Bild: Weber Ultrasonics
Ultraschall-Cutting auf Holzbearbeitungsmaschinen

Im Leichtbau finden in den letzten Jahren neben klassischen Faserverbundkunststoffen (FVK) zunehmend Schaum- oder Wabenstrukturen Anwendung. Das Fraunhofer-Institut für Produktion und Automatisierung (IPA) führte zusammen mit der Weber Ultrasonics AG Forschungen zum Ultraschall-Cutting derartiger Leichtbauwerkstoffe durch. Dieser Beitrag stellt aktuelle Ergebnisse und Chancen der Technologie vor, die die Prozessautomatisierung auf Holzbearbeitungsmaschinen bietet.


Die Bearbeitung druckempfindlicher Schaum- und Wabenstrukturen stellt eine Herausforderung dar, weil ein stabiler Werkstoffaufbau erst als Sandwich erreicht wird. Schon geringe Kräfte können beim Trennen der Strukturen zu einer Schädigung führen. Eine mögliche Lösung des Problems bietet die Hybridisierung konventioneller Trennprozesse, beispielsweise durch die Überlagerung der Werkzeuge mit Ultraschallschwingungen.

 

Funktionsweise des Ultraschall-Cuttings


Vereinfacht gesprochen, wird beim ultraschallüberlagerten Schneiden (US-Cutting) eine konventionelle Messerklinge dazu gebracht, in Achsrichtung (longitudinal) zu schwingen. Dies geschieht bei sehr hohen Frequenzen, sodass die Klinge in einer Sekunde bis zu 35000-mal ausgelenkt wird. Die Schwingungsamplitude beträgt dabei nur wenige Tausendstel Millimeter. Durch diese Überlagerung im Ultraschallbereich kommt es beim Trennprozess zu einem diskontinuierlichen Kontakt zwischen Klinge und Werkstoff: Die Klinge hebt sich in der Bewegung wiederholt für Sekundenbruchteile vom Werkstoff ab und tritt sofort wieder in das Material ein.


Dadurch wird die Reibung beziehungsweise die Anhaftung zwischen Werkstoff und Klinge während des Schnitts erheblich reduziert, was die auftretenden Kräfte maßgeblich mindert. Nach diesem Prinzip können qualitativ hochwertige Schnitte auch bei sehr empfindlichen Werkstoffen erzeugt werden. Bisher wurde das Ultraschall-Cutting erfolgreich an Kunststoffschäumen, Textilien, Gummi, Waben aus Aramid und Papier, aber auch an dünnwandigen CFK-Platten erprobt.


Die technische Herausforderung bei der Auslegung und Gestaltung des Ultraschall-Cutters liegt darin, alle Komponenten so aufeinander abzustimmen, dass die Klinge in einer geeigneten Resonanzfrequenz und Eigenform betrieben wird. Dies ist entscheidend, da sonst ein Teil der Schwingungsenergie in Form von Wärme verlorengeht. Bild 2 zeigt als Thermografieaufnahme die Umsetzung des Prinzips. Bei einer Ultraschallüberlagerung der Klinge erfolgte die Energiefreisetzung lokal in den direkt kontaktierten Bereichen (rote Färbung in Bild 2: Klingenspitze und Quadrat mit IR-Klebeband). Die Spitze der Klinge tritt daher mit sehr geringen Kräften in den Werkstoff ein.

 

Verfahrensintegration auf CNC-Holzbearbeitungsmaschinen


Um eine CNC-gesteuerte Bearbeitung mit ultraschallüberlagerten Trennmessern zu ermöglichen, wurde von der Firma Weber Ultrasonics in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA ein kompaktes Schwingungssystem mit HSK-Aufnahme für den Einsatz auf Holzbearbeitungsmaschinen entwickelt. Die HSK63-F-Schnittstelle ermöglicht ein einfaches Einwechseln in übliche Maschinen. Das Ultraschallsystem benötigt für das Trennen eine Leistung von rund 2 kW bei einem Wirkungsgrad von 90 bis 95 Prozent. Dies liegt in der Regel deutlich unter dem Bedarf heutiger Bearbeitungsspindeln. Mit Schneidwerkzeugen, die speziell für die Schwingungsüberlagerung entwickelt wurden, können je nach Anwendung und Werkzeugeinsatz Schnitttiefen bis circa 100 mm realisiert werden. Die Vorschubkräfte lagen bei den Versuchen in Kunststoffschaum und Karton, je nach Porosität und Dichte des Werkstoffs, zwischen 5 und 25 N. Diese geringen Kräfte sind hauptsächlich durch die Schneidarbeit per Ultraschall möglich. Die Fixierung der Proben konnte so bei geringer Kraftbeaufschlagung erfolgen.


Das Ergebnis der kraftreduzierten Schnittführung sind qualitativ hochwertige, glatte Schnittkanten. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Fräsen ist zugleich die Spanbildung sehr gering. Bei entsprechender Kalibrierung der Prozessparameter (geringe Vorschubgeschwindigkeit bei maximaler Amplitudenleistung) kann zudem die Dauer der lokalen Energieeinbringung erhöht werden. Dies lässt sich zum Beispiel beim Schneiden von Kunststoffschäumen nutzen, um ein teilweises Aufschmelzen des Materials mit anschließender Versiegelung der Schnittkante zu erreichen. Dieser Nebeneffekt kann wünschenswert sein, wenn etwa eine Infiltration des offenporigen Füllmaterials gezielt vermieden werden soll.

 

Zusammenfassung


Schwingungsüberlagerte Trennmesser (Ultraschall-Cutter) reduzieren die Reibung während des Schnittprozesses und erlauben somit das Trennen von Werkstoffen, die nur geringe Druckbelastungen erlauben. Weil es in unterschiedlichen Branchen (Möbelindustrie, Schiffbau, Textilbranche) häufig Leichtbauanwendungen gibt, wurden handgeführte Ultraschallgeräte so weiterentwickelt, dass eine maschinelle Prozessführung wirtschaftlich möglich ist. Basis war die Entwicklung kompakter Schwingungsketten mit intelligenten Regelsystemen und HSK-Schnittstellen. Die Technologie erhöht die Präzision und Reproduzierbarkeit beim linearen Trennschnitt erheblich und erlaubt den Einsatz auf nahezu jeder CNC-Bearbeitungsmaschine.


www.ipa.fraunhofer.de  


www.weber-ultrasonics.com

 

 

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