EP0540495A1 - Verfahren zum Schneiden von Werkstücken aus faserverstärkten Kunststoffen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for cutting workpieces made of plastics, in particular thermoplastics, fiber-reinforced plastics or the like, in which a cutting tool is subjected to a feed movement following the course of the cut, and to a device for performing this method.
- thermoplastics and fiber-reinforced plastics pose considerable difficulties when it comes to cutting to size, since after hardening these plastics are distinguished by their particular strength, which is further increased by fiber reinforcement. Such a cutting has thus far mostly required contour milling, which is, however, quite complex and entails considerable machining losses.
- the invention is therefore based on the object of eliminating these deficiencies and of specifying a method for rationally cutting plastics.
- an appropriate device for performing this cutting process is to be created.
- the invention solves this problem in that a knife vibrating with ultrasonic frequency is used as the cutting tool and the temperature of the workpiece at least in Cutting area of the knife is brought to a value dependent on the temperature behavior of the respective plastic.
- An ultrasonic knife is in and of itself ideally suited for the clean cutting of common materials or for cutting through fiber structures, but without additional measures it would not be able to cut the hardened plastic as desired.
- the plastic By heating or cooling, depending on the temperature behavior of the plastic, the plastic can be made perfectly cutable for the ultrasonic knife, for example, a thermoplastic becomes soft due to an increase in temperature and, for a thermoset, cooling can prevent temperature-related hardening, so that the Combination of ultrasonic cutting and temperature setting of the plastic ensures an efficient, exact cutting of workpieces of any plastic or also fiber-reinforced plastic with high efficiency and low machining losses.
- the temperature of the workpiece in the cutting area can be set via the temperature of the knife or also via its own heat source, with either the knife temperature being preselected and regulated accordingly, or the workpiece being heated directly using a separate heat source.
- Suitable control devices which compare the actual workpiece temperature as the actual value with the preselected setpoint, can control the knife temperature or the power of the heat source as required, so that the plastic has the most favorable cutting temperature at the time of cutting with the ultrasonic knife.
- an ultrasonic cutting unit with a knife-equipped sonotrode or the like is provided according to the invention, which has a heating or Cooling device listened.
- This heating or cooling device ensures the heating of the workpiece in the case of thermoplastics, in order to be able to soften them for the ultrasonic knife, and prevents undesired heating of the workpiece when cutting thermosets, so that thermosets can also be cut with the ultrasonic knife without any problems.
- a heat radiator for example an infrared lamp, a hot and / or cooling air blower device or the like, is arranged upstream of the sonotrode in the feed direction.
- the heat radiator Through this heat radiator, the heat rays of which are focused in the cutting area, or through the blower device, by means of which hot or cooling air jets can be directed onto the cutting area, the workpiece temperature in the cutting area can be directly influenced in a locally limited manner, which both the required heating of thermoplastics and allows the cooling of thermosets to be achieved without much equipment.
- the heating or cooling devices can also be provided above and below the workpiece and, with a correspondingly synchronized forward movement, temper the cutting area on both sides to the extent of the knife advance.
- an ultrasound cutting unit 1 with a knife-equipped sonotrode 2 is provided, which is rotatably mounted on a multi-axis-controlled robot arm 3 about two axes of rotation I, II that are normal to one another, which means that any number of them , also have feed movements following a spatial cut.
- a heating or cooling device 4 is also arranged on the robot arm 3, which permits local processing of the workpiece in the cutting area of the knife by influencing the temperature.
- This heating or cooling device 4 comprises, for example, an infrared lamp 5 as a heat source and a ventilation device indicated in the form of a blow pipe 6 as Cooling device, wherein the rays of the infrared lamp 5 or the air jets from the blow pipe 6 are directed in the feed direction in front of the knife onto the workpiece W.
- the heating or cooling device 4a could also comprise only indicated flow channels 7 within the sonotrode 2, which flow channels are connected to a heating or cooling device 10 via suitable line connections 8 and preliminary and supply lines 9 for the application of heat transfer medium.
- the heat transfer medium preferably air
- the heat transfer medium can be preheated accordingly or, if necessary, also cooled and flows at a required temperature into the sonotrode 2, where it determines the sonotrode temperature, so that the workpiece temperature in the cutting area can also be set via the sonotrode temperature is.
- the workpiece in the cutting area can be set to a specific temperature by means of the heating and cooling device 4, 4a, it is possible to prepare the cutting properties of the plastic in a targeted manner for the subsequent ultrasound cut, depending on its temperature behavior, so that an optimal cutting process is ensured , in which the ultrasonic knife both cuts through the temperature-controlled material and cuts the reinforcement fibers exactly.
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Abstract
Zum Schneiden von Werkstücken aus Kunststoffen wird ein Schneidwerkzeug einer dem Schnittverlauf folgenden Vorschubbewegung unterworfen. Um ein rationelles Schneidverfahren zu gewährleisten, wird als Schneidwerkzeug ein mit Ultraschallfrequenz schwingendes Messer eingesetzt und die Temperatur des Werkstückes zumindest im Schneidbereich des Messers örtlich auf einen vom Temperaturverhalten des jeweiligen Kunststoffes abhängigen Wert gebracht. <IMAGE>
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken aus Kunststoffen, insbesondere Thermoplaste, faserverstärkte Kunststoffe od. dgl., bei dem ein Schneidwerkzeug einer dem Schnittverlauf folgenden Vorschubbewegung unterworfen wird, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
- Viele Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste und faserverstärkte Kunststoffe bereiten einem formgerechten Zuschneiden beträchtliche Schwierigkeiten, da sich diese Kunststoffe nach dem Aushärten durch ihre besondere Festigkeit auszeichnen, die durch eine Faserverstärkung noch erhöht wird. Ein solches Schneiden erfordert somit auch bisher meist ein Umrißfräsen, was allerdings recht aufwendig ist und beträchtliche Zerspanungsverluste mit sich bringt.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren zum rationellen Schneiden von Kunststoffen anzugeben. Außerdem soll eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung dieses Schneidverfahrens geschaffen werden.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß als Schneidwerkzeug ein mit Ultraschallfrequenz schwingendes Messer eingesetzt und die Temperatur des Werkstückes zumindest im Schneidbereich des Messers auf einen vom Temperaturverhalten des jeweiligen Kunststoffes abhängigen Wert gebracht wird. Ein Ultraschallmesser ist an und für sich zum sauberen Schneiden üblicher Materialien oder zum Durchtrennen von Faserstrukturen bestens geeignet, doch wäre es ohne zusätzliche Maßnahmen nicht in der Lage, den ausgehärteten Kunststoff wunschgemäß zu schneiden. Durch eine vom Temperaturverhalten des Kunststoffes abhängige Erwärmung oder auch Kühlung, läßt sich aber der Kunststoff für das Ultraschallmesser einwandfrei schneidfähig machen, beispielsweise wird ein Thermoplast durch eine Temperaturerhöhung weich und bei einem Duroplast kann durch eine Kühlung eine temperaturbedingte Erhärtung unterbunden werden, so daß durch die Kombination von Ultraschallschnitt und Temperatureinstellung des Kunststoffes ein rationelles, exaktes Schneiden von Werkstücken beliebiger Kunststoffe oder auch faserverstärkter Kunststoffe mit hohen Wirkungsgraden und geringen Zerspanungsverlusten gewährleistet ist.
- Die Temperatur des Werkstückes im Schneidbereich kann dabei über die Temperatur des Messers oder aber auch über eine eigene Wärmequelle eingestellt werden, wobei entweder die Messertemperatur vorgewählt und entsprechend geregelt wird oder das Werkstück direkt über eine gesonderte Wärmequelle zu erwärmen ist. Durch geeignete Steuerungseinrichtungen, die die tatsächliche Werkstücktemperatur als Istwert mit dem vorgewählten Sollwert vergleichen, läßt sich die Messertemperatur oder die Leistung der Wärmequelle im erforderlichen Sinne ansteuern, so daß der Kunststoff zum Zeitpunkt des Schneidens mit dem Ultraschallmesser die günstigste Schneidtemperatur besitzt.
Um einen Ultraschallschnitt mit der gewünschten Temperaturbeeinflussung des Werkstückes kombinieren zu können, ist erfindungsgemäß ein Ultraschall-Schneidaggregat mit einer messerbestückten Sonotrode od. dgl. vorgesehen, dem eine Heiz- oder Kühleinrichtung zugehört. Diese Heiz- oder Kühleinrichtung sorgt für die Erwärmung des Werkstückes bei Thermoplasten, um sie für das Ultraschallmesser schnittgerecht erweichen zu können, und verhindert eine unerwünschte Werkstückerwärmung beim Schneiden von Duroplasten, so daß auch Duroplaste problemlos mit dem Ultraschallmesser schneidbar werden. - Verlaufen in der Sonotrode od. dgl. Strömungskanäle, die zur Wärmeträgerbeaufschlagung an die Heiz- oder Kühleinrichtung angeschlossen sind, ergibt sich eine zweckmäßige Möglichkeit, die Messertemperatur im Sinne einer Werkstückerwärmung oder Werkstückkühlung zu beeinflussen, da über eine geeignete Wärme- oder Kältemittelbeaufschlagung der Strömungskanäle die Sonotrode und das Messer auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden können, wobei die beim Schneiden entstehende Eigenwärme zwangsweise mitberücksichtigt wird.
- Um das Werkstück unabhängig vom Messer temperieren zu können, sind der Sonotrode in Vorschubrichtung ein Wärmestrahler, beispielsweise eine Infrarotlampe, eine Heiß- und/oder Kühlluft-Gebläsevorrichtung od. dgl. vorgeordnet. Durch diesen Wärmestrahler, dessen Wärmestrahlen im Schneidbereich fokussiert werden, bzw. durch die Gebläsevorrichtung, über die sich Heiß- oder Kühlluftstrahlen auf den Schneidbereich richten lassen, kann die Werkstücktemperatur im Schneidbereich örtlich begrenzt direkt beeinflußt werden, was sowohl die erforderliche Erwärmung von Thermoplasten als auch die Kühlung von Duroplasten ohne großen Geräteaufwand zu erreichen erlaubt. Erforderlichenfalls können die Heiz- oder Kühleinrichtungen auch oberhalb und unterhalb des Werkstükkes vorgesehen sein und bei einer entsprechend synchronisierten Vorwärtsbewegung den Schneidbereich beidseitig im Maße des Messervorschubes temperieren.
- In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand rein schematisch anhand einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher veranschaulicht:
Um Werkstücke W beispielsweise aus faservertärktem Kunststoff rationell durch einen automatischen Messerschnitt schneiden zu können, ist ein Ultraschall-Schneidaggregat 1 mit einer messerbestückten Sonotrode 2 vorgesehen, das um zwei zueinander normale Drehachsen I,II drehverstellbar an einem mehrachsengesteuerten Roboterarm 3 montiert ist, wodurch sich beliebige, auch einem räumlichen Schnittverlauf folgende Vorschubbewegungen ausführen lassen. Am Roboterarm 3 ist außerdem eine Heiz- oder Kühleinrichtung 4 angeordnet, die eine örtliche Aufbereitung des Werkstückes im Schneidbereich des Messers durch eine Temperaturbeeinflussung erlaubt Diese Heiz- oder Kühleinrichtung 4 umfaßt beispielsweise eine Infrarotlampe 5 als Wärmequelle und eine in Form eines Blasrohres 6 angedeutete Lüftungsvorrichtung als Kühleinrichtung, wobei die Strahlen der Infrarotlampe 5 bzw. die Luftstrahlen aus dem Blasrohr 6 in Vorschubrichtung vor dem Messer auf das Werkstück W gerichtet sind. - Wie strichpunktiert angedeutet, könnte die Heiz- oder Kühleinrichtung 4a auch nur angedeutete Strömungskanäle 7 innerhalb der Sonotrode 2 umfassen, welche Strömungskanäle über geeignete Leitungsanschlüsse 8 und Vor- und Zualufleitungen 9 zur Wärmeträgerbeaufschlagung mit einem Heiz- oder Kühlgerät 10 in Verbindung stehen. Durch dieses Heiz- oder Kühlgerät 10 kann der Wärmeträger, vorzugsweise Luft, entsprechend vorgewärmt oder gegebenenfalls auch gekühlt werden und strömt im erforderlichen Ausmaß temperiert in die Sonotrode 2, wo er die Sonotrodentemperatur bestimmt, so daß dann über die Sonotrodentemperatur auch die Werkstücktemperatur im Schneidbereich einstellbar ist.
- Da sich mittels der Heiz- und Kühleinrichtung 4, 4a das Werkstück im Schneidbereich wunschgemäß auf eine bestimmte Temperatur einstellen läßt, ist es möglich, die Schneideigenschaften des Kunststoffes in Abhängigkeit von dessen Temperaturverhalten gezielt auf den nachfolgenden Ultraschallschnitt vorzubereiten, so daß ein optimaler Schnittvorgang gewährleistet ist, bei dem das Ultraschallmesser sowohl das schnittgerecht temperierte Material einwandfrei durchtrennt als auch exakt die Verstärkungsfasern schneidet.
Claims (6)
- Verfahren zum Schneiden von Werkstücken aus Kunststoffen, insbesondere aus Thermoplasten, faserverstärkten Kunststoffen od. dgl., bei dem ein Schneidwerkzeug einer dem Schnittverlauf folgenden Vorschubbewegung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Schneidwerkzeug ein mit Ultraschallfrequenz schwingendes Messer eingesetzt und die Temperatur des Werkstückes zumindest im Schneidbereich des Messers auf einen vom Temperaturverhalten des jeweiligen Kunststoffes abhängigen Wert gebracht wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Werkstückes im Schneidbereich über die Temperatur des Messers eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Werkstückes über eine gesonderte Wärmequelle eingestellt wird.
- Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschall-Schneidaggregat (1) mit einer messerbestückten Sonotrode (2) od. dgl. vorgesehen ist, dem eine Heiz- oder Kühleinrichtung (4, 4a) zugehört.
- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sonotrode (2) od. dgl. Strömungskanäle (7) verlaufen, die zur Wärmeträgerbeaufschlagung an die Heiz- oder Kühleinrichtung (4a) angeschlossen sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonotrode (2) in Vorschubrichtung ein Wärmestrahler, beispielsweise eine Infrarotlampe (5), eine Heiß- und/oder Kühlluft-Gebläsevorrichtung (6) od. dgl. vorgeordnet sind.
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