºC. Im Hinblick auf die unmittelbare Erwärmung der zu verschweißenden Flächen und die verzögerte Wärmeableitung spielt die Werkstoffdicke bei diesem Verfahren eine untergeordnete Rolle.

   

3.3  Heizelementwärmekontaktschweißen

Bei diesem Schweißverfahren wird die Wärme von einem oder zwei Schweißstempeln, einer Rolle o.ä. auf das Schweißgut übertragen. Bei einer Rolle oder einem Stempel ist eine wärmeisolierende Unterlage erforderlich, die die Wärmekonzentration auf das Schweißgut lenkt. Bei zwei Schweißstempeln, zwischen denen das Schweißgut eingeklemmt ist, ist die Wärmezufuhr zur Schweißstelle intensiver. Die Beheizung erfolgt meist elektrisch. Um ein Kleben des Schweißgutes an den Stempeln zu verhindern, sind diese meist mit einer Schicht aus Polytetrafluorethylen beschichtet oder mit einem silikonkautschukbeschichteten Glasseidengewebe überzogen. Die Stempel sind ständig beheizt, die Wärmemenge der Schweißung wird über die Einwirkdauer gesteuert. Nach diesem Verfahren arbeiten meist kleinere Geräte. Aber auch Maschinen und Automaten zum Trennschweißen sind nach diesem Prinzip tätig.

3.4  Heizelementwärmeimpulsschweißen

Dieses Schweißverfahren ist dem Wärmekontaktverfahren sehr ähnlich, vor allem was die Schweißwerkzeuge und die Maschinenausstattung angeht. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Wärme über einen Widerstandsdraht mit flachem Querschnitt erzeugt wird. Dieser Draht wird kurzzeitig von einem Strom durchflossen, der diesen erwärmt. Mit einer genau dosierten Stärke und Dauer der Stromimpulse werden genau die Wärme und die Temperatur erzeugt, die für das Schweißen erforderlich sind. Der Stempel bleibt kalt und führt zu einer raschen Abkühlung der Schweißnaht unter Druck. Diese Geräte haben einen sehr geringen Energieverbrauch, führen zu sauberen Schweißnähten und haben eine hohe Arbeitssicherheit, weil die Verbrennungsgefahr an heißen Stempeln gegenüber Stempeln von Kontaktschweißgeräten und -maschinen geringer ist. Die Spannung für den Heizdraht ist so niedrig, dass auch bei defekten Isolationen aus Polytetrafluorethylen oder Silikonkautschuk mit Glasseidengewebeeinlagen keine elektrischen Unfälle eintreten können. Das Wärmeimpulsverfahren ist sehr elegant in der Anwendung, erfordert aber einen höheren gerätetechnischen Aufwand gegenüber dem Wärmekontaktverfahren.

3.5  Strahlungsschweißverfahren

Die Schweißverfahren, bei denen die Energieeinbringung auf Strahlung basiert, lassen sich generell in zwei Gruppen einteilen und zwar in Verfahren, die die Wärmestrahlung eines Heizelementes ausnutzen und in andere, die mit Hilfe von Lichtstrahlen oder Laserstrahlen arbeiten.

3.6  Heizelementstrahlungsschweißen

Die Erwärmung erfolgt hier überwiegend durch Wärmestrahlung, allerdings auch mit einem Anteil Konvektion.

Das vorgenannte Verfahren sowie das Lichtstrahlschweißen werden bisher nur in Sonderfällen bei Textilien eingesetzt.

Eine weitere Ausführung ist das Lichtstrahlextrusionsschweißen.

3.7  Laserstrahlschweißverfahren

Während das Laserschweißen in der Metallverarbeitung bereits Stand der Technik ist, findet die Lasertechnologie beim Schweißen von Textilien erst in den letzten Jahren zunehmend Beachtung. Wesentliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren wie Heizelement-, Ultraschall- oder Vibrationsschweißen sind u.a.

–    die sehr kleine Wärmeeinflusszone

–    das berührungslose Erwärmen

–    eine fast beliebige Nahtgeometrie

–    die hohe Leistungsdichte und

–    der geringe Schmelzaustrieb.

Für das Laserstrahlschweißen von Textilien und Verbundstoffen werden zwei Verfahrensvarianten unterschieden:

Beim Laserstumpfschweißen werden beide Fügepartner mit dem Laserstrahl direkt bestrahlt, beide Fügeebenen schmelzen an der Oberfläche auf und werden in einer zweiten Prozessphase unter Druck gefügt. Bei der zweiten Verfahrensvariante ist einer der beiden Fügepartner für das Laserlicht weitgehend transparent und wird von dem Laserstrahl durchstrahlt (Laserdurchstrahlverfahren).

Da nahezu alle Thermoplaste im nahen Infrarotbereich (Wellenlänge ca. 800 - 1100 nm) eine hohe Lichtdurchlässigkeit besitzen, werden für das Laserdurchstrahlverfahren nur Festkörper- bzw. Hochleistungsdiodenlaser eingesetzt. Die Absorption des Laserstahls, d. h. die direkte Erwärmung durch die Lasereinwirkung erfolgt in den zweiten für das Laserlicht undurchsichtigen Fügepartner, der mit Zuschlagstoffen (z. B. Ruß) eingefärbt ist. Das Aufschmelzen der Fügeteile erfolgt hierbei direkt durch die Strahlungsabsorption sowie durch Wärmeleitung. Grundsätzlich muss zwischen Oberflächenabsorption mit sehr kleinen optischen Eindringtiefen im mm-Bereich und Volumenabsorption mit Eindringtiefen bis in den mm-Bereich unterschieden werden. Oberflächenabsorption liegt bei längerwelliger Laserstrahlung (z. B. CO₂ -Laser) vor, während Strahlung im nahen Infrarotbereich (Nd-YAG- und Diodenlaser) Volumenabsorption zur Folge haben.

Beim Laserstrahlpressschweißen trifft der Strahl nicht senkrecht auf die Werkstückoberfläche, sondern wird zwischen die zu verschweißenden Werkstücke, z. B. Überlappstoß bei Verbunden oder Textil, fokussiert, ähnlich wie bei Heißluft oder Heizkeil. Gleichzeitig werden die Werkstücke unter hohem Druck aufeinander gepresst. Ziel dieser Kombination ist es, eine Verschweißung der Bauteile im plastischen Zustand bei extrem hohen Geschwindigkeiten zu erreichen. Mit diesem Verfahren können Schweißgeschwindigkeiten bis zu einigen hundert Metern/Minute erreicht werden. Die typische Nahtiefe beträgt in Abhängigkeit vom Fokusdurchmesser bis zu ca. 0,2 mm, ist also ein Oberflächenschmelzschweißen.

 

4    Direkte Schweißtechniken: Ultraschall und Hochfrequenz

Mit dem Begriff Ultraschall verbinden sich viele Vorstellungen eines geheimnisvollen Mediums. Dies ist jedoch nicht so, denn Ultraschall ist physikalisch gesehen

  eine mechanische Wellenbewegung die sich periodisch in einem Medium fortpflanzt, mit Frequenzen oberhalb 16 kHz und die der Mensch nicht mehr hören kann.

Das Ultraschallschweißen von Thermoplasten ist ein Verfahren, das nunmehr seit über 50 Jahren erfolgreich in der industriellen Kunststofffertigung eingesetzt wird. Seinen hohen Rang unter den Standardverfahren verdankt es seinen Vorzügen wie

–    außerordentlich kurze Schweißzeiten (deutlich unter 1 sec)

–    Eignung für hohen Automatisierungsgrad

–    keine äußere Wärmezufuhr

–    ohne Zusatzwerkstoff durchzuführen

–    sofortige Weiterverarbeitung der verschweißten Teile möglich.

In der Textilindustrie schätzt man seit vielen Jahren die Vorteile der Ultraschalltechnik bei der Konfektion von Nonwovens und Geweben. Der Einsatz ist allerdings nur dann möglich, wenn die Materialien teilweise oder ganz aus thermoplastischen Textilien oder Beschichtungen bestehen.

Man unterscheidet hier wieder zwei Schweißverfahrensarten:

Das taktweise Schweißen

Bei dieser Arbeitsweise bewegt sich die Werkzeugkombination (Konverter/Booster/Sonotrode) aufwärts und abwärts, und geschweißt wird auf einem festmontierten Amboss. Dabei eignen sich kompakte Standgeräte oder aber Vorschubeinheiten, die sehr leicht in bestehende Anlagen integriert werden können.

Das kontinuierliche Schweißen - Bahnschweißen

Die Materialien werden zwischen Sonotrode und Ambossscheiben durchgeführt. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt bis zu 15 m/min und ist somit wesentlich höher als bei herkömmlichem Nähverfahren.

Das Hochfrequenzschweißverfahren und seine Anwendung 

Heute ist die elektrische HF-Erwärmung thermoplastischer Textilien und Kunststoffe und kapazitive HF-Schweißen weit verbreitet und bekannt. Im Gegensatz zu den Verfahren, bei denen die Wärme von außen zugeführt oder in den Anwendungsbereichen, wo Wärme durch mechanische Bewegung erzeugt wird, findet beim HF-Schweißen bzw. -Fügen folgender Vorgang statt:

Das zwischen den Elektroden wirkende elektrische Wechselfeld verursacht eine beschleunigte Bewegung der Moleküle im Kunststoff. Die den Werkstoff bildenden Moleküle müssen elektrisch polar, d.h. elektrisch nicht neutral sein. Eine Erklärung für diesen Molekülzustand gibt die Dipoltheorie.

Bei der am häufigsten angewandten Frequenz von 27,12 MHz richten sich die Moleküle 27,12 Millionen mal in der Sekunde aus. Hierbei entsteht eine innere Reibung. Infolge der intermolekularen Reibungskräfte wird durch diesen Vorgang Wärme im Werkstoff erzeugt. Bei einem homogenen Werkstoff und gleichmäßiger Feldverteilung findet durch die Hochfrequenz die Erwärmung im gesamten Querschnitt gleichmäßig an jeder Stelle statt. Jedes Volumenelement weist dann die gleiche Temperatur auf. Nur in den oberflächennahen Schichten tritt durch die Wärmeableitung an die im niedrigen Temperaturbereich liegende Umgebung und an die kalten Werkzeuge (Elektroden) nach außen hin ein Temperaturabfall auf.

Bei den Verfahren, bei denen die Wärme von außen zugeführt wird, (z. B. beim Heizelementschweißen) besteht ein Wärmegefälle von innen nach außen, zumindest bei Beginn des Erwärmungsvorganges.

Das induktive HF-Schweißen kommt für Textilien selten zum Einsatz. Es sei aber der Vollständigkeit halber erwähnt. Mit diesem Verfahren kann man auch Werkstoffe verschweißen, die einen geringen Verlustfaktor aufweisen und sich im HF-Feld nicht erwärmen lassen. Bringt man zwischen die zu erwärmenden Textilien Metallteile und erwärmt diese induktiv auf eine solche Temperatur, dass der umliegende Kunststoff schmilzt, so lässt sich auf diese Weise auch eine Verschweißung erreichen. Korrekterweise gehört das induktive HF-Schweißverfahren für Textilien in die eingangs erwähnte Gruppe der Heizelemente, da die Wärme nicht im Werkstoff durch die Hochfrequenz direkt erzeugt, sondern durch die erwärmten Metallteile übertragen wird.

Werkstoffeignung

Für die HF-Schweißung eignen sich nur solche thermoplastischen Materialien, die einen geeigneten dielektrischen Verlustfaktor haben.

Als Richtwert kann man nennen:

  dielektrischer Verlustfaktor 0,1   gute HF-Erwärmung

  dielektrischer Verlustfaktor 0,01   HF-Erwärmung möglich

  dielektrischer Verlustfaktor 0,001    keine HF-Erwärmung möglich

Ist diese Voraussetzung gegeben, lassen sich die Moleküle im hochfrequenten elektrischen Wechselfeld zum Schwingen anregen und der Werkstoff wird dielektrisch erwärmt. Zum HF-Schweißen genügen diese Werkstoffeigenschaften allein jedoch nicht. Eine weitere Voraussetzung ist, dass eine ausreichende Plastifizierung und der Schmelzfluss durch die Erwärmung erzielt werden kann. Dies wurde bereits erwähnt. Diese Bedingungen erfüllt PVC/TPU in hervorragender Weise. Das erklärt auch, warum gerade diese Werkstoffe das Haupteinsatzgebiet für HF-Schweißanlagen darstellen.

 

Die Verbindung nichtthermoplastischer textiler Flächengebilde kann auch durch Anwendung eines zusätzlichen HF-schweißbaren Thermoplastes oder Thermoelastes als Zwischenschicht erfolgen. Dabei geschieht eine mechanische Verankerung des erweichten Schweißhilfsmittels im Porenvolumen der Textilien analog einem Klebeprozess.

 

5    Thermokleben von Textilien

Als Schweißvermittler, besser: Thermofügemittel bezeichnet man Stoffe, die

–    schweißbar bzw. thermisch verflüssigbar sind und eine hohe Adhäsion zu Textilien und Textilverbundstoffen aufweisen.

Dies sind zumeist

–    Thermoplaste

–    Thermoelaste (TPE)

In Frage kommen teilweise auch nichtausvulkanisierte Synthesekautschuke, die dann bei Wärme aushärten für Gummi-Textilverbindungen.

Eingesetzt werden entsprechende Polymere oder Co-Polymere.

Diese Thermofügemittel kommen in flüssiger Form als Pasten, Lösungen und Dispersionen zum Einsatz, meist aber als

–    Puder

–    Granulate

–    Netze

–    Vliese

–    Gitter

–    Folien und Verbunde.

Sie können vor dem Schweißen zugeführt werden in loser Form, vielfach sind sie jedoch als Beschichtung, Bedruckung, Laminierung oder Kaschierung verarbeitungsfertig auf die Textilien aufgebracht.

Eingesetzt werden diese Hilfsmittel

–    beim HF-Schweißen

–    Ultraschallschweißen

–    und auch beim Heißluftschweißen.

Thermisches Kleben schließt die Lücke zwischen Schweißen und Nähen, indem

–    ein Mehrschichtverbundsystem im Fügebereich geschaffen wird, dessen Verbundschicht ein Klebstoff, Thermoplast oder Thermoelastomer bildet, der durch Erwärmung und anschließende Abkühlung eine feste und haftende Verbindungsschicht ergibt, allerdings mit bestimmter Wärmefestigkeit.

Hierbei ist grundsätzlich zwischen

–    Punktverklebung

–    Konturverklebung und

–    Flächenverklebung

zu unterscheiden.

Für Punktverklebungen sowie Konturverklebungen mit Schmelzklebern sind

–    CNC-Plotter oder

–    Robotersysteme

im Einsatz. 

 

6    Zusammenfassung

Es soll noch einmal abgegrenzt werden:

–    Beim Schweißen werden Textilien gleicher oder ungleicher Art in geschmolzenen oder teigigen Zustand versetzt und miteinander verbunden, wobei die beteiligten Beschichtungs- oder Fasermassen ineinander fließen oder zumindest vermischt werden. Der Grenzbereich der Fügezone stellt sodann ein relativ homogenes Einschichtensystem dar.

–    Demgegenüber sind die Klebeverbindungen ein inhomogenes Mehrschichtensystem, dabei werden im einfachsten Falle zwei Textilschichten durch eine Verbundschicht miteinander verbunden. Die Verbundschicht wird durch den Trockenrückstand eines Klebstoffes gebildet, der durch seine kohäsiven und adhäsiven Eigenschaften in der Lage ist, zwischen der Oberflächen der Fügeteile eine feste und haftende Verbindungsbrücke zu bilden.

Entscheidend für die Anwendung ist

–    die mechanische Eigenschaft der Verbindung und Beanspruchung

–    thermische und chemische Beständigkeit im Langzeiteinsatz

–    keine Veränderung der Textileigenschaften durch die Verbindung,

und letztendlich

–    Kosten und Wirtschaftlichkeit des Thermofügeverfahrens.

Da sich Textilschweißen und Thermofügen leicht automatisieren lassen und viele Fortschritte noch zu erwarten sind, bieten sie Zukunftsalternativen beim Verbinden von Textilien und Textilverbundstoffen in der Orthopädie- und Medizintechnik

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Literatur:

R. Bäckmann:  Thermische Konfektion von Textilien und Textilverbundstoffen. 2001, Seminar IUBäckmann

R. Bäckmann:  Textilschweißen. 2001, Seminar IUBäckmann