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Die Erfindung betrifft eine Schneideinheit zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere zum Schneiden von Wärmedämmmaterial, eine diese Schneideinheit umfassende Vorrichtung zum thermischen Schneiden von Schneidgut und ein Verfahren zum thermischen Schneiden von Schneidgut.
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Im Bereich des Gebäudebaus und der Gebäudedämmung ist es bekannt, aus einem Polystyrolmaterial, d. h. einem, in der Regel geschäumten oder porigen, Polymerwerkstoff aus Polystyrol oder mit Polystyrol oder auf Basis von Polystyrol, bestehende Wärmedämmplatten oder Wärmedämmkörper zu verwenden.
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Da sich der heiße Draht selbsttägig und praktisch ohne Berührungskraft oder mechanische Belastung in das Polystyrolmaterial schmelzend einarbeitet, kann er sehr dünn ausgebildet sein und wird dadurch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit der geschnittenen Kanten und Konturen erreicht.
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Im Unterschied zu einem mechanischen materialabtragenden oder spanenden Verfahren arbeitet das thermische Schneiden genau und sehr sauber und ohne bei Polystyrolschäumen besonders lästigen Abfall.
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Auf Grund seiner fehlenden Formstabilität oder Steifigkeit muss der dünne Draht beim Eindringen in das Schneidgut an beiden Seiten mechanisch unterstützt und unter Spannung gehalten werden, um definierten Schnittkonturen und Schnittkanten erzeugen zu können. Dadurch ist es etwas schwieriger, Ausschnitte beispielsweise für Fenster oder Türen in Fertighauswanddämmungsteile oder Fertigwandbauteile mit vormontierten Wanddämmungen aus einem Polystyrolmaterial einzubringen, insbesondere wenn diese geschlossene Ausschnitte sind wie bei Fenstern oder lediglich von einer Seite zugängliche Ausschnitte sind wie bei Türen.
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Es sind auch beheizbare, klingenförmige thermische Schneidmittel bekannt, die aus einem in gewissen Grenzen formsteifen Material bestehen und daher beim thermischen Schneiden des Schneidguts grundsätzlich lediglich einseitig mechanisch unterstützt werden müssen.
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Aus
US 3,396,616 A ist eine Vorrichtung zum Perforieren eines thermoplastischen Schaummaterials bekannt, die eine beheizbare Lanze aufweist. Die Lanze wird zum Perforieren des Kunststoffkörpers parallel zu ihrer Längsausdehnung in diesen eingeführt. Hierbei wird die Lanze auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt, so dass das thermoplastische Schaummaterial beim Perforieren in der gewünschten Geschwindigkeit aufschmilzt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Alternativen beim thermischen Schneiden von Schneidgut anzugeben. Insbesondere soll ein flexibles Zu- und Ausschneiden des Schneidguts insbesondere in einem Innenbereich oder ganz oder weitgehend geschlossenen Ausschnitt des Schneidgutes bei hoher Schneidgenauigkeit ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zum thermischen Schneiden von Schneidgut mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schneideinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 oder 7 und durch eine Schneidvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Die beanspruchbaren Merkmalskombinationen und Gegenstände gemäß der Erfindung sind nicht auf die gewählte Fassung und die gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche beschränkt. Vielmehr kann jedes Merkmal einer Anspruchskategorie, beispielsweise einer Vorrichtung, auch in einer anderen Anspruchskategorie, beispielsweise einem Verfahren beansprucht werden. Ferner kann jedes Merkmal in den Patentansprüchen, auch unabhängig von deren Rückbeziehungen, in einer beliebigen Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmal(en) in den Patentansprüchen beansprucht werden. Außerdem kann jedes Merkmal, das in der Beschreibung oder Zeichnung beschrieben oder offenbart ist, für sich, unabhängig oder losgelöst von dem Zusammenhang, in dem es steht, allein oder in jeglicher Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, das oder die in den Patentansprüchen oder in der Beschreibung oder Zeichnung beschrieben oder offenbart ist oder sind, beansprucht werden.
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Gegenstand des Anspruchs 1 ist ein Verfahren zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere von einem thermisch schneidbaren Wärmedämmmaterial und/oder von einem Polystyrolmaterial,
- a) mittels einer Schneideinheit mit einer zumindest in einem Abschnitt elektrisch beheizbaren Lanze, die sowohl im unbeheizten als auch im beheizten Zustand selbsttragend oder formstabil ist und sich zumindest teilweise entlang einer Längsachse in axialer Richtung erstreckt sowie ein freies Ende aufweist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- b) in einem ersten Verfahrensschritt wird in einer axialen Eindringbewegung die Lanze im unbeheizten Zustand oder zumindest ein unbeheizter Abschnitt der Lanze bei einer Temperatur unterhalb einer Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Schneidgutes mit dem freien Ende voran unter Beaufschlagung mit einer mechanischen Eindringkraft in axialer Richtung in das Schneidgut eingebracht, wobei die Lanze mechanisch ein Loch im Schneidgut erzeugt,
- c) in einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt wird die Lanze oder ein beheizbarer Abschnitt der Lanze elektrisch auf eine Temperatur oberhalb einer Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Schneidgutes aufgeheizt oder es wird dem unbeheizten Abschnitt nachfolgend ein bereits auf eine Temperatur oberhalb einer Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Schneidgutes aufgeheizter Abschnitt der Lanze in das Schneidgut eingebracht und
- d) in einem dritten Verfahrensschritt wird die aufgeheizte Lanze oder der aufgeheizte Abschnitt der Lanze in einer Schneidbewegung, die senkrecht zur Längsachse der Lanze gerichtet ist oder wenigstens eine laterale Bewegungskomponente senkrecht zur Längsachse der Lanze aufweist, durch das Schneidgut bewegt, wobei die Lanze entlang ihres beheizten Bereichs oder beheizten Abschnittes einen thermischen Schnitt im Schneidgut erzeugt.
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Die Lanze wird vorzugsweise zum Einbringen in das Schneidgut im ersten Verfahrensschritt, insbesondere mittels eines Rotationsantriebes, in eine Drehbewegung um ihre Längsachse versetzt, so dass die Eindringbewegung eine aus axialer Bewegung und Drehbewegung zusammengesetzte Bohrbewegung ist.
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Bevorzugt wird die Lanze zwischen dem Rotationsantrieb und dem Schneidgut von einem Unterstützungselement unterstützt, insbesondere durch einen Führungstrichter des Unterstützungselements geführt und gestützt.
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Das Schneidgut kann beispielsweise ein insbesondere zumindest zum Teil aus Polystyrolmaterial bestehendes Fertighausbauteil sein, wobei die Lanze im ersten Verfahrensschritt insbesondere in horizontaler Raumrichtung in das Fertighausbauteil eingebracht werden kann.
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Gegenstand des Anspruchs 5 ist eine Schneideinheit zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere Wärmedämmmaterial, insbesondere geeignet und vorzugsweise auch bestimmt zur Verwendung in einem Verfahren nach der Erfindung, umfassend
- a) eine zumindest in einem Abschnitt elektrisch beheizbare Lanze, die sowohl im unbeheizten als auch im beheizten Zustand selbsttragend oder formstabil ist und sich zumindest teilweise entlang einer Längsachse in axialer Richtung erstreckt sowie ein freies Ende aufweist, und
- b) eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Zuführen eines Heizstroms zur Lanze,
- c) wobei die Verbindungseinrichtung zumindest ein ringförmiges, einen Abschnitt der umfänglichen äußeren Oberfläche der Schneideinheit bildendes Kontaktierungselement aufweist.
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Bevorzugt weist die elektrische Verbindungseinrichtung zwei, insbesondere in axialer Richtung, voneinander beabstandete und elektrisch isolierte ringförmige Kontaktierungselemente auf, die sich vorzugsweise jeweils umfänglich um die Lanze oder deren Längsachse erstrecken. Die beiden ringförmigen Kontaktierungselemente bilden einen Teil der äußeren Oberfläche der Schneideinheit und sind daher radial von außen elektrisch kontaktierbar. Besonders bevorzugt isoliert ein Isolationselement die beiden Kontaktierungselementen elektrisch voneinander. Das Isolationselement ist beispielsweise eine Kunststoffbuchse, z. B. aus Polyetheretherketon, die sich über einen Abschnitt der Lanze oder deren Kontaktierungsbereich erstreckt und die beiden ringförmigen Kontaktierungselemente trägt.
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Gegenstand des Anspruchs 7 ist eine Schneideinheit zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere Wärmedämmmaterial, insbesondere geeignet und vorzugsweise auch bestimmt zur Verwendung in einem Verfahren nach der Erfindung, umfassend
- a) eine zumindest in einem Abschnitt elektrisch beheizbare Lanze, die sowohl im unbeheizten als auch im beheizten Zustand selbsttragend oder formstabil ist und sich zumindest teilweise entlang einer Längsachse in axialer Richtung erstreckt sowie ein freies Ende aufweist,
- b) wobei die Lanze im unmittelbaren Anschluss an das freie Ende einen nicht beheizbaren Abschnitt aufweist und im Anschluss an den nicht beheizbaren Abschnitt einen beheizbaren Abschnitt.
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Vorzugsweise ist an einem vom freien Ende abgewandten Bereich der Lanze ein Spannbereich vorgesehen zum Einspannen in eine Spanneinrichtung eines Rotationsantriebes und zwischen dem Spannbereich und dem beheizbaren Abschnitt der Lanze ein nicht beheizbarer Abschnitt der Lanze angeordnet ist.
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Hierzu sind gängige elektrische Rotationsantriebe, wie Innen- oder Außenläufermotoren, vorgesehen. Hierzu ist die Schneideinheit endseitig mittels eines Spannfutters an den Rotationsantrieb angekoppelt.
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Gegenstand des Anspruch 9 ist eine Schneidvorrichtung zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit
- a) einer Schneideinheit, wobei die Schneideinheit eine zumindest abschnittsweise elektrisch beheizbare Lanze und eine elektrische Verbindungseinrichtung zum Zuführen eines Heizstroms umfasst, die mit einer Stromquelle verbunden ist, oder wobei die Schneideinheit eine Schneideinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ist,
- b) einem Rotationsantrieb zum Drehen der Lanze um ihre Längsachse,
- c) einem zwischen dem Rotationsantrieb und dem Schneidgut angeordneten Unterstützungselement zum Unterstützen der Lanze, insbesondere mit einem Führungstrichter, durch den die Lanze geführt und gestützt ist und
- d) einer Antriebseinheit zur transversalen Schneidbewegung der Lanze senkrecht zu ihrer Längsachse und/oder zur axialen Zustellbewegung zum Schneidgut.
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Die Antriebseinheit kann mit einem Maschinenportal oder einem Industrieroboter gebildet sein, wobei die Schneideinheit vorzugsweise in zueinander orthogonalen Raumrichtungen linear zustellbar geführt ist. Zum motorischen Zustellen der Schneideinheit sind besonders bevorzugt mehrere elektrische Antriebseinheiten vorgesehen. Das Maschinenportal oder der Industrieroboter ist weiter bevorzugt dazu ausgebildet, an einem Fertighausbauteil, insbesondere an einem Rohbau befestigt zu werden, so dass die Schneideinheit sowohl in vertikaler Raumrichtung als auch in den horizontalen Raumrichtungen zugestellt werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise das Ausschneiden von Fensteröffnungen in bereits montierte Wandabschnitte eines Fertighauses, die insbesondere aus Polystyrol oder einem anderen Kunststoff mit vergleichbaren thermischen Eigenschaften gefertigt sind oder derartige Stoffe zumindest enthalten.
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Die elektrisch beheizbare Lanze kann parallel zu ihrer Längsausdehnung in das zu schneidende Schneidgut, beispielsweise eine Wärmedämmplatte aus einem thermoplastischen Schaummaterial wie Polystyrol, eingeführt bzw. eingepresst werden. Hierzu hat es sich als hilfreich erwiesen, die Lanze bzw. die die Lanze aufweisende Schneideinheit in eine Drehbewegung zu versetzen, damit die Lanze möglichst gerade in das Kunststoffmaterial eindringen kann. Ein derartiges Vorgehen erfordert jedoch, dass der Heizstrom bei einer beliebigen Winkelstellung um die von der Längsausdehnung der Lanze vorgegebene Drehachse möglich sein muss. Die elektrische Verbindungseinrichtung hat zumindest ein ringförmiges Kontaktierungselement, welches zur Kontaktierung eines elektrischen Schleifkontaktes einer Polarität ausgebildet ist. Das ringförmige Kontaktierungselement erstreckt sich umfänglich über einen Abschnitt der Schneideinheit und ist somit radial von außen elektrisch kontaktierbar.
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Die Lanze ist insbesondere dazu ausgebildet, in einen Innenbereich des Schneidguts eingeführt zu werden. Anschließend kann ein Zuschnitt im Innenbereich erfolgen, wobei die Schneideinheit ähnlich einer thermischen Stichsäge arbeitet. Entsprechend kann Material im Inneren des Schneidguts ausgeschnitten und entfernt werden, ohne dass hierzu der umlaufende Randbereich beschädigt werden muss.
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Vorzugsweise ist ein elektrisches Heizelement, beispielsweise ein Heizdraht oder eine Heizwendel, im inneren der Lanze angeordnet, das sich zumindest über einen Teil der Längsausdehnung der Lanze erstreckt. Das Heizelement ist mit dem Kontaktierungselement elektrisch leitend verbunden.
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Vorzugsweise ist die Lanze radial- oder rotationsymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgebildet. Die Lanze ist dazu vorgesehen, in das Schneidgut eingebracht zu werden und anschließend dieses im aufgeheizten Zustand thermisch zu schneiden. Bei einer radial- oder rotationssymmetrischen Ausbildung des von der Lanze bereitgestellten Schneidmittels kann der Verlauf des Schnittes unabhängig von der Orientierung erfolgen. Im Ergebnis ist daher ein besonders flexibler Einsatz der Schneideinheit sichergestellt.
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An der Schneideinheit ist vorzugsweise endseitig ein Kupplungsstück zur Kupplung an eine Rotationsmaschine vorgesehen. Das Kupplungsstück ist einem Lanzenende, welches zum Einführen in das zuzuschneidende Kunststoffmaterial ausgebildet ist, gegenüberliegende angeordnet. Das Kupplungsstück kann beispielsweise eine zu einem Spannverbinder komplementäre Formgebung aufweisen.
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Die Schneideinheit ist zum flexiblen Einsatz vorzugsweise lediglich einseitig mechanisch unterstützt. An einem freien Ende und einem daran anschließenden Bereich ist die Lanze dagegen nicht unterstützt, sondern freitragend oder selbsttragend. Dies bedingt, dass die Lanze auch im erhitzten Zustand eine hinreichende Formstabilität aufweisen muss, um die Schnittkanten definiert vorgeben zu können. Bei geeigneter Wahl der Temperatur der Lanze in Abhängigkeit des Schmelzverhaltens des zu schneidenden Materials erfolgt der thermische Schnittvorgang selbst im Wesentlichen widerstands- und berührungsfrei, so dass eine mechanische Beanspruchung der Lanze weitestgehend vermieden ist. Zur einseitigen mechanischen Unterstützung der Lanze ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Unterstützungselement vorgesehen, welches in einer bevorzugten Ausführungsform eine trichterförmige Führung (oder: einen Führungstrichter) zur zentrierten Aufnahme und zum gezielten Führen oder Einfädeln der Lanze aufweist. Die trichterförmige Führung dient insbesondere dazu, die Lanze zu stabilisieren, während diese in das zuzuschneidende Schneidgut eingedreht oder eingebohrt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere zum Schneiden von Wärmedämmmaterial, mit der bereits beschriebenen Schneideinheit angegeben, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
Eine zumindest abschnittsweise elektrisch beheizbare Lanze wird in einem ersten Verfahrensschritt im unbeheizten Zustand in der von ihrer Längsausdehnung definierten axialen Richtung in das Schneidgut eingebracht. In einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt wird die Lanze elektrisch aufgeheizt, insbesondere wird die Lanze über die Schmelztemperatur des zu schneidenden Schneidguts erhitzt. In einem weiteren anschießenden, dritten Verfahrensschritt wird die Lanze zum im Wesentlichen berührungsfreien Schneiden des Schneidguts in einer senkrecht zur Längsausdehnung der Lanze verlaufenden lateralen Richtung bewegt.
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Da die Lanze in das Schneidgut im vergleichsweise kalten Zustand eingebracht wird, werden Probleme vermieden, die von einer nicht ausreichenden Formstabilität der Lanze bei mechanischer Beanspruchung verursacht sind. Zudem hat sich gezeigt, dass das Einbringen von bereits erhitzten Lanzen in das Schneidgut leicht trichterförmig ausgebildete Kavitäten erzeugt, was sich negativ auf die Qualität der auszubildenden Schnittkante auswirkt. Dieses Problem ist jedoch weitestgehend vermieden, wenn die Lanze erst im bereits eingebrachten Zustand über den Schmelzpunkt des zu schneidenden Materials erhitzt wird, da sich in diesem Fall die Lanze im Wesentlichen gleichmäßig über den eingebrachten Abschnitt erhitzt. Der Schneidvorgang im dritten Verfahrensschritt erfolgt weitgehend berührungs- und damit widerstandsfrei, so dass die einzubringenden Schnittkanten schnell und präzise vorgegeben werden. Da es sich hierbei insbesondere um ein nicht spanendes Bearbeitungsverfahren handelt, fallen keine bzw. kaum Abfälle an.
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Vorzugsweise wird die Lanze im ersten Verfahrensschritt beispielsweise zum Ausschneiden von Fensteröffnungen in horizontaler Raumrichtung in das montierte Fertighausbauteil eingebracht. Hierzu ist die Schneideinheit besonders bevorzugt mittels des vorstehend beschriebenen Maschinenportals verschiebbar geführt, so dass die Lage der Fensteröffnungen präzise vorgegeben werden kann.
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Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Schneideinheit in einer schematischen Seitenansicht;
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2 eine elektrische Verbindungseinrichtung der Schneideinheit in einer Schnittdarstellung;
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3 eine Vorrichtung zum thermischen Schneiden in einer perspektivischen Darstellung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schneideinheit 1 zum thermischen Schneiden von Schneidgut, insbesondere zum Schneiden von einem thermisch schneidbaren Wärmedämmmaterial. Das zu schneidende Wärmedämmmaterial kann in einem möglichen, lediglich exemplarisch genannten Anwendungsfall in einem Fertighausbauteil Verwendung finden oder als Fertighausbauteil ausgebildet sein. Das thermisch schneidbare Schneidgut ist insbesondere aus einem, vorzugsweise schaumförmigen oder geschäumten oder porigen, Polystyrolmaterial, gebildet, das außer als Wärmedämmmaterial auch Anwendung als Verpackungsmaterial oder in anderen Bereichen finden kann.
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3 zeigt eine Schneideinheit 1, die beispielsweise nach 1 ausgebildet ist, in einem Einsatz beim thermischen Schneiden von Schneidgut S, beispielsweise einer Wärmedämmschicht der Tiefe T aus thermisch schneidbarem Material wie einem Polystyrolmaterial.
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Die Schneideinheit 1 weist eine Schneidlanze (oder: Schneidstab) 2 auf (im Folgenden kurz ”Lanze” genannt), die das zum Einbringen in das thermisch zu schneidende Schneidgut vorgesehene eigentliche Schneidmittel bildet, und einen Haltebereich oder Spannbereich 21, insbesondere in einer Halte- oder Spanneinrichtung, beispielsweise einem Spannfutter eines Antriebs oder einer Aufnahme eines Roboters oder eines Portals, zum mechanischen Festhalten oder Ein- oder Festspannen der Lanze 2 sowie eine elektrische Verbindungseinrichtung 3 zur elektrischen Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Heizstromquelle auf. Mittels eines Heizstromes der Heizstromquelle ist die Lanze 2 zumindest in wenigstens einem Abschnitt auf eine Schneidtemperatur aufheizbar, die oberhalb der Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur des Schneidgutes S liegt, um das Schneidgut thermisch schneiden zu können.
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Die Lanze 2 erstreckt sich zumindest überwiegend in axialer Richtung entlang einer Längsachse A und hat vorzugsweise eine zumindest überwiegend radial-oder rotationssymmetrische und/oder im Wesentlichen stabförmige Gestalt mit einem Durchmesser d von typischerweise einigen, beispielsweise 1 bis 12, Millimetern und/oder weist vorzugsweise einen hohlen, vorzugsweise hohlzylindrischen, Mantel auf. Die axiale Länge der Lanze 2 hängt von der Anwendung ab, kann aber typischerweise in einem Bereich zwischen 100 und 800 mm, beispielsweise um die 500 bis 600 mm, liegen.
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Der Durchmesser d der Lanze 2 ist typischer Weise kleiner als der Durchmesser D der Schneideinheit 1 insbesondere im Spannbereich 21.
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Im Inneren der Lanze 2, vorzugsweise innerhalb ihres Mantels, ist wenigstens ein Heizdraht angeordnet, der sich bei Zuführung eines Heizstroms aufgrund seines hohen Heizwiderstandes (hoher spezifischer Widerstand und/oder kleiner Querschnitt) resistiv erhitzt und die Lanze 2 dort, wo der Heizdraht verläuft, auf die Schneidtemperatur bringt, die oberhalb der Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur des Schneidgutes S liegt.
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Der Heizdraht kann in einem Ausführungsbeispiel in zwei axial parallel verlaufenden Leiterbahnen oder Leiterdrähten oder Litzen verlegt sein, die am Ende, z. B. U-förmig miteinander verbunden sind und an ihren freien Enden in der Verbindungseinrichtung 3 jeweils mit einem Pol der Heizstromquelle verbindbar sind. Der Heizdraht ist vorzugsweise über den Abschnitt H in einem elektrisch isolierenden, jedoch thermisch gut leitendem Material eingebettet, das wiederum innerhalb eines Mantels aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl, das ebenfalls thermisch gut leitend ist, eingebettet oder angeordnet ist. Der Mantel sorgt für die Formstabilität der Lanze 2.
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An einem vom Spannbereich 21 entgegengesetzten oder abgewandten Ende oder an ihrer Stirnseite hat die Lanze 2 gemäß 1 ein freies Ende 2A, das wie dargestellt einfach flach und senkrecht zur Längsachse A verlaufen kann oder auch in einer nicht dargestellten Ausführungsform eine Spitze oder dergleichen aufweisen kann zum besseren mechanischen Einführen in das Schneidgut.
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Der Heizdraht ist über die elektrische Verbindungseinrichtung 3, die in einem Ausführungsbeispiel in 2 gezeigt ist, mit der Heizstromquelle verbindbar. Die Verbindungseinrichtung 3 ist bevorzugt zwischen dem Spannbereich 21 und der eigentlichen Lanze 2 angeordnet.
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In dem in 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Lanze nicht über ihre gesamte axiale Länge beheizbar, sondern lediglich über einen beheizten mittleren und sich über die überwiegende Länge, z. B. mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 80%, der Länge, der Lanze 2 erstreckenden Abschnitt H beheizbar, an den sich axial an entgegengesetzten Seiten jeweils unbeheizte kürzere Abschnitte, nämlich ein vorderer Abschnitt K1 und ein hinterer Abschnitt K2, anschließen. Der hochohmige Heizdraht erstreckt sich dazu nur im Abschnitt H und nicht in den Abschnitten K1 oder K2 und ist über gut leitende elektrische Zuleitungen mit niedrigem elektrischem Widerstand, die dadurch geringe ohmsche Verluste aufweisen, durch den hinteren Abschnitt K2 der Lanze 2 mit der elektrischen Kontaktierungseinrichtung 3 elektrisch verbunden.
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Dadurch werden der Kontaktierungseinrichtung 3 und der Spannbereich 21 über den unbeheizten Abschnitt K2 von dem beheizten Abschnitt H beabstandet und thermisch entkoppelt und bleiben ebenso wie auch das freie Ende 2A und der unmittelbar anschließende unbeheizte Abschnitt K1 selbst bei auf die Schneidtemperatur erhitztem Abschnitt H vergleichsweise kalt, jedenfalls unter der Schneidtemperatur.
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Die axiale Länge des beheizten Abschnitts H beträgt ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielsweise etwa 300 bis 600 mm, die Länge der beiden unbeheizten Abschnitte K1 und K2 in etwa 40 bis 60 mm.
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3 zeigt schematisch eine Vorrichtung 8 zum thermischen Schneiden mit einer Schneideinheit 1 in einer perspektivischen Darstellung. Die Schneideinheit 1 ist endseitig mit ihrem Spannbereich 21 mittels einer Spanneinrichtung (Spannnfutter) 9 an einen elektrischen Rotationsantrieb 10 angekoppelt. Mittels des Rotationsantriebs 10 kann auf die Lanze 2 ein Drehmoment ausgeübt werden, so dass diese in eine Drehbewegung um ihre Längsachse A versetzt wird.
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Die Lanze 2 ist zur mechanischen Unterstützung, insbesondere im unbeheizten Abschnitt K2, zwischen der Spanneinrichtung 9 und dem Schneidgut S durch ein Unterstützungselement 11 geführt, das vorzugsweise einen Führungstrichter 12 umfasst, mit dem eine zentrierten Aufnahme und ein gezieltes Führen oder Einfädeln der Lanze 2 und eine Stabilisierung der Lanze 2 bei der Bohr- oder Eindringbewegung ermöglicht wird.
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Die Vorrichtung 1 ist insbesondere auf einem in horizontaler Raumrichtung H1 axial zur Längsachse A und in dazu senkrechter horizontaler transversaler Raumrichtung H2, d. h. senkrecht zur Längsachse A, und in vertikaler Raumrichtung V verschieb – oder bewegbar gelagerten Träger 12 eines Maschinenportals 13 befestigt. Die horizontale transversale Raumrichtung H2 und die vertikale Raumrichtung V stellen die Bewegungsrichtungen oder -koordinaten dar, mit der mit der beheizten Lanze 2 das thermische Schneiden durchgeführt wird, also senkrecht zur Längsachse A. Dies geschieht insbesondere, um wie in 3 gezeigt in einem Fertighauswandteil aus einem Polystyrolmaterial, nicht einschränkend aufzufassend, Fensteröffnungen auszuschneiden. Die Schneideinheit 1 ist hierzu mittels des Maschinenportals 13 bezüglich dem Fertighauswandteil an beliebig vorgebbare Positionen zustellbar.
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Die Schneideinheit 2 wird in einem Verfahren zum thermischen Schneiden des Schneidgutes S gemäß der Erfindung bevorzugt wie folgt eingesetzt, wie (teilweise) aus 3 ersichtlich.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird in einer axialen Eindringbewegung, insbesondere entlang der Raumrichtung H1 in 3, die Lanze 2 mit ihrem freien Ende 2 und dem nicht beheizbaren Abschnitt K1 voran entlang ihrer Längsachse A in unbeheiztem Zustand oder zumindest nur insoweit vorgeheiztem Zustand, dass die Temperatur auch im Abschnitt H unter der Schneidtemperatur liegt, mechanisch in das Schneidgut eingetrieben oder eingepresst, also unter Beaufschlagung mit einer mechanischen Eindringkraft in axialer Richtung in das Schneidgut eingebracht. Dabei erzeugt die Lanze 2 mechanisch ein axiales Loch im Schneidgut S.
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Dieses mechanische Eintreiben der nicht oder nicht stark beheizten Lanze 2 hat den Vorteil gegenüber einem thermischen Eindringen, dass das damit erzeugte axiale Loch den gleichen Durchmesser über die gesamte Tiefe T hat und somit ein genauer reproduzierbarer Anfangszustand erreicht wird, während bei einem thermischen Eindringen das Loch trichterförmig wird und am Anfang wegen dem größeren akkumulierten Wärmeeintrag einen größeren Durchmesser hat als am Ende.
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Die nicht-thermische Eindringbewegung wird vorzugsweise unterstützt, indem die Lanze 2 gleichzeitig zur axialen Eindringbewegung um ihre Längsachse A mittels eines Rotationsantriebes 10 schnell gedreht wird, so wie bei einer Bohrbewegung. Die Schneideinheit 1 wird dazu an dem Spannbereich 21 in eine Spanneinrichtung (Spannfutter) 9 eingespannt, das von dem Rotationsantrieb 10 gedreht wird, ähnlich wie bei einer Bohrmaschine. Durch diese Dreh- oder Bohrbewegung werden die Eindringkräfte und Biegemomente auf die Lanze 2 reduziert.
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Die nicht-thermische Eindringbewegung H1 wird gestoppt, wenn der mittlere Abschnitt H der Lanze 2 vollständig innerhalb des Schneidgutes S liegt. Die axiale Abmessung oder Länge des mittleren Abschnittes H der Lanze 2 ist deshalb größer gewählt als die (maximale) Tiefe T des Schneidgutes S gemessen in der Eindringrichtung H1.
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In einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt wird nun der beheizbare mittlere Abschnitt H der Lanze 2 elektrisch auf die Schneidtemperatur oberhalb der Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Schneidgutes S aufgeheizt.
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Alternativ ist es auch möglich, dass der Abschnitt H schon auf der Schneidtemperatur ist und dem unbeheizten Abschnitt K1 nachfolgend in das Schneidgut S eingebracht wird.
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Nun wird in einem dritten Verfahrensschritt der thermische Schneidvorgang begonnen, indem die aufgeheizte Lanze oder der aufgeheizte Abschnitt H der Lanze 2 in einer Schneidbewegung, die senkrecht zur Längsachse A der Lanze 2 gerichtet ist oder wenigstens eine laterale Bewegungskomponente senkrecht zur Längsachse der Lanze 2 aufweist, durch das Schneidgut S bewegt, wobei die Lanze entlang ihres beheizten Bereichs oder beheizten Abschnittes H einen thermischen Schnitt im Schneidgut S erzeugt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Lanze 2 ist dabei an das Schmelz- oder Erweichungsverhalten des Schneidgutes S und die Schneidtemperatur angepasst. Die Lanze 2 schneidet also im beheizten mittleren Bereich H entlang ihrer axialen Länge wie eine Klinge.
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Die Lanze 2 kann über abweichend von 1 auch über ihre gesamte axiale Länge, zumindest jedoch auch im vorderen Abschnitt K1 am freien Ende 2A, wenn auch nicht im hinteren Abschnitt K2 zur thermischen Entkopplung, beheizbar sein. In diesem Fall wird die gesamte Lanze 2 bei der axialen Eindringbewegung in das Schneidgut S in der axialen Richtung H1 noch nicht auf die Schneidtemperatur gebracht und erst nach Beendigung der axialen Eindringbewegung aufgeheizt, wie bevorzugt auch im Falle der abschnittsweisen Beheizung im Abschnitt H.
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In einer Ausführungsform ist der der Lanze 2 gegenüberliegende, endseitige Teil der Schneideinheit 1 zum mechanischen Einspannen vorgesehen und weist ein Kupplungsstück 7 auf, welches eine zu einer Spanneinrichtung komplementäre Formgebung aufweist. Bei der Spanneinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Spannfutter einer handelsüblichen Bohrmaschine handeln. Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Schneideinheit 1 ist diese daher lediglich einseitig mechanisch unterstützt.
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Das thermische Schneiden des Schneidguts S erfolgt entsprechend dem von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren mit anderen Worten derart, dass die Lanze 2 im kalten oder zumindest unterhalb der Schneidtemperatur befindlichen Zustand in das zu schneidende Schneidgut, beispielsweise thermoplastische Schaummaterial, eingeführt wird. Hierzu wird die Lanze 2 in der von der Längsachse vorgegebenen axialen Richtung in das Schneidgut S eingepresst oder eingebohrt. Hierzu wird die Lanze 2 vorzugsweise zum Minimieren des Widerstands mittels der elektrischen Rotationsmaschine 10 in eine Drehbewegung versetzt. Anschließend wird der im Inneren der Lanze 2 angeordnete Heizdraht mit einem Heizstrom beaufschlagt, woraufhin sich die Lanze 2 zumindest über den beheizbaren Abschnitt H auf die Schneidtemperatur erhitzt, die über dem Schmelzpunkt des Schneidguts S liegt. Der Zuschnitt erfolgt danach im Wesentlichen berührungs- und widerstandsfrei, wobei die Lanze 2 in einer lateral zu ihrer Längsachse verlaufenden Richtung bewegt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der elektrischen Verbindungseinrichtung 3 gemäß der Erfindung ist im Detail in der Schnittdarstellung der 2 gezeigt. Ein Isolationselement 4 erstreckt sich umfänglich um die metallische Lanze 2 und isoliert diese von zwei sich umfänglich um das Isolationselement 4 erstreckenden Kontaktierungselementen 5, welche Schleifkontakte zum Zuführen des Heizstroms bilden. Die Kontaktierungselemente 5 sind über Zuleitungen 6 mit dem im Inneren der hohlzylindrischen Lanze 2 geführten Heizdraht (nicht dargestellt) verbunden, so dass durch den Heizdraht ein Heizstrom fließt, wenn die Kontaktierungselemente 5 mit einer Stromquelle verbunden werden. In dem exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zuleitungen 6 durch Anschlusslitzen gebildet, die durch Öffnungen 30 in den Kontaktierungselementen 5 geführt und mit den Kontaktierungselementen 5 verlötet sind.
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Der unbeheizten Abschnitt K2 der Lanze 2 erstreckt sich zumindest zum Teil ins Innere des Isolationselements 4, insbesondere ist zumindest ein elektrischer Kontaktierungsbereich 20 innerhalb des Isolationselementes 3 angeordnet, in welchem die Lanze 2 mit den Zuführungen 6A, 6B elektrisch kontaktiert ist. Die Lanze 2 ist in einer innerhalb des Isolationselements 3 angeordneten Hülse 31 eingesetzt und mit dieser zumindest endseitig verpresst. Die Hülse 31 kann beispielsweise mittels herkömmlicher Befestigungsmittel, insbesondere Schrauben, innerhalb des Isolationselements 3 fixiert sein. Für die nicht näher dargestellten Befestigungsmittel sind im Isolationselement 3 entsprechend dimensionierte Ausnehmungen 32 vorgesehen.
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Die rotationssymmetrische Ausbildung der Verbindungseinrichtung 3 erlaubt das Zuführen des Heizstromes unabhängig von der Winkelstellung der Schneideinheit 1 bzw. der Lanze 2 um die von der Längsausdehnung der Lanze 2 vorgegebene Längsachse. Insbesondere ermöglichen die als Schleifringe ausgeführten Kontaktierungselemente 5 die Zufuhr des Heizstroms während die Schneideinheit 1 bzw. die Lanze 2 um die Längsachse rotiert.
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Eine in 2 lediglich schematisch gezeigte Stromquelle 33 umfasst mittels Federn 34 federnd gelagert Schleifkontakte 35. Über die Schleifkontakte 35 wird der Heizstrom der Schneideinheit 1 zugeführt, um den beheizbaren Abschnitt H der Lanze 2 insbesondere im zweiten Verfahrensschritt über die Schmelz- oder Erweichungstemperatur des Schneidguts S erhitzt werden kann.
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Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten, ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schneideinheit
- 2
- Lanze
- 2A
- freies Ende
- 3
- Verbindungseinrichtung
- 4
- Isolationselement
- 5A, 5B
- Kontaktierungselement
- 6A, 6B
- Zuleitung
- 7
- Kupplungsstück
- 8
- Vorrichtung
- 9
- Spanneinrichtung
- 10
- Rotationsantrieb
- 11
- Unterstützungselement
- 12
- Träger
- 13
- Maschinenportal
- 20
- elektrischer Kontaktierungsbereich
- 21
- Spannbereich
- 22
- Führungstrichter
- 30
- Öffnung
- 31
- Hülse
- 32
- Ausnehmung
- 33
- Stromquelle
- 34
- Feder
- 35
- Schleifkontakt
- A
- Längsachse
- H
- Abschnitt
- K1
- Abschnitt
- K2
- Abschnitt
- H1
- axiale horizontale Raumrichtung
- H2
- transversale horizontale Raumrichtung
- S
- Schneidgut
- T
- Tiefe
- V
- vertikale Raumrichtung
- d
- Durchmesser
- D
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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