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Die Grundlagen für das Schneiden mit ultraschallerregter Klinge wurden bereits Mitte der achtziger Jahre im Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachen erforscht.

Als Hersteller von mehrachsigen CNC-Fräsmaschinen für die Nachbearbeitung von Kunststoffformteilen wurden wir in der Vergangenheit immer wieder mit Teilen und Materialien konfrontiert, die sich durch Fräsen nicht oder nur schlecht bearbeiten lassen.

 

mit Ultraschall geschnittener TeppichBeispiele hierfür sind Teppiche, Stoffe und Vliese, Schaumfolien, Kunstleder und Kunstlederüberstände an Kaschierteilen, extrem dünne Folien, Gummiteile o.ä..

Ultraschallschneideeinheit


 

Funktionsweise


Als Ultraschall  werden Schallfrequenzen oberhalb der Hörgrenze bezeichnet. Als Grenze nimmt man etwa 20 kHz an. Zum Schneiden kommen Frequenzen im Bereich zwischen 20 kHz und 40 kHz zum Einsatz.

 

Zur Erzeugung von Ultraschall wird  heute in der Technik fast ausschließlich der inverse piezoelektrische Effekt - die Elektrostriktion - ausgenutzt. Dies bedeutet, daß eine mit einem Hochfrequenzgenerator erzeugte Wechselspannung in einem Wandler, dem sogenannten Konverter, an eine Keramik- oder Quarzkristallplatte angeschlossen wird. Die Platte führt dadurch Schwingungen in entsprechender Frequenz aus, die bei Resonanz  besonders kräftig sind. Die Amplitude der Schwingung beträgt etwa 6 - 8 µm. Die für das gewünschte Verfahren - schweißen, reinigen oder, wie im Falle der Firma GEISS, schneiden -  notwendigen größeren Amplituden können durch Verstärkungsrüssel, auch Transformationsstücke und meist Sonotroden genannt, erzeugt werden. Die Sonotroden zum Schneiden werden fast ausschließlich aus Titan gefertigt und sind auf Dauerfestigkeit ausgelegt.

 

Bei der erzeugten Schwingung handelt es sich um mechanische longitudinale Wellen (Längswellen), die am freien Ende der Sonotrode reflektiert werden. Damit die Schwingungsenergie genutzt werden kann, muß eine stehende Welle mit einem Wellenbauch am Ende der Sonotrode erzeugt werden. Dafür ist es unbedingt notwendig, die Länge der Sonotrode so festzulegen, dass sie ein Vielfaches der halben Wellenlänge der Schwingung beträgt.

 

Diese an sich einfache physikalische Bedingung für eine mechanische stehende Welle hat für das Schneiden eine unvermeidbare, unliebsame Konsequenz. Sie bedeutet nämlich, dass der Konverter, die Klinge und die Sonotrode exakt aufeinander abgestimmt sein müssen und nicht beliebige Klingenformen zum Schneiden eingesetzt werden können.

Zwar haben alle Generatoren die heute angeboten werden eine automatische Frequenznachregelung  für den Fall, dass sich z.B. durch Sonotrodenverschleiß im System etwas ändert, jedoch  ist diese Frequenznachregelung nur begrenzt möglich, da der Resonanzbereich des Konverters nicht verlassen werden kann.

 

Der Grund für die Verringerung der Schnittkraft beim Schneiden mit Ultraschall liegt in der Erhöhung  der Schnittgeschwindigkeit durch die Längsschwingung der Klinge. Beim Schneiden mit einem Messer ohne Schwingungen ist die Schnittgeschwindigkeit gleich der Vorschubgeschwindigkeit. Bei erregter Klinge beträgt die durchschnittliche Schnittgeschwindigkeit allein durch die Schwingung der Klinge: 
V = 4 * Xmax * f

 (Xmax = Amplitude der Schwingung; f = Frequenz des Ultraschalls)

 


Bei einer Amplitude von 12
mm (0,000012 m) und einer Frequenz von
35 kHz ) ergibt sich somit eine Schnittgeschwindigkeit von
4 * 0,000012 m * 35000 Hz = 1,68 m/s.

 

Grundsätzlich lässt sich aussagen, dass Geräte mit niedrigerer Frequenz größer und schwerer werden und eine größere Nennleistung haben. Die erreichbaren Amplituden sind ebenfalls bei niedrigen Frequenzen höher.

Geräte mit 20 kHz eignen sich aus diesen Gründen besser zum Schneiden dickerer und härterer Materialien. Ein Nachteil der 20 kHz Geräte ist, dass unter Umständen Lärmschutzmaßnahmen notwendig werden, da die Frequenz sehr nahe am Hörbereich liegt.

Geräte mit 35 kHz sind mehr für dünnere Materialien wie Folien, Kunstleder und Textilien geeignet. Auch eignen sie sich aufgrund der kleineren Baugröße mehr für den Einsatz in mehrachsigen Schneidköpfen für die Bearbeitung kompliziert geformter Werkstücke. Lärmschutz ist nicht erforderlich.


Das Leistungsvermögen der Geräte ist zum Schneiden generell ausreichend, da sie für das Ultraschallschweißen ausgelegt wurden, wo wesentlich höhere Leistungen erforderlich sind.

Die Leistungsaufnahme beim Schneiden von 3 mm dickem PP bei 10 m/min Vorschub beträgt z.B. ca. 70 W. Bei 2  mm dickem PP und 20 m/min beträgt die Leistungsaufnahme ebenfalls ca. 70 W.

 

Wie von anderen Technologien (z.B. vom Fräsen) her bekannt ist, nimmt mit steigender Schnittgeschwindigkeit nicht nur die Schnittkraft ab, sondern auch der Verschleiß der Schneiden zu. Aus diesem Grund werden nur Hartmetallklingen für das Ultraschallschneiden empfohlen. Lediglich zum Beschneiden dünner oder sehr weicher Folien können auch handelsübliche Klingen aus Schnellarbeitsstahl verwendet werden.

Mit Hartmetallklingen können Schnittlängen von 20.000 m und mehr erreicht werden.

 

Somit bietet das Ultraschallschneiden gegenüber herkömmlichen Verfahren erhebliche Vorteile. Die Schnittkräfte werden um ca. 75 % reduziert, und die Schnittgeschwindigkeit sowie die damit verbundene Produktivität des Schneidprozesses werden wesentlich erhöht.

 

Tatsächlich ist die Ultraschallschneideeinheit für manche Einsatzbereiche die Technologie der Zukunft, denn an Präzision und Sauberkeit ist sie anderen Verfahren teilweise weit überlegen. 

 

Im Vergleich zum Fräsen entstehen weder Späne noch Lärm, im Vergleich zum Laserschneiden weder verbrannte Kanten noch Verbrennungsgase und im Gegensatz zum Wasserstrahlschneiden ist bei diesem Verfahren eine Durchfeuchtung des Materials ausgeschlossen. Vor allem ist das Verfahren preislich eine Alternative zum Laser- und Wasserstrahlschneiden.

 

Die Grenzen des Verfahrens liegen aufgrund der Geometrie des Messers in der Materialdicke und der Härte des Materials.

 

Die Anwendungsbereiche reichen vom Beschnitt von PVC-Fußbodenfliesen über das Schwächen von Slushhäuten bis hin zum Schneiden von invisiblen Airbags. Bei diesen Airbags wird auf der Rückseite der I-Tafel die Haut eingeschnitten, damit diese bei einem eventuellen Einsatz des Airbags genau an der richtigen Stelle aufplatzt. Auf der Vorderseite darf die Schnittlinie nicht zu sehen sein. Unsere Schnittlinien sind die genauesten und "unsichtbarsten" weltweit!



Presseartikel:
Wechselbare Ultraschallschneideeinheit

Kombinierte Fräs- und Ultraschallschneidanlage speziell für
     HONEYCOMB-Materialien


 

 

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