Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche zum Beschneiden kontinuierlich geförderter Druckprodukte.
Druckprodukte, z.B. Zeitschriften oder Broschüren, werden vielfach entlang mindestens einer Kante beschnitten. Bei der industriellen Fliessfertigung solcher Druckprodukte wird der Schneidvorgang nach Möglichkeit in den dynamischen Produktionsprozess integriert, um den hohen Produktionsfluss (z.B. 80 000 Exemplare pro Stunde) aufrechtzuerhalten.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschneiden von kontinuierlich geförderten, meist mehrlagigen Druckprodukten in einem Durchlaufprozess gibt die Publikation EP 0 367 715 an. Die Publikation beschreibt, wie mit einer einfachen, wartungsfreien und kostengünstigen Vorrichtung ein Beschneiden von meist mehrlagigen Druckprodukten in einem kontinuierlichen Durchlaufprozess durchführbar ist. Dies wird mit zwei unabhängig voneinander angeordneten Messerteilen erreicht. Ein erster Messerteil (im Folgenden "Gegenmesser" genannt) und das Schnittgut sind relativ zueinander stationär und werden zusammen an einem zweiten, ortsfesten Messerteil (im Folgenden "Schneidmesser" genannt) vorbeigeführt.
Dadurch wird das Schnittgut vorübergehend in einen definierten Schneideingriff zwischen den Schneidkanten der beiden Messerteile gebracht, sodass es entlang einer vorgesehenen Schnittlinie beschnitten wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte und ähnliche derartige Verfahren bezüglich Schnittqualität zu verbessern und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind.
Die erfindungsgemässe Schneidvorrichtung weist, wie bekannte Schneidvorrichtungen, mindestens eine Schneideinrichtung mit zwei unabhängig voneinander angeordneten Messerteilen, einem Schneid- und einem Gegenmesser, auf. Dabei ist mindestens einer der Messerteile durch einen Ultraschallwandler zu Schwingungen anregbar. Die dadurch entstehenden Schneidenschwingungen mit mikroskopisch kleiner Amplitude werden der makroskopischen Schneidbewegung, die der mindestens eine Messerteil beim Schneiden relativ zum anderen Messerteil ausführt, überlagert. Dabei wäre es ein Fehlschluss, anzunehmen, die Wirkung der Ultraschallschwingung sei um Grössenordnungen kleiner als die Wirkung der Schneidbewegung, weil die Schwingungsamplitude (im Mikrometerbereich) um Grössenordnungen kleiner ist als die Schneidbewegung (im Zentimeterbereich).
Die hohe Schwingungsfrequenz (einige Zehn Kilohertz) der Ultraschallwelle hat nämlich grosse Beschleunigungen und Kräfte zur Folge, die auf das Schnittgut wirken. Zudem ist die Schwingungsdauer (einige Zehn Mikrosekunden) sehr viel kleiner als eine typische Schneidzeit (einige Hundert Millisekunden), sodass die zusätzlichen grossen Beschleunigungen und Kräfte während eines Schneidvorgangs sehr oft wirksam werden. Die Ultraschallschwingung unterstützt also den Schneideffekt ganz wesentlich und verbessert sein Resultat.
Unterstützung von Schneidvorgängen mit Ultraschall wird beschrieben beispielsweise in der Patentschrift DE 3 437 908 und ist bekannt vor allem auf dem chirurgischen Sektor. Es handelt sich dabei aber immer um das Schneiden mit einer einzigen Klinge, die gegen den zu schneidenden Gegenstand oder gegen eine entsprechende Unterlage gedrückt wird, wobei wahrscheinlich durch die Ultraschall-Anregung der Klinge die zum Schneiden notwendige Kraft und damit die Deformation des zu schneidenden Gegenstandes vermindert wird. In der vorliegenden Erfindung wird hingegen das Schnittgut zwischen zwei relativ zueinander bewegten Messerteilen durch Scherkräfte auseinander getrennt, wobei dieser Relativbewegung eine Ultraschallschwingung mindestens eines der beiden Messerteile überlagert wird.
Alle bekannten durch Ultraschall unterstützten Schneidverfahren und Vorrichtungen sind zudem ausgesprochen statisch in dem Sinne, dass sie niemals für die industrielle Fliessfertigung von Druckprodukten verwendet werden könnten.
Eine Ultraschallwelle kann sich erfindungsgemäss im Schneidmesser, im Gegenmesser oder auch in beiden Messerteilen ausbreiten. Ihre Ausbreitungsrichtung kann wahlweise im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zur Schneidkante des Messerteiles ausgerichtet sein.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden beispielsweise Schneidmesser mit geraden oder aber auch mit gebogenen oder in sich geschlossenen Schneidkanten benützt. Im Falle einer geraden Schneidkante ist ein Ultraschallwandler beispielsweise an demjenigen Messerrand angeordnet, welcher der geraden Schneidkante gegenüberliegt. Der Ultraschallwandler sendet eine ebene Ultraschallwelle senkrecht auf die gegenüberliegende Schneidkante aus; die Ultraschallwelle wird an der Schneidkante reflektiert. Die Überlagerung von auslaufender und reflektierter Welle ergibt bei geeigneter Dimensionierung des Schneidmessers eine stehende Ultraschallwelle. Das Schneidmesser ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sich eine stehende Ultraschallwelle bildet. Dann ist die Schwingungsamplitude der Schneidkante am grössten und der Schneideffekt wird optimal unterstützt.
Ein Messerteil zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens setzt sich im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammen: einem Ultraschallwandler, einem Transformationsstück und einer Klinge mit einer Schneidkante. Diese drei Komponenten sind als eine einzige schwingfähige Resonanzeinheit zu betrachten. Sie werden vorteilhafterweise unter Berücksichtigung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen dimensioniert, sodass vorteilhafterweise erreicht wird, dass - wie oben gefordert - tatsächlich die Schneidkante auf einem Wellenbauch liegt.
Es zeigt sich, dass beim Ultraschall-unterstützten Schneiden von kontinuierlich geförderten Druckprodukten insbesondere die Kraft, die auf die zu schneidenden Produkte augeübt werden muss, gegenüber bekannten Schneidverfahren in beträchtlichem Masse sinkt. Damit steigt die Schnittqualität und/oder kann die Schneidgeschwindigkeit bei gleich bleibender Schnittqualität erhöht werden. Eine für verschiedene Verfahrensvarianten optimale Schneidgeschwindigkeit ist experimentell festzustellen. Insbesondere darf die Schneidgeschwindigkeit einen Minimalwert nicht unterschreiten, da das zu schneidende Material sich sonst zu stark erhitzt und dadurch Schaden nehmen könnte.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren detailliert beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 bis 5 beispielhafte Anordnungen von kontinuierlich gefördertem Schnittgut, Schneidmesser und Gegenmesser, die sich zum Ultraschall-unterstützten Schneiden von kontinuierlich geförderten Druckprodukten eignen;
Fig. 6 und 7 beispielhafte Ausführungsformen von mit Ultraschall senkrecht zu einer geraden Schneidkante anregbaren Messerteilen;
Fig. 8 eine beispielhafte Ausführungsform eines parallel zu einer geraden Schneide mit Ultraschall anregbaren Messerteils;
Fig. 9 eine beispielhafte Ausführungsform eines mit Ultraschall anregbaren kreisscheibenförmigen Messerteils;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Schneidtrommel zum Ultraschall-unterstützten Beschneiden von drei Kanten kontinuierlich geförderter Druckprodukte.
Fig. 1 bis 4 zeigen in schematischer Weise verschiedene Anordnungen von Schneidgut, Gegenmesser und Schneidmesser zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Schneiden von kontinuierlich geförderten Druckprodukten. Mit einer beliebigen Fördereinrichtung (beispielsweise Förderstrecke 1 mit in einer Vielzahl von offenen Zellen 2 untergebrachten Druckprodukten) werden Paare von je einem Druckprodukt 3 (oder Produktegruppe) und einem dem Produkt zugeordneten Gegenmesser 4 kontinuierlich gefördert (Pfeil F). Die Gegenmesser 4 sind dabei beispielsweise an den Trennwänden zwischen den Zellen 2 angebracht oder die Zelltrennwände bilden selbst die Gegenmesser 4. Die zu beschneidenden Druckprodukte 3 sind ein- oder mehrlagig und liegen an den Gegenmessern an, mindestens dann, wenn sie in den Bereich eines Schneidmessers 5 (5.1 bis 5.4) geführt werden.
Das Schneidmesser 5 ist bevorzugterweise ortsfest angebracht, kann aber auch bewegt sein; wesentlich ist, dass Schneidmesser 5 und Fördereinrichtung 1 nicht dieselbe Geschwindigkeit haben, sodass sich zwischen Gegenmesser 4 und Schneidmesser 5 eine Relativbewegung ergibt.
Mit den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schneideinrichtungen sollen die dem Beobachter zugewandten Produktekanten beschnitten werden. Gegenmesser 4 und Schneidmesser 5.1 bis 5.4 sind derart angeordnet, dass sie miteinander zu einem Schneideingriff kommen, in dem sie Scherkräfte auf das zwischen den Schneidkanten angeordnete, zu beschneidende Druckprodukt 3 ausüben und es so zertrennen, wobei mindestens eines der Messer mit Ultraschall angeregt wird.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Schneidmessers 5.1. Es hat eine gerade Schneidkante, welche parallel zu den geraden Schneidkanten der Gegenmesser 4 angeordnet ist. Schneidmesser 5.1 und Gegenmesser 4 schneiden also in diesem Fall vollkantig, d.h. gleichzeitig auf der ganzen Schnittlänge. Für ein Schneidverfahren gemäss Fig. 3 wird vorteilhafterweise das ortsfeste Schneidmesser 5.1 mit Ultraschall angeregt.
Auch das Schneidmesser 5.2 in Fig. 2 hat eine mindestens in der dargestellten Projektion gerade Schneidkante. Diese ist nun aber, im Gegensatz zum Beispiel von Fig. 1, um einen bestimmten Winkel alpha gegenüber den geraden Schneidkanten der Gegeninesser 4 verdreht. Diese Schneideinrichtung schneidet daher kreuzend, d.h. die Schneidkanten der beiden Messer 4 und 5.2 kreuzen sich in der Ebene des auszuführenden Schnittes und dringen von einem Ende der Schnittlinie ins zu beschneidende Druckprodukt 3 ein. Vorteilhafterweise sind die zu beschneidenden Kanten der Druckprodukte 3 in der Anordnung gemäss Fig. 2 parallel zueinander angeordnet. Dies ist aber keine Bedingung, die Fördervorrichtung könnte also auch beispielsweise einen Kreisbogen in der Papierebene beschreiben.
Vorteilhafterweise wird in einer Anordnung gemäss Fig. 2 das ortsfeste Schneidmesser 5.2 mit Ultraschall angeregt.
Das Schneidmesser 5.3 in Fig. 3 ist als rotierend drehbar antreibbare Kreisscheibe ausgebildet, deren Rotationsachse 8 im Wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung F und zu den geraden Schneiden der Gegenmesser 4 verläuft. Auch für diese Ausführungsform ist es keine Bedingung, dass die zu beschneidenden Produktekanten zueinander parallel angeordnet sind. Auch in einer Anordnung gemäss Fig. 3 wird vorteilhafterweise das ortsfeste Schneidmesser mit Ultraschall angeregt.
Eine Variante der in der Fig. 3 dargestellten Anordnung besteht darin, dass die zu beschneidenden Produktekanten in Förderrichtung angeordnet sind.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 4, in welcher das Schneidmesser 5.4 als drehbar antreibbare Schneidwalze ausgebildet ist, deren Rotationsachse 8 im Wesentlichen parallel zu der geraden Schneiden der Gegenmesser 4 verläuft. Auch in dieser Anordnung wird vorteilhafterweise das ortsfeste Schneidmesser 5.4 mit Ultraschall angeregt.
Fig. 5 zeigt eine vom obigen abweichende Ausführungsform, in der die zu beschneidenden Produkte als Schuppenstrom 6 parallel zu den zu beschneidenden Kanten gefördert werden und zwischen zwei ortsfesten Schneidmessern geschnitten werden. Die beiden ortsfesten Schneidmesser sind beispielsweise beide als rotierende, scheibenförmige Messer 5.5 und 5.6 ausgestaltet und mindestens eines davon wird mit Ultraschall angeregt.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines anregbaren Messerteils. Der Messerteil setzt sich im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammen: einem Ultraschallwandler 9, einem Transformationsstück 10 und einer Klinge 11 mit einer Schneidkante 12; diese bilden zusammen eine Resonanzeinheit. Der Ultraschallwandler 9 wandelt elektrische in mechanische Schwingungsenergie um. Er besteht vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Schwinger, wie er heute in den verschiedensten Anwendungen weit verbreitet ist. Das Transformationsstück 10 leitet die mechanische Schwingungsenergie der Klinge 11 zu und transformiert die vom Ultraschallwandler 9 abgegebene Schwingungsamplitude auf den an der Klinge benötigten Wert. Die Klinge 11 überträgt schliesslich die Schwingungen auf das Schnittgut.
Zusätzlich wird noch ein Generator 13 benötigt, welcher Energie aus dem Stromnetz in eine für die mechanische Resonanzeinheit benötigte Frequenz umwandelt. Der bevorzugte Frequenzbereich ist 20 bis 50 kHz.
Die Mittel zur Erzeugung von Ultraschallwellen, d.h. der Ultraschallwandler 9 und das Transformationsstück 10, sind in dieser Ausführungsform an demjenigen Rand 14 der Klinge 11 angebracht, welcher der geraden Schneide 12 gegenüberliegt. Der Ultraschallwandler 9 sendet eine Ultraschallwelle 15 aus, welche sich im Transformationsstück 10 und in der Klinge 11 fortpflanzt, senkrecht auf die Schneidkante 12 zu. An der Schneidkante 12 wird ein Teil der Energie reflektiert und läuft in entgegengesetzter Richtung 16 wieder auf den Ultraschallwandler 9 zu. Bei geeigneter Dimensionierung der mechanischen Resonanzeinheit überlagern sich die auslaufende Welle und die reflektierte Welle zu einer stehenden Welle 17, deren Wellenknoten und -bäuche parallel zur Schneidkante 12 liegen. Die Amplitude A dieser stehenden Welle 17 ist in Fig. 6 schematisch als Funktion des Ortes x dargestellt.
Dabei ist zu beachten, dass eine Ultraschallwelle (wenigstens im Idealfall) eine Longitudinalwelle ist. Die mechanische Resonanzeinheit ist also vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass die Schneidkante 12 auf einem Wellenbauch einer stehenden Ultraschallwelle liegt und so mit einer maximalen Schwingungs amplitude auf das Schnittgut wirkt. Die Bewegungen der Schneidkante 12 sind mit Pfeilen 18 dargestellt.
Der Abstand L zwischen zwei Wellenknoten 17 ist gleich der halben Schallwellenlänge lambda in der Klinge 11. Bei gegebener Schallgeschwindigkeit v und Frequenz f beträgt die Schallwellenlänge lambda = v/f. Die Schallgeschwindigkeit in einem Metall beträgt typischerweise v = 5000 m/s. Für die Frequenz f = 20 kHz erhält man also L = lambda /2 = 12.5 cm, für f = 50 kHz erhält man L = lambda /2 = 5 cm.
Eine andere Ausführungsform. eines anregbaren Messerteils ist in Fig. 7 dargestellt. Hier sind die Mittel 9, 10 zur Erzeugung von Ultraschallwellen auf einer Klingenfläche 19 angebracht. Die Ultraschallwelle pflanzt sich in Richtung der anderen Messerfläche fort, ebenfalls senkrecht zur Schneidkante 12.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines anregbaren Messerteils. Die Mittel 9, 10 zur Erzeugung von Ultraschallwellen sind so am Rand 21 der Klinge 11 angebracht, dass sich die auslaufende Welle 15 und die reflektierte Welle 16 parallel zur Schneidkante 12 ausbreiten. Somit liegen die Wellenknoten und -bäuche der stehenden Welle 17 senkrecht zur Schneidkante 12. Das hat zur Folge, dass es auf der Schneide 12 einerseits Bereiche 22 mit maximaler Schwingungsamplitude gibt, andererseits aber auch Bereiche 23 ohne jegliche Schwingung. Die Amplitude A der stehenden Ultraschallwelle 17 ist in Fig. 8 als Funktion des Ortes y aufgetragen. Dasselbe Resultat könnte auch erreicht werden, indem Mittel 9, 10 zur Erzeugung von Ultraschallwellen an den beiden gegenüberliegenden Rändern 21, 24 der Klinge 11 angebracht würden.
Ein Beispiel für die Ultraschallanregung des kreisscheibenförmigen Schneidmessers von Fig. 3 oder Fig. 5 ist in Fig. 9 abgebildet. Das kreisscheibenförmige Schneidmesser 5.3 (oder 5.5 und 5.6) ist mit Mitteln 9, 10 zur Erzeugung von Ultraschallwellen ausgestattet, die beispielsweise um die Rotationsachse 8 angeordnet sind. Es bildet sich eine stehende Kreiswelle, deren Wellenknoten und -bäuche konzentrische Kreise mit der Rotationsachse 8 im Zentrum sind. Vorteilhafterweise wird das Schneidmesser 5.3 so ausgelegt, dass die kreisförmige Schneidkante 12 auf einem Wellenbauch liegt. Bezüglich Schwingverhalten besteht eine enge Analogie zwischen dieser Ausführungsform und derjenigen von Fig. 6.
Auch ein kreisscheibenförmiges Schneidmesser 5.3 wie dasjenige von Fig. 9 kann, analog zur Ausführungsform von Fig. 7, senkrecht zur Scheibenebene 25 mit Ultraschall angeregt werden. Diese Ausführungsform ist hier nicht dargestellt.
Auch eine Schneidwalze 5.4, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist, kann mit analogen Mitteln, wie sie für das kreisscheibenförmige Messer in Fig. 9 dargestellt sind, radial oder auch axial mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden.
Fig. 10 zeigt schliesslich eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zum dreiseitigen Beschneiden von Druckprodukten 3. Die Fig. beschränkt sich auf eine weitgehend schematische Darstellung. Ein um eine ortsfeste Achse 28 umlaufender Trommelrotor 29 ist auf seiner Peripherie mit einer Vielzahl von vorzugsweise radial angeordneten, seitlich und gegen aussen geöffneten Zellen 2 versehen. Die Druckprodukte 3, welche in Form eines Schuppenstroms in Richtung des Pfeiles 30 zugefördert werden, werden durch eine Zufördereinrichtung (nicht dargestellt) je in eine dieser Zellen 2 eingelegt. Die Zellen 2 des Trommelrotors 29 sind durch vorzugsweise radial verlaufende Zellenwände 7 abgetrennt. Die Zellenwände 7 sind dabei entweder mit je drei Gegenmessern versehen oder direkt als Gegenmesser ausgestaltet.
Die in den Zellen 2 befindlichen Druckprodukte 3 werden aufgrund der Rotation des Trommelrotors 29 zuerst an einem ersten ortsfesten Schneidmesser 5.2 vorbeigeführt, mit welchem z.B. die dem Beobachter abgewandte Seitenkante beschnitten wird. Diese erste Schneideinrichtung entspricht derjenigen von Fig. 2, ihr Schneidmesser 5.2 ist wie in Fig. 6 ausgebildet. Anschliessend wird mit einem zweiten ortsfesten Schneidmesser 5.2 min analog zu Schneidmesser 5.2 die dem Beobachter zugewandte Seitenkante der Druckprodukte 3 beschnitten; diese zweite Schneideinrichtung ist gleich aufgebaut wie die erste. Das erste und das zweite ortsfeste Schneidmesser können auch derartig angeordnet sein, dass sie gleichzeitig auf die zu beschneidenden Produkte wirken. Zuletzt wird mit einem dritten ortsfesten Schneidmesser 5.4 die Oberkante der Druckprodukte 3 beschnitten.
Diese dritte Schneideinrichtung entspricht derjenigen von Fig. 4, ihr Schneidmesser 5.4 ist eine Schneidwalze mit einer oder mehreren schraubenförmig darauf angeordneten Schneidkanten. Darauf werden die nun dreiseitig beschnittenen Druckprodukte 3 durch eine (nicht dargestellte) Wegfördereinrichtung den Zellen 2 entnommen und in Richtung des Pfeiles 31 weitergefördert.
Zusammengefasst wird im erfindungsgemässen Verfahren zum Beschneiden von entweder im Wesentlichen quer zu einer vorgegebenen Schnittlinie oder parallel dazu kontinuierlich geförderten Druckprodukten in einem Durchlaufprozess entweder jedem einzelnen Druckprodukt oder mehreren Druckprodukten gemeinsam mindestens ein ebenfalls gefördertes Gegenmesser zugeordnet. Das mindestens eine Gegenmesser und die zugehörigen Druckprodukte werden mit im Wesentlichen gleicher Geschwindigkeit bewegt. Sie werden entlang mindestens einer vorgesehenen Schnittkante in Anlage gebracht, gemeinsam an mindestens einem Schneidmesser vorbeigeführt und mit diesem in Schneideingriff gebracht. Oder die Druckprodukte werden beispielsweise in der Form eines Schuppenstromes mit einer Förderrichtung parallel zur Schnittlinie in den Bereich von zwei im Schneideingriff stehenden Messerteilen gefördert.
Dabei wird mindestens einer der Messerteile zu Ultraschallschwingungen angeregt und durch die einander überlagernde relative Bewegung der beiden Messer und Ultraschallschwingung des mindestens einen Messers die Druckprodukte entlang der mindestens einen vorgesehenen Schnittlinie beschnitten.
Eine bevorzugte Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens zum Beschneiden von kontinuierlich geförderten Druckprodukten in einem Durchlaufprozess weist Transporteinheiten zur Aufnahme von je mindestens einem Druckprodukt auf. Jede Transporteinheit enthält mindestens ein Gegenmesser. Die Vorrichtung weist Mittel auf, um die Druckprodukte in den Transporteinheiten mindestens entlang einer vorgesehenen Schnittkante mit dem mindestens einen Gegenmesser in Anlage zu bringen. Entlang dem Förderpfad ist mindestens ein ortsfestes Schneidmesser mit einer Schneide angeordnet, welches mit dem mindestens einen Gegenmesser jeder Transporteinheit so zusammenwirkt, dass die Druckprodukte entlang der mindestens einen vorgesehenen Schnittkante beschnitten werden. Dabei ist mindestens einer der Messerteile mit Mitteln zur Erzeugung von Ultraschallwellen versehen.
The invention relates to a method and a device according to the preamble of the independent claims for trimming continuously conveyed printed products.
Printed products, e.g. Magazines or brochures are often trimmed along at least one edge. In the industrial flow production of such printed products, the cutting process is integrated into the dynamic production process if possible in order to maintain the high production flow (e.g. 80,000 copies per hour).
Publication EP 0 367 715 specifies a method and a device for trimming continuously conveyed, usually multi-layer printed products in a continuous process. The publication describes how a simple, maintenance-free and inexpensive device can be used to cut mostly multi-layer printed products in a continuous process. This is achieved with two knife parts arranged independently of one another. A first knife part (hereinafter referred to as "counter knife") and the clippings are stationary relative to one another and are guided together past a second, fixed knife part (hereinafter referred to as "cutting knife").
As a result, the clippings are temporarily brought into a defined cutting engagement between the cutting edges of the two knife parts, so that they are trimmed along an intended cutting line.
The object of the present invention is to improve the known and similar method of this type with regard to cut quality and to provide an apparatus for carrying out the method. This object is achieved by the method according to the invention and the device according to the invention as defined in the independent patent claims.
The cutting device according to the invention, like known cutting devices, has at least one cutting device with two knife parts arranged independently of one another, a cutting knife and a counter knife. At least one of the knife parts can be excited to vibrate by an ultrasonic transducer. The resulting blade vibrations with a microscopically small amplitude are superimposed on the macroscopic cutting movement that the at least one knife part performs during the cutting relative to the other knife part. It would be a mistake to assume that the effect of the ultrasonic vibration is orders of magnitude smaller than the effect of the cutting movement because the vibration amplitude (in the micrometer range) is orders of magnitude smaller than the cutting movement (in the centimeter range).
The high vibration frequency (a few tens of kilohertz) of the ultrasonic wave results in large accelerations and forces that act on the clippings. In addition, the oscillation period (a few tens of microseconds) is much shorter than a typical cutting time (a few hundred milliseconds), so that the additional large accelerations and forces very often take effect during a cutting process. The ultrasonic vibration supports the cutting effect significantly and improves its result.
Support for cutting processes with ultrasound is described, for example, in patent specification DE 3 437 908 and is known above all in the surgical sector. However, this always involves cutting with a single blade, which is pressed against the object to be cut or against a corresponding base, the ultrasound excitation of the blade probably causing the force required for cutting and thus the deformation of the object to be cut is reduced. In the present invention, however, the clippings between two knife parts moved relative to one another are separated from one another by shear forces, an ultrasonic vibration of at least one of the two knife parts being superimposed on this relative movement.
All known cutting methods and devices supported by ultrasound are also extremely static in the sense that they could never be used for the industrial flow production of printed products.
According to the invention, an ultrasonic wave can propagate in the cutting knife, in the counter knife or in both knife parts. Their direction of propagation can either be oriented essentially perpendicularly or essentially parallel to the cutting edge of the knife part.
To carry out the method according to the invention, for example, cutting knives with straight or else with curved or self-contained cutting edges are used. In the case of a straight cutting edge, an ultrasound transducer is arranged, for example, on the edge of the knife which is opposite the straight cutting edge. The ultrasonic transducer emits a flat ultrasonic wave perpendicular to the opposite cutting edge; the ultrasonic wave is reflected at the cutting edge. The superimposition of the outgoing and reflected wave results in a standing ultrasonic wave if the cutting knife is suitably dimensioned. The cutting knife is advantageously designed so that a standing ultrasonic wave is formed. Then the vibration amplitude of the cutting edge is greatest and the cutting effect is optimally supported.
A knife part for carrying out the method according to the invention essentially consists of three components: an ultrasonic transducer, a transformation piece and a blade with a cutting edge. These three components are to be regarded as a single resonable resonance unit. They are advantageously dimensioned taking into account their mutual interactions, so that it is advantageously achieved that - as required above - the cutting edge actually lies on a shaft belly.
It can be seen that, in the ultrasound-assisted cutting of continuously conveyed printed products, in particular the force that must be exerted on the products to be cut drops considerably compared to known cutting methods. This increases the cutting quality and / or the cutting speed can be increased while the cutting quality remains the same. An optimum cutting speed for different process variants can be determined experimentally. In particular, the cutting speed must not fall below a minimum value, since the material to be cut would otherwise heat up too much and could be damaged as a result.
The invention is described in detail below with reference to figures. Show:
1 to 5 show exemplary arrangements of continuously conveyed clippings, cutting knives and counter knives which are suitable for ultrasound-assisted cutting of continuously conveyed printed products;
6 and 7 show exemplary embodiments of knife parts which can be excited with ultrasound perpendicular to a straight cutting edge;
8 shows an exemplary embodiment of a knife part which can be excited with ultrasound parallel to a straight cutting edge;
9 shows an exemplary embodiment of a circular disk-shaped knife part that can be excited with ultrasound;
10 shows a schematic illustration of a cutting drum for the ultrasound-assisted trimming of three edges of continuously conveyed printed products.
1 to 4 schematically show different arrangements of material to be cut, counter knife and cutting knife for carrying out the method according to the invention for cutting continuously conveyed printed products. With any conveyor device (for example conveyor section 1 with printed products accommodated in a multiplicity of open cells 2), pairs of a printed product 3 (or product group) and a counter knife 4 assigned to the product are continuously conveyed (arrow F). The counter knives 4 are attached, for example, to the dividing walls between the cells 2 or the cell dividing walls themselves form the counter knives 4. The printed products 3 to be trimmed are single or multiple layers and lie against the counter knives, at least when they are in the area of a cutting knife 5 (5.1 to 5.4).
The cutting knife 5 is preferably fixed in place, but can also be moved; it is essential that the cutting knife 5 and conveyor 1 do not have the same speed, so that there is a relative movement between the counter knife 4 and the cutting knife 5.
1 to 4, the product edges facing the observer are to be trimmed. Counter knife 4 and cutting knife 5.1 to 5.4 are arranged in such a way that they come together for a cutting engagement by exerting shear forces on the printed product 3 to be trimmed, which is to be trimmed between the cutting edges, and thus cutting it, whereby at least one of the knives is excited with ultrasound.
1 shows a first embodiment of a cutting knife 5.1. It has a straight cutting edge, which is arranged parallel to the straight cutting edges of the counter knife 4. Cutting knife 5.1 and counter knife 4 cut in this case with full edges, i.e. at the same time over the entire cutting length. For a cutting method according to FIG. 3, the stationary cutting knife 5.1 is advantageously excited with ultrasound.
The cutting knife 5.2 in FIG. 2 also has a straight cutting edge, at least in the projection shown. In contrast to the example of FIG. 1, however, this is now rotated by a certain angle alpha with respect to the straight cutting edges of the counter-inners 4. This cutting device therefore intersects, i.e. the cutting edges of the two knives 4 and 5.2 intersect in the plane of the cut to be made and penetrate into the printed product 3 to be cut from one end of the cutting line. The edges of the printed products 3 to be trimmed are advantageously arranged parallel to one another in the arrangement according to FIG. 2. However, this is not a condition, the conveying device could also, for example, describe an arc in the paper plane.
In an arrangement according to FIG. 2, the stationary cutting knife 5.2 is advantageously excited with ultrasound.
The cutting knife 5.3 in FIG. 3 is designed as a circular disk which can be driven to rotate and whose axis of rotation 8 runs essentially perpendicular to the conveying direction F and to the straight cutting edges of the counter knives 4. For this embodiment, too, it is not a condition that the product edges to be cut are arranged parallel to one another. Also in an arrangement according to FIG. 3, the stationary cutting knife is advantageously excited with ultrasound.
A variant of the arrangement shown in FIG. 3 is that the product edges to be cut are arranged in the conveying direction.
A further embodiment is shown in FIG. 4, in which the cutting knife 5.4 is designed as a rotatably drivable cutting roller, the axis of rotation 8 of which runs essentially parallel to the straight cutting of the counter knives 4. In this arrangement too, the stationary cutting knife 5.4 is advantageously excited with ultrasound.
FIG. 5 shows an embodiment which differs from the above, in which the products to be cut are conveyed as a shingled stream 6 parallel to the edges to be cut and are cut between two fixed cutting knives. The two stationary cutting knives are both designed, for example, as rotating, disk-shaped knives 5.5 and 5.6 and at least one of them is excited with ultrasound.
6 shows a preferred embodiment of a stimulable knife part. The knife part essentially consists of three components: an ultrasonic transducer 9, a transformation piece 10 and a blade 11 with a cutting edge 12; together they form a resonance unit. The ultrasonic transducer 9 converts electrical into mechanical vibration energy. It preferably consists of a piezoelectric oscillator, as is widely used in a wide variety of applications today. The transformation piece 10 supplies the mechanical vibration energy to the blade 11 and transforms the vibration amplitude emitted by the ultrasound transducer 9 to the value required on the blade. The blade 11 finally transmits the vibrations to the clippings.
In addition, a generator 13 is also required, which converts energy from the power grid into a frequency required for the mechanical resonance unit. The preferred frequency range is 20 to 50 kHz.
The means for generating ultrasonic waves, i.e. in this embodiment, the ultrasonic transducer 9 and the transformation piece 10 are attached to that edge 14 of the blade 11 which is opposite the straight cutting edge 12. The ultrasonic transducer 9 emits an ultrasonic wave 15, which propagates in the transformation piece 10 and in the blade 11, perpendicular to the cutting edge 12. Part of the energy is reflected at the cutting edge 12 and runs towards the ultrasonic transducer 9 again in the opposite direction 16. With a suitable dimensioning of the mechanical resonance unit, the outgoing wave and the reflected wave overlap to form a standing wave 17, the wave nodes and bellies of which lie parallel to the cutting edge 12. The amplitude A of this standing wave 17 is shown schematically in FIG. 6 as a function of the location x.
It should be noted that an ultrasonic wave (at least in the ideal case) is a longitudinal wave. The mechanical resonance unit is thus advantageously designed such that the cutting edge 12 lies on a wave antinode of a standing ultrasound wave and thus acts on the material to be cut with a maximum vibration amplitude. The movements of the cutting edge 12 are shown with arrows 18.
The distance L between two wave nodes 17 is equal to half the sound wavelength lambda in the blade 11. Given the speed of sound v and frequency f, the sound wavelength lambda = v / f. The speed of sound in a metal is typically v = 5000 m / s. For the frequency f = 20 kHz one obtains L = lambda / 2 = 12.5 cm, for f = 50 kHz one obtains L = lambda / 2 = 5 cm.
Another embodiment. an excitable knife part is shown in FIG. 7. Here the means 9, 10 for generating ultrasonic waves are attached to a blade surface 19. The ultrasonic wave propagates in the direction of the other knife surface, likewise perpendicular to the cutting edge 12.
8 shows a further embodiment of a stimulable knife part. The means 9, 10 for generating ultrasound waves are attached to the edge 21 of the blade 11 in such a way that the outgoing wave 15 and the reflected wave 16 spread parallel to the cutting edge 12. The wave nodes and bellies of the standing wave 17 are thus perpendicular to the cutting edge 12. This has the consequence that there are areas 22 with a maximum vibration amplitude on the cutting edge 12, but also areas 23 without any vibration. The amplitude A of the standing ultrasonic wave 17 is plotted in FIG. 8 as a function of the location y. The same result could also be achieved if means 9, 10 for generating ultrasonic waves were attached to the two opposite edges 21, 24 of the blade 11.
An example of the ultrasonic excitation of the circular disk-shaped cutting knife of FIG. 3 or 5 is shown in FIG. 9. The circular disk-shaped cutting knife 5.3 (or 5.5 and 5.6) is equipped with means 9, 10 for generating ultrasonic waves, which are arranged, for example, about the axis of rotation 8. A standing circular wave is formed, the wave nodes and bellies of which are concentric circles with the axis of rotation 8 in the center. The cutting knife 5.3 is advantageously designed such that the circular cutting edge 12 lies on a shaft belly. With regard to vibration behavior, there is a close analogy between this embodiment and that of FIG. 6.
A circular disk-shaped cutting knife 5.3 such as that of FIG. 9 can, analogously to the embodiment of FIG. 7, be excited with ultrasound perpendicular to the disk plane 25. This embodiment is not shown here.
A cutting roller 5.4, as shown in FIG. 4, can also be subjected to ultrasonic waves radially or axially by analogous means, as shown for the circular disk-shaped knife in FIG. 9.
10 finally shows a preferred embodiment of the device according to the invention for triple-sided trimming of printed products 3. The FIG. Is limited to a largely schematic representation. A drum rotor 29 which rotates about a stationary axis 28 is provided on its periphery with a plurality of cells 2, preferably arranged radially, which are open to the side and to the outside. The printed products 3, which are fed in the form of a shingled stream in the direction of arrow 30, are each inserted into one of these cells 2 by a feed device (not shown). The cells 2 of the drum rotor 29 are separated by preferably radially extending cell walls 7. The cell walls 7 are either provided with three counter knives or configured directly as counter knives.
Due to the rotation of the drum rotor 29, the printed products 3 located in the cells 2 are first guided past a first stationary cutting knife 5.2, with which e.g. the side edge facing away from the observer is trimmed. This first cutting device corresponds to that of FIG. 2, its cutting knife 5.2 is designed as in FIG. 6. The side edge of the printed products 3 facing the observer is then trimmed with a second stationary cutting knife 5.2 min analogous to cutting knife 5.2; this second cutting device is constructed in the same way as the first. The first and the second stationary cutting knife can also be arranged in such a way that they act simultaneously on the products to be cut. Finally, the upper edge of the printed products 3 is trimmed using a third stationary cutting knife 5.4.
This third cutting device corresponds to that of Fig. 4, its cutting knife 5.4 is a cutting roller with one or more helically arranged cutting edges. The printed products 3, which are now trimmed on three sides, are then removed from the cells 2 by a (not shown) removal device and conveyed further in the direction of the arrow 31.
In summary, in the method according to the invention for trimming printed products which are either continuously conveyed transversely to a predetermined cutting line or parallel to them in a continuous process, at least one counter knife which is also conveyed is assigned to each individual printed product or several printed products. The at least one counter knife and the associated printed products are moved at essentially the same speed. They are brought into contact along at least one intended cutting edge, jointly guided past at least one cutting knife and brought into cutting engagement therewith. Or the printed products are conveyed, for example, in the form of a shingled stream with a conveying direction parallel to the cutting line in the region of two knife parts in cutting engagement.
At least one of the knife parts is excited to produce ultrasonic vibrations and the printed products are trimmed along the at least one intended cutting line by the overlapping relative movement of the two knives and ultrasonic vibration of the at least one knife.
A preferred embodiment for carrying out the method for trimming continuously conveyed printed products in a continuous process has transport units for receiving at least one printed product each. Each transport unit contains at least one counter knife. The device has means for bringing the printed products in the transport units into contact with the at least one counter knife at least along an intended cutting edge. At least one stationary cutting knife with a cutting edge is arranged along the conveying path and interacts with the at least one counter knife of each transport unit in such a way that the printed products are trimmed along the at least one intended cutting edge. At least one of the knife parts is provided with means for generating ultrasonic waves.