DE19938941C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Stanzausschneiden einer willkürlichen geometrischen Form aus einem Flachmaterial, insbesondere Holzfurnier zum Intarsieren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Stanzausschneiden einer willkürlichen geometrischen Form aus einem Flachmaterial nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 6.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung ge­ hen aus der DE 195 06 696 C2 hervor; bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Vorrichtung wird ein Schneidstichel verwendet, der einen Schneidbereich mit ei­ ner Frontschneide und mehreren Nebenschneiden aufweist, wo­ durch beim Stanzschneiden Kerb- und Rissbildung auftreten kann und folglich im Querschnitt unterschiedliche Schnitt- und Verdichtungszustände vorliegen dürften.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, das die Stanzschnittqualität verbessert, sowie eine geeignete Schneidvorrichtung hierfür zu schaffen.

Diese Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Weitere vorteilhaf­ te Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Die vorliegende Erfindung soll im Nachfolgenden anhand ei­ nes derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels eingehend er­ läutert werden.

Fig. 1 zeigt ein CNC-Bearbeitungszentrum gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 gekennzeichnete Detail A-A.

Fig. 3 zeigt den Schnitt B-B aus Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ein Detail C-C aus Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Nadelstanze in vergrö­ ßertem Maßstab.

Fig. 6 zeigt ein Detail der Nadelstanze aus Fig. 5 in der Draufsicht und der Vorderansicht.

Fig. 7 zeigt das Schnittmuster der Nadelstanze aus Fig. 5 im vergrößerten Maßstab.

Wie anhand von Fig. 1 erkennbar ist, handelt es sich um ein CNC-Bearbeitungszentrum, genauer gesagt, um eine Flachbett­ anlage 1, bei der die Achsbenennung dem mathematischen Ko­ ordinatensystem nachempfunden ist (X-Y-Z-System). Die Ach­ sen eines Bearbeitungskopfes 2 mitsamt dem Werkzeug werden über (nicht gezeigte) Servomotoren bewegt, die über einen (nicht gezeigten) Controller gesteuert werden. Der Control­ ler erhält seine Betriebsinformationen von einem Computer, der die digitalen Daten in Maschinensprache übersetzt lie­ fert. Die damit erreichbare Repositionierbarkeit der Anlage liegt bei ca. 1/100 mm.

Gemäß Fig. 2 ist das Detail A-A in Vergrößerung darge­ stellt. Auf der X-Achse ist die Z-Achse montiert, welche durch einen (nicht gezeigten) Motor vertikal bewegt werden kann. Auf der Z-Achse ist eine Führungsschiene 3 montiert, in die ein Schlitten 4 eingeführt ist, der in seiner Bewe­ gung frei ist; nur am unteren Ende ist er durch einen Hal­ teblock 5 gegen Herausfallen gesichert.

An dem eben beschriebenen Schlitten 4 ist ein Alublock 6 befestigt, der zur Aufnahme eines pneumatischen Ventils 7, eines verstellbaren Abstandhalters bzw. Niederhalters 8 und des eigentlichen Werkzeugs, nämlich des Schneidkopfes 9 dient.

Funktionsweise

Hat die Maschine einen vorgegebenen Punkt erreicht, an dem die Schneidarbeit aufgenommen werden soll, so wird die Z- Achse gesenkt. Ab dem Zeitpunkt, da der Abstandhalter 8 auf einem darunterliegenden zu bearbeitenden Flachmaterial (10), im Folgenden auch als Furnier bezeichnet, aufsitzt, die Z-Achse sich aber noch eine vordefinierte Strecke nach unten bewegt, gibt der Schlitten 4 einen mechanischen Schalter 11 frei, der nun einen Stromkreis schließt. Die elektrische Energie wird nun genutzt, um einen magnetischen Mechanismus in dem pneumatischen Ventil 7 in Gang zu setzen und dadurch den Durchfluss von Druckluft zu gewährleisten.

Um den weiteren Weg der Druckluft beschreiben zu können, wird im Folgenden auf Fig. 3 verwiesen. Die nun einströmen­ de Druckluft geht durch den Alublock 6 hindurch direkt in den Schneidkopf 9 und drückt dort die Nadelstanze 12 durch einen Kolbenmechanismus nach unten. Gleichzeitig wird eine Feder 13 vorgespannt. Eine seitlich angebrachte Bohrung 14 lässt die Druckluft entweichen, sobald das obere Ende der Nadelstanze 12 sich unterhalb der Bohrung 14 befindet. Die nun gespannte Feder 13 leitet die Aufwärtsbewegung ein. Das Entlüftungsloch 14 schließt sich wieder und die durch die Feder 13 herbeigeführte Aufwärtsbewegung kommt durch den erneuten Druckaufbau zum Stillstand und der Vorgang beginnt von Neuem.

Ist eine Kontur abgefahren, so wird die Z-Achse angehoben, der Schlitten 4 sitzt auf den Halteblock 5 auf, der mecha­ nische Schalter 11 unterbricht den Stromkreis, das pneuma­ tische Ventil 7 schließt sich, der Druckluftdurchfluss ist nicht mehr gewährleistet und die Nadelstanze 12 beendet ih­ re Arbeit. Bei weiterem Anheben der Z-Achse wird der nun aufsitzende Schlitten 4 mitangehoben und gibt das Material darunter "frei".

Durch das weitere Absenken der Z-Achse, nachdem der Ab­ standhalter 8 bereits auf dem Furnier 10 aufsitzt, wird ge­ währleistet, dass die Nadelstanze 12 durch die Vorlaufzeit ihre Betriebsfrequenz von ca. 250 Hz erreicht hat, bevor der Schneidvorgang beginnt. Zum anderen ist der Schlitten 4 dadurch frei beweglich und kann Unebenheiten auf der Fläche ausgleichen, ohne dass sich der Abstand vom Schneidkopf 9 zum Furnier ändert (ein elektrischer Betrieb mittels Elekt­ romotor wäre durchaus denkbar und hätte den Effekt, dass man die eingesetzte Stoßkraft und die Frequenz vorteilhaft korrigieren könnte!).

In Fig. 4 ist das Detail C-C aus Fig. 1 gezeigt. Die Abbil­ dung zeigt den Aufbau während des Schneidvorganges. Die Ab­ standshalterung 8 gleitet auf dem Furnier 10 und drückt mit dem Gewicht des gesamten Schneidkopfes 9 evtl. "Wellen" der Furniers 10 nieder. Durch die Abrundung der Außenkante der Abstandshalterung 8 werden aufstehende Ecken bereits ge­ schnittener Furnierteile ohne Beschädigung niedergedrückt. Die Druckkante 14 des Abstandhalters 8 beschreibt eine im Durchmesser nur unwesentlich größere Bohrung als die Nadel­ stanzenspitze, um bei dem Schneidvorgang Vibrationen, die zur Beschädigung des Furniers 10 führen könnten, auszu­ schließen. Unter dem Furnier befindet sich eine Art Vlies 15, im vorliegenden Fall eine sogenannte Filterplatte, wel­ che aus zusammengesinterten Polystyrolkügelchen besteht. Diese Filterplatte ist luftdurchlässig, hat aber eine Po­ renweite von nur ca. 7 um.

• - Durch die Luftdurchlässigkeit kann das Furnier per Unter­ druck fixiert werden;
• - Auch kleinste Teile können von der Absaugung aufgrund der geringen Porenweite nicht erfasst werden und somit auch nicht verloren gehen;
• - Bei Leckageflächen ist der Luftstrom etwas gehindert, was eine kleinere Absauganlage ermöglicht und so zu Energie­ kostenersparnis führt;
• - Es hat sich nach vielen Versuchen gezeigt, dass dieses Material von der Härte her das genau geeignete Gegenmate­ rial darstellt, um als Widerlager der Nadelstanze, für einen optimalen Schnitt zu dienen, und zudem gegenüber einem weicheren Material eine ca. 3-5fach höhere Fahrge­ schwindigkeit der CNC-Anlage zulässt, was natürlich einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um den selben Faktor gleichkommt;
• - Dieses Material ist aber trotzdem weich genug, damit die Nadelstanze 12 beim Durchbohren des Furniers und dem an­ schließenden Eintauchen in das Material nicht "verletzt" wird und kann stark genug gewählt werden, so dass keine Berührung zwischen Nadelstanze und Lochplatte zustande kommt, was unweigerlich die Beschädigung des Schneidkop­ fes 9 zur Folge hätte.

Die unter dem Vlies 15 liegende Lochplatte 16 wird durch einen Rahmen 17 auf Abstand zu einem Maschinenbodenblech 17 gehalten. Dadurch entsteht ein Raum, der durch Absaugung der Luft, seinen Unterdruck nur durch Luftzufuhr von der Furnierseite her "ausgleichen" kann. Der Luftdruck über­ nimmt so die Fixierung des Furniers, da dieses nämlich ein Hindernis für den Luftstrom darstellt.

Fig. 5 zeigt eine ca. dreifache Vergrößerung des Schneid­ kopfes, also der Nadelstanze 12 selbst, die aus sehr har­ tem, zähem Material gefertigt ist.

Natürlich kann es sinnvolle Variationen geben, wie zum Bei­ spiel eine längere Form, was mehr Material bedeutet und so­ mit eine größere Gesamtmasse, die eine höhere Durchstanz­ kraft zur Folge hat oder eine dem zu schneidenden Material im Durchmesser angepasste Spitze. Die im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel gewählten Maße von 64 mm Länge und einem Spitzendurchmesser von ca. 0,1 mm haben sich jedoch als vielseitig verwendbar herausgestellt.

Fig. 6 geht etwas näher auf die Formgebung der "Spitze" der Nadelstanze 12 selbst ein. Ein rein zylindrischer Körper stellte sich bei der Arbeit als wenig sinnvoll heraus, da die Nadelstanze zwar das Furnier durchdrang, anschließend aber die Kraft der Feder viel zu gering war, um den Stan­ zenkörper wieder aus dem Material zu ziehen, da der Rei­ bungswiderstand zwischen dem durchstanzten Material und dem Werkzeug sehr hoch war. Bildlich gesprochen war es, "als hätte man einen Nagel in einen Balken eingeschlagen". Die CNC-Anlage fährt trotzdem weiter die Kontur ab und durch die deshalb auftretende seitlichen Kraft auf die festsit­ zende Nadelstanze bricht die Spitze ab. Daher ist es vor­ teilhaft, wenn der Nadelstanzenkörper in seinem Durchmesser nach oben hin zunimmt. Die Ausbildung als konkaven Körper, wie dargestellt, brachte die beste Qualität des Schnittes und erlaubte gegenüber einer kegelförmigen Spitze bei glei­ chem Kraftaufwand, ein dickeres Material zu schneiden.

Fig. 6 gibt zudem Hinweise auf das Schneidprinzip. Wie be­ reits bekannt, wird die Nadelstanze durch eine Kraft, gleich, ob pneumatischen oder elektrischen Ursprungs, durch das Flachmaterial, im vorliegenden Fall Furnier, getrieben. Das Ende der Nadelstanze, fälschlicherweise bisher als Spitze bezeichnet, ist in Vergrößerung gesehen, plan, wie in Fig. 6a deutlich zu sehen ist. Der dadurch entstehende "Rand" bildet eine Stanzkante, die einen Teil des Materials herausstanzt, vereinfacht ausgedrückt, herausschneidet. Der zunehmende Werkzeugdurchmesser verursacht bei demselben Ar­ beitsgang im oberen Furnierbereich eine Materialverdrängung einhergehend mit einer Materialverdichtung. Das heißt, bei dem Furnier 10 werden die Holzzellen um den Stanzkörper herum "gequetscht" und verbleiben in dieser Form. Folge:

• - Es reicht ein geringe Kraft zum Hochziehen der Nadelstan­ ze 12 und der Werkzeugbereich hat keinen Kontakt mehr zum Material, das heißt, dass mit geringer Federkraft ein "im Material stecken bleiben" und demzufolge das schon be­ schriebene Abbrechen der Spitze der Nadelstanze vermieden werden kann;
• - Beim Auffurnieren, das heißt beim nächsten Arbeitsschritt in der Schreinerwerkstatt, bei dem das Furnier, also die Einlegearbeit, auf ein Trägermaterial "aufgeklebt" wird, quellen die "gequetschten" Holzzellen durch die Wärme der Furnierpresse und den Wasserdampf, der aus dem Wasser stammt, das als Lösungsmittel dem Kleber bzw. dem Leim beigemengt ist, wieder auf und der Schnitt "verschwindet" nahezu vollständig, das heißt der Schnitt wird durch das Furnier selbst kompensiert. Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, die einmalige Qualität der Intarsien zu er­ reichen.

Fig. 7 zeigt ein Schnittmuster einer Nadelstanze in Vergrö­ ßerung und macht auf eine weitere Besonderheit aufmerksam. In Fig. 7a wird eine Stoßfolge der Nadelstanze gezeigt, das heißt wie die einzelnen Stöße ineinandergreifen. Selbstver­ ständlich kann die dargestellte Stoßfolge auch noch durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit entzerrt werden und man erhält trotzdem eine Trennung des zu schneidenden Materi­ als. Eine Besonderheit geht aus Fig. 7b hervor, in der ein Schnitt in Vergrößerung dargestellt ist, das heißt das aus­ gestanzte Material wurde hier nicht mehr dargestellt. Zu­ rück bleibt ein "welliger bzw. gezahnter Schnitt". Es ist leicht vorstellbar, dass dieser Schnitt mit "Zähnen", so­ fern er eine Kontur, z. B. ein Viereck, beschreibt, beim Einlegen der aus einem zweiten Furnier geschnittenen Figur, im vorliegenden Beispiel das komplementäre Viereck, eine "Verzahnung" im Mikrobereich zur Folge hat und deshalb fast vollständig auf ein sogenanntes Furnierklebepapier zur Si­ cherung gegen Herausfallen der eingelegten Teile verzichtet werden kann.

Zum Schluss soll noch auf das Werkzeug, die Nadelstanze selbst, eingegangen werden. Das Stanzen mit diesem Werkzeug hat die vorgenannten Vorteile. Dabei ist die Rotationssym­ metrie von großem Vorteil, ebenso wie die konkave Gestalt an der Spitze und dem damit verwirklichtem Verdrängungs­ prinzip, ähnlich dem einer Nadel. Im Gegensatz dazu hätte nämlich eine Stanze mit einer rechteckigen Grundfläche fol­ gende Nachteile:

• - Da in diesem Fall eine Schneidrichtung vorhanden wäre, müsste die Schneide der jeweiligen Fahrrichtung entlang einer Kontur nachgeführt werden, was bedeutet, dass eine Achse mehr zu steuern wäre, also ein Vierachssystem. Die Soft- und die Hardware gestalten sich sehr viel schwieri­ ger;
• - Des weiteren müsste der Schneidkopf bei filigranen Kontu­ ren mit vielen Ecken immer wieder angehoben, positio­ niert, ausgerichtet und abgesenkt werden, was unweiger­ lich zu einem Zeitverlust führt;
• - Schließlich müsste durch die rechteckige, drehbare Form, bei der das Furnier niederdrückenden Abstandshalterung auf eine kleine Durchgangsöffnung zu Gunsten der Drehbar­ keit verzichtet werden, was erhebliche Qualitätseinbußen mit sich bringen dürfte.

Claims (16)

1. Verfahren zum Stanzausschneiden einer willkürlichen geometrischen Form aus einem Flachmaterial, insbesondere Holzfurnier, wobei das Flachmaterial (10) auf eine Bearbeitungsfläche aufgelegt, fixiert und gehalten wird und die gewünschte Form aus dem Flachmaterial (10) entlang der Formkontur mit einer Nadelstanze durch kleine aufeinanderfolgende und sich schneidende Löcher ausgestanzt wird und das Flachmaterial (10) am Umfang der ausgestanzten Fläche während des Stanzvorgangs verdrängt und dabei verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher kreisförmig ausgestanzt und über den gesamten Umfang gleichförmig verdichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial (10) mittels Unterdruck auf der Bearbeitungsfläche fixiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stanzvorgang CNC-gesteuert automatisch erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stanzvorgang mit einer Stanzfrequenz von 250 Hz erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial (10) während des Stanzvorgangs mit einem Niederhalter (8) auf der Bearbeitungsoberfläche gehalten wird.

6. Vorrichtung zum Stanzausschneiden einer willkürlichen geometrischen Form aus einem Flachmaterial (10), insbesondere Holzfurnier, mit einer Nadelstanze (12), die in der Vorrichtung auf- und abwärts bewegbar eingebaut ist, wobei die Nadelstanze an einer Halterung angeordnet ist und die Halterung in einer Ebene bewegbar ist, und mit einer Flachmaterial-Bearbeitungsauflage, und wobei die Nadelstanze (12) im Stanzbereich eine sich verjüngende Kontur hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelstanze (12) im Querschnitt durchgehend rotationssymmetrisch ausgebildet ist und die Verjüngung der Kontur der Nadelstanze (12) gleichmäßig ist, und die Nadelstanze eine kreisförmige Schneidfläche hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verjüngende Kontur kegelstumpfförmig ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verjüngende Kontur konkav ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidfläche einen Außendurchmesser von 0,1 mm hat.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelstanze (12) eine Länge von 64 mm hat.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelstanze (12) aus einem harten, zähen Material besteht.

12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 bis 17) zum Stanzausschneiden in einem CNC-Bearbeitungszentrum eingebaut ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 bis 17) zum Stanzausschneiden einen Schneidkopf (9) aufweist, dass ein Niederhalter (8) vorgesehen ist, der im Betrieb das zu bearbeitende Flachmaterial (10) auf eine Unterlage drückt und dass eine Unterdrucksauganlage zur Fixierung des Flachmaterials (10) auf der Bearbeitungsauflage mittels Unterdruck vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (8) eine im Durchmesser nur unwesentlich größere Bohrung als der Schaft der Nadelstanze (12) hat.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem zu bearbeitenden Flachmaterial (10) eine Unterlage aus einem luftdurchlässigen Vlies (15) vorgesehen ist, in das die Nadelstanze (12) gefahrlos eintauchen kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies (15) aus zusammengesinterten Polystyrolkügelchen mit einer Porenweite von ca. 7 µm besteht.