[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschmelzen der axialen Enden von gebündelten
Fasern aus thermoplastischem Kunststoff durch Einwirkung von Hitze. Ferner betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Befestigung von Borstenbüscheln für Bürsten an
Trägerplättchen aus thermoplastischem Kunststoff. Die Trägerplättchen mit den daran
befestigten Borstenbüscheln werden in Bürstenkörper eingebaut, insbesondere zur Herstellung
von Zahnbürsten.
[0002] Zur Herstellung von Bürsten sind mehrere Verfahren bekannt. Grundsätzlich können
Bürstenkörper mit einem Lochfeld bereitgestellt werden, das dem gewünschten Borstenfeld
entspricht. Die Borstenbündel werden dann in die Löcher des Bürstenkörpers eingesetzt
und darin verankert. Die Verankerung der Borstenbüschel im Bürstenkörper mittels Ankerplättchen
oder Schlingen erfordert aber sehr leistungsfähige und daher aufwendige Maschinen.
[0003] Nach einem alternativen Bürstenherstellungsverfahren werden die Borstenbüschel an
einem Trägerplättchen befestigt, das dann in einen Bürstenkörper eingebaut wird. Das
Trägerplättchen kann mit dem Bürstenkörper durch Umspritzen oder Verschweißen verbunden
werden. Das Trägerplättchen wird mit Löchern entsprechend dem gewünschten Lochbild
versehen. Die Borstenbüschel werden in die Löcher eingesetzt, wobei auf einer Fläche
des Trägers die nutzungsseitigen Enden der Borstenbüschel und auf der gegenüberliegenden
Seite die in der Bürste zu verankernden axialen Enden der Borstenbüschel geringfügig
herausragen. Gegen diese in dem Bürstenkörper zu verankernden Enden der Borstenbüschel
wird ein erhitzter Stempel angedrückt, durch den die Enden der Borstenbüschel miteinander
verschmolzen und gegebenenfalls zu einer Verdickung umgeformt werden. Bei der anschließenden
Trennung des Stempels von den verschmolzenen Faserenden kommt es zur Bildung von Ziehfäden
und Verschmierungen der zähen Kunststoffschmelze. Da ferner sowohl die Borstenenden
als auch das Trägerplättchen erhitzt werden, ist es schwierig, einerseits die für
eine einwandfreie Verankerung der Borsten erforderliche Verformung derselben zu bewirken
und andererseits eine unerwünschte Verformung des Trägerplättchens zu verhindern,
zumal Trägerplättchen und Borsten gewöhnlich aus verschiedenen Kunststoffen bestehen.
[0004] Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Verschmelzen von Faserenden bereitgestellt,
bei dem die verschmolzenen Faserenden sich sauber von der erhitzten Fläche ablösen
lassen und eine durch die Form der Fläche bestimmte Geometrie aufweisen. Bei dem Verfahren
werden die Faserenden mit einer erhitzten Fläche in Berührung gebracht, die dann plötzlich
abgekühlt wird. Erst nach erfolgter Abkühlung der Fläche werden die Faserenden von
dieser getrennt. Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Faserbüscheln
für die Herstellung von Bürsten. Fasern für die Bürstenherstellung bestehen zumeist
aus einem thermoplastischen Kunststoff wie Poyamid ("Nylon"). Dieses Material läßt
sich mit dem angegebenen Verfahren gut umformen.
[0005] Durch die Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur Befestigung von Borstenbüscheln
an Trägerplättchen für die Herstellung von Bürsten zur Verfügung gestellt, mit der
die Einwirkung des Stempels auf die Borstenenden in kontrollierter und gut reproduzierbarer
Weise erfolgt, so daß die gewünschte Verformung der Borstenenden ohne unerwünschte
Verformung des Trägerplättchens gewährleistet ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der Stempel durch elektrischen Stromfluß beheizt und durch ein strömendes Kühlmedium
abgekühlt. Der Stempel läßt sich durch elektrischen Stromfluß sehr schnell und gezielt
erhitzen, besonders dann, wenn er gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine geringe
Wärmekapazität aufweist, so daß er anschließend durch das strömende Kühlmedium wieder
rasch abgekühlt werden kann. Da die Borstenenden nur sehr kurzzeitig erhitzt und anschließend
sofort wieder abgekühlt werden, wird ein Verschmieren des erhitzten Borstenmaterials
auf dem Trägerplättchen vermieden. Das Trägerplättchen selbst wird nur wenig aufgeheizt,
da der Stempel durch den elektrischen Stromfluß nur kurzzeitig auf die zum Verschmelzen
der Borstenenden erforderliche Temperatur erhitzt und dann sofort wieder abgekühlt
wird. Durch Steuerung des elektrischen Stomflusses, insbesondere durch Pulsdauermodulation,
lassen sich Stärke und Dauer der Erhitzung gut steuern.
[0006] Der Stempel weist vorzugsweise einen Körper aus elektrisch leitfähigem Material auf,
an dem zwei elektrische Hochstrom-Anschlüsse in Form von abgewinkelten Kontaktschuhen
angeformt sind. Der Körper des Stempels hat eine dünnwandige Stempelplatte, die durch
einen abgewinkelten Randstreifen versteift sein kann. Geeignete Werkstoffe zur Herstellung
des Stempels sind Metalle, die einerseits eine ausreichende mechanische Festigkeit
aufweisen, so daß die für den schnellen Temperaturwechsel angestrebte geringe Wärmekapazität
gewährleistet ist, andererseits aber einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweisen,
damit die elektrische Heizleistung durch eine unkritisch niedrige elektrische Spannung
bereitgestellt werden kann. Die erforderlichen Heizströme liegen dann zwar bei Werten
von hundert Ampère und mehr, beispielsweise zweihundert Ampère bei 7 Volt, jedoch
lassen sich derart hohe Ströme mit verfügbaren Halbleiterelementen gut steuern. Aufgrund
der genannten Kriterien sind rostfreier Stahl, Titan und NiCr-haltige Legierungen
geeignete Werkstoffe zur Herstellung des Stempels.
[0007] Zur Abkühung des Stempels wird vorzugsweise Druckluft verwendet. Aufgrund der geringen
Wärmekapazität des Stempels kann er durch direktes Anblasen mit Druckluft in kürzester
Zeit wieder abgekühlt werden, so daß Taktzeiten im Bereich von einer Sekunde möglich
sind.
[0008] Bei der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind mehrere Stempel in einer
Gruppe an einer Stempel-Trägerplatte angeordnet, und die gleiche Anzahl der Trägerplättchen
wird in Gegenüberlage zu den Stempeln in entsprechende Öffnungen einer Stützplatte
eingesetzt. Die Stempel sind an der Stempel-Trägerplatte vorzugsweise elektrisch in
Serie verschaltet, so daß die Stromstärke des Heizstroms nicht ansteigt. Diese Maßnahme
ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Stempel-Trägerplatte mit den Stempeln relativ
zu den in der Stützplatte angeordneten Trägerplättchen hin und her bewegt wird, wobei
dann die elektrischen Zuleitungen für den Heizstrom mitbewegt werden müssen, so daß
große Leiterquerschnitte ungünstig wären.
[0009] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen
zeigen:
- Fig. 1 bis 4
- Skizzen zur Veranschaulichung des Verfahrens;
- Fig. 5
- eine schematische Perspektivansicht der Vorrichtung;
- Fig. 6
- eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Vorrichtung;
- Fig. 7
- eine vergrößerte Perspektivansicht eines Teils der Vorrichtung;
- Fig. 8
- eine perspektivische Detailansicht eines Stempels der Vorrichtung;
- Fig. 9
- eine Schnittansicht, die eine Variante der in Fig. 2 gezeigten Anordnung zeigt; und
- Fig. 10
- schematisch eine weitere Ausführungsform.
[0010] Bei dem in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellten Verfahren werden Fasern 1 aus
Kunststoff gebündelt, insbesondere mittels z.B. einer Lochplatte 2, und auf einen
Anschlag 3 aufgesetzt. Der Anschlag 3 kann flach sein oder auch eine profilierte Formfläche
aufweisen und somit zum Profilieren der Borsten mittels axialen Verschiebens der Borsten
auf bekannte Art und Weise eingesetzt werden. Die freien Faserenden befinden sich
in Gegenüberlage zu einem durch elektrischen Stromfluß beheizbaren Stempel 4, der
eine beliebige Form, insbesondere auch mit einer Formfläche, aufweisen kann. Der Stempel
4 hat eine geringe Wärmekapazität, so daß er durch elektrische Widerstandsheizung
sehr schnell erhitzt und durch ein strömendes Kühlmedium ebenso schnell wieder abgekühlt
werden kann.
[0011] In einer ersten Phase wird der Stempel 4 erhitzt und gegen die Faserenden angedrückt,
wie in Fig. 2 gezeigt. Dabei werden die Faserenden verschmolzen und umgeformt. In
einer zweiten Phase, Fig. 3, wird dann der Stempel 4 durch gezieltes Anblasen mit
Preßluft rasch abgekühlt. Erst dann wird in einer vierten Phase, Fig. 4, der Stempel
von den nun verschmolzenen aund sauber umgeformten Faserenden getrennt.
[0012] Bei der beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung dient diese zur Herstellung
von Zahnbürsten, bei denen ein mit Borstenbüscheln versehenes Trägerplättchen in einen
Bürstenkopf eingesetzt und mit diesem verschweißt wird. Einzelheiten einer solchen
Vorrichtung sind beispielsweise der EP 0 972 464 A1 und der EP 0 972 465 A1 zu entnehmen.
[0013] An einem Ständer 10 ist eine Stempel-Trägerplatte 12 mittels Führungsstangen 14 vertikal
hin und her verschiebbar angeordnet, wobei der Antrieb durch einen pneumatischen Zylinder
16 gewährleistet wird. An der Unterseite der Trägerplatte 12 sind vier Stützsockel
18 befestigt, die jeweils einen nach unten gerichteten erhitzbaren Stempel 20 tragen.
Unter der Stempel-Trägerplatte 12 im Abstand und parlallel zu dieser befindet sich
eine Stützplatte 22 mit vier Öffnungen 24 in Gegenüberlage zu den Stempeln 20. In
jede dieser Öffnungen 24 ist ein Trägerplättchen 26 aus Kunststoff einsetzbar, das
mit einem Lochfeld entsprechend dem gewünschten Borstenfeld versehen ist.
[0014] Über eine an der Stempel-Trägerplatte 12 verzweigte Druckluft-Leitung 28 können der
Vorrichtung gezielte Druckluft-Stöße zugeführt werden, die direkt auf die Stempel
20 gerichtet sind. Zu der Stempel-Trägerplatte 12 führen ferner zwei flexible Starkstromkabel
30, über die ein durch Pulsdauermodulation geregelter elektrischer Strom zugeführt
werden kann.
[0015] Fig. 6 zeigt Einzelheiten der Vorrichtung im Bereich eines einzelnen Stempels. Dieser
Stempel 20, dessen Ausbildung aus Fig. 8 näher ersichtlich ist, besteht aus einem
metallischen Körper, insbesondere aus rostfreiem Stahl, mit einer dünnwandigen Stempelplatte
20a und zwei angeformten, abgewinkelten Hochstrom-Anschlüssen in Form von rechtwinkligen
Kontaktschuhen 20b, 20c. Diese Kontaktschuhe 20b, 20c dienen gleichzeitig zur Befestigung
des Stempels 20 an den Stützsockeln 18, über die ferner die elektrische Verschaltung
der vier Stempel 20 bewerkstelligt ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, werden die
Stromkabel 30 unmittelbar jeweils an einem Kabelschuh angeschlossen. Die Stützsockel
18 sind mit Durchbrüchen 18a versehen, die durch die Stempel-Trägerplatte 12 hindurch
mit der Druckluft-Leitung 28 verbunden sind und den Druckluft-Strom unmittelbar gegen
die Stempelplatte 20a richten.
[0016] Wie weiterhin aus Fig. 6 ersichtlich ist, wird das Trägerplättchen 26 in solcher
Weise in die Öffnung 24 der Stützplatte 22 eingesetzt, daß sein Umfangsrand durch
die Berandung der Öffnung 24 allseitig abgestützt ist. Die in die Löcher der Trägerplättchen
eingesetzten Borstenbüschel 32 ragen auf der Seite des Stempels 20 um 2 bis 3 Millimeter
aus dem Trägerplättchen 26 heraus und sind auf der gegenüberliegenden Seite auf einem
Stoßplättchen oder Anschlag 34 abgestützt. Dieser Anschlag kann dabei entweder flach
gestaltet oder mit einer Formfläche versehen sein, die gleichzeitig zum Profilieren
der Borstenbüschel durch axiales Verschieben der einzelnen Borsten innerhalb eines
Büschels eingesetzt wird. Der Stempel 20 ist auf seiner dem Trägerplättchen zugewandten
Fläche mit spitzen Vorsprüngen 36 versehen, deren Spitzen gegen den Bereich des Trägerplättchens
gerichtet sind, der die Löcher, und somit die Borstenbüschel, umgibt. Ferner ist die
gegen das Trägerplättchen gerichtete Fläche des Stempels mit einer Antihaftbeschichtung
versehen.
[0017] Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, sind die vier Stempel 20 an der Stempel-Trägerplatte
12 elektrisch in Serie geschaltet. Die Verschaltung der Stempel kann durch einzelne
Kabelabschnitte oder auch durch geeignete Gestaltung der Stützsockel 18 erfolgen.
[0018] Aus der Darstellung in Fig. 8 ist ersichtlich, daß der Stempel ein dünnwandiges Bauteil
ist, dem durch geeignete Rundungen, angeformte Rippen, einen hochgebogenen Umfangsrand
und die Abwinklung der Kontaktschuhe eine hohe Formsteifigkeit verliehen wird.
[0019] Wie ferner aus Fig. 7 ersichtlich ist, ist wenigstens einem der Stempel 20, vorzugsweise
aber jedem Stempel, ein Temperaturfühler 40 zugeordnet. Der bzw. jeder Temperaturfühler
40 ist mit einem Regler 42 verbunden, der eine elektrische Stromversorgung 44 ansteuert,
an deren Ausgängen die Stromkabel 30 angeschlossen sind. Die Stromversorgung 44 arbeitet
vorzugsweise mit Pulsdauermodulation.
[0020] Bei einer typischen Ausführungsform der Vorrichtung besteht der Körper jedes Stempels
20 aus rostfreiem Stahl. Die Wandstärke im Bereich der Stempelplatte 20a beträgt nur
einen Bruchteil eines Millimeters. Bei einer Länge der Stempelplatte im Bereich von
20 Millimeter und einer Breite von etwa 10 Millimeter ergibt sich eine Heizleistung
von etwa 1400 Watt, entsprechend einem Strom von 200 Ampère bei 7 Volt. Der Körper
des Stempels hat dabei eine so geringe Wärmekapazität, daß der aus Aufheizen und Abkühlen
bestehende Zyklus in einer Größenordnung von einer Sekunde liegen kann. Die rasche
Abkühlung erfolgt allein durch einen gesteuerten Druckluftstoß, der gegen die Fläche
der Stempelplatte gerichtet wird.
[0021] Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsvariante wird das Trägerplättchen 26 zusätzlich
zu der Stützplatte 22 von einem beweglichen Stützring 48 übergriffen. Der Stützring
48 ist mit einer Druchgangsöffnung für den Druchtritt des Stempels 20 versehen. Der
Strützring 48 verbessert die Abstützung am Umfangsrand des Trägerplättchens 26, um
einer Verformung desselben durch die Einwirkung des erhitzten Stempels 20 vorzubeugen.
Mit dieser Ausführung der Vorrichtung wird eine besonders gute Maßhaltigkeit der Trägerplättchen
26 gewährleistet, so daß bei der anschließenden Verschweißung mit dem Bürstenkopf
eine saubere Verbindung entsteht.
[0022] Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform sind die Durchgangslöcher auf der Seite
der zu verschmelzenden Faserenden erweitert, insbesondere kegelförmig. Beim Andrücken
der erhitzten Fläche des Stempels wird plastifizierte Masse der verschmolzenen Faserenden
in diese Erweiterungen eingedrückt, wodurch an den verschmolzenen Faserenden kegelstumpfförmige
Verdickungen gebildet werden, die in Fig. 10 mit 5 bezeichnet sind. Durch diese Verdickungen
wird die "Auszugskraft", d.h. die Zugkraft in Richtung "A" in Fig. 10, bei der sich
ein Büschel von dem Trägerplättchen 26 löst, erheblich vergrößert. Eine weitere Steigerung
wird dadurch erreicht, daß die plastifizierte Masse der verschmolzenen Faserenden
durch Andrücken des erhitzten Stempels wenigstens bereichsweise zu einer durchgehenden
Schicht umgeformt wird, wie bei 6 in Fig. 10 angedeutet. Um das Einsetzen der Faserbüschel
1 in die Durchgangslöcher des Trägerplättchens 26 zu erleichtern, sind diese Durchgangslöcher
auch auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerplättchens 26 erweitert, wie in Fig.
10 bei 7 angedeutet.
1. Verfahren zum Verschmelzen der axialen Enden von gebündelten Fasern aus thermoplastischem
Kunststoff durch Einwirkung von Hitze, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden mit einer erhitzten Fläche in Berührung gebracht werden, die Fläche
plötzlich abgekühlt wird und die Faserenden erst nach erfolgter Abkühlung der Fläche
von dieser getrennt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche durch elektrischen Stromfluß erhitzt und durch ein strömendes Kühlmedium
abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Büschel von Fasern für die Herstellung von Bürsten gebildet werden, indem die am
Bürstenkörper zu befestigenden Faserenden verschmolzen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Büschelenden mit der Fläche eines durch elektrischen Stromfluß
beheizbaren und durch ein strömendes Kühlmedium abkühlbaren Stempels in Berührung
gebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Büschel in Durchgangslöcher eines Trägerplättchens eingesetzt und durch Verschmelzen
ihrer Enden daran befestigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher auf der Seite der zu verschmelzenden Faserenden erweitert sind
und plastifizierte Masse der verschmolzenen Faserenden durch Andrücken der erhitzten
Fläche in die Erweiterungen der Durchgangslöcher eingedrückt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die plastifizierte Masse der verschmolzenen Faserenden durch Andrücken der erhitzten
Fläche mindestens bereichsweise in eine zusammenhängende Schicht umgeformt wird.
8. Vorrichtung zur Befestigung von Borstenbüscheln für Bürsten an Trägerplättchen aus
thermoplastischem Kunststoff, die mit einem dem Borstenfeld der Bürste entsprechenden
Lochfeld versehen sind, mit einem erhitzbaren Stempel, der gegen die aus den Löchern
des Lochfeldes auf einer Seite des Trägerplättchens herausragenden Enden der Borstenbüschel
andrückbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel durch elektrischen Stromfluß beheizbar und durch ein strömendes Kühlmedium
abkühlbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel einen Körper aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, an dem zwei
elektrische Hochstrom-Anschlüsse angeformt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Stempels eine dünnwandige Stempelplatte mit zwei angeformten Kontaktschuhen
aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelplatte durch einen abgewinkelten Randstreifen versteift ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschuhe abgewinkelt sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschuhe zugleich Stützwinkel zur Befestigung des Stempels an einem Stempelträger
bilden.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel auf seiner dem Trägerplättchen zugewandten Fläche mit Vorsprüngen versehen
ist, deren Spitzen Lochberandungsflächen des Trägerplättchens gegenüberliegen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel auf seiner dem Trägerplättchen zugewandten Fläche mit einer Antihaftbeschichtung
versehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerplättchen in eine Öffnung eines Stützplättchens einsetzbar ist, deren Berandung
den Umfangsrand des Trägerplättchens während der Einwirkung des Stempels abstützt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Durchgangsöffnung für den Stempel versehener beweglicher Stützring
den Umfangsrand des in die Öffnung des Stützplättchens eingesetzten Trägerplättchens
umgreift.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Kühlmedium durch direkt gegen den Stempel gerichtete Druckluft gebildet
ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stempel in einer Gruppe an einer Stempel-Trägerplatte angeordnet und eine
gleiche Anzahl von Trägerplättchen in Gegenüberlage zu den Stempeln in entsprechende
Öffnungen einer Stützplatte einsetzbar sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel-Trägerplatte relativ zu der Stützplatte hin und her beweglich ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel-Trägerplatte mit in Gegenüberlage zu den Stempeln mündenden Strömungskanälen
für das Kühlmedium versehen ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel elektrisch in Serie geschaltet sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Stempels aus einem Metall von relativ hohem spezifischen Widerstand
wie rostfreier Stahl oder Titan besteht.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizleistung für den Stempel durch einen Stromstoß von einigen hundert
Ampère, insbesondere etwa 200 Ampère zur Herstellung von Zahnbürsten, bei einer Spannung
von wenigen Volt bereitgestellt wird.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stempel wenigstens ein Temperaturfühler zugeordnet ist und die elektrische Heizleistung
entsprechend der gemessenen Temperatur gesteuert wird.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizleistung mit Pulsdauermodulation geregelt wird.