Honeycombs mit Ultraschallklinge und Fräser präzise konturieren

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Gsänger / Peter Königsreuther

In Zeiten des Leichtbaus setzen Branchen, wie Aerospace oder der Schiffbau auf sogenannte Honeycomb-Sandwiches. Damit diese plattenartigen Materialien einsatzfähig sind, müssen sie mechanisch auf Sollkontur geschnitten werden. Die Kombination aus Fräsen und Ultraschallschneiden garantiert dabei die wirtschaftlichste und flexibelste Bearbeitungsoption.

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Honeycomb-Halbzeuge in vielerlei Ausprägung und Stärke sind im modernen Leichtbau als Kernmaterial gern genommene Komponenten. Um diese durchaus nicht leicht zu bearbeitenden Werkstoffe präzise und wirtschaftlich auf Sollkontur zu bringen, hat die Geiss AG aus Seßlach CNC-Anlagen entwickelt, die diverse Honeycombs mithilfe ultraschallangeregter Klingen und Fräswerkzeugen schneiden können – auch in 3D.
Honeycomb-Halbzeuge in vielerlei Ausprägung und Stärke sind im modernen Leichtbau als Kernmaterial gern genommene Komponenten. Um diese durchaus nicht leicht zu bearbeitenden Werkstoffe präzise und wirtschaftlich auf Sollkontur zu bringen, hat die Geiss AG aus Seßlach CNC-Anlagen entwickelt, die diverse Honeycombs mithilfe ultraschallangeregter Klingen und Fräswerkzeugen schneiden können – auch in 3D.
(Bild: Geiss ttt)

Schneiden mit Ultraschallunterstützung ist weder neu noch besonders exotisch. Das Verfahren basiert auf der Forschung des Fraunhofer-Instituts IP in Aachen, das bereits Mitte der 80er-Jahre entwickelt wurde. Die Bearbeitung von PVC-Bodenbelägen ist dafür ein altbekanntes Anwendungsbeispiel. Wichtige Vorteile sind dabei, dass kein Staub entsteht, keine Späne und dass das Verfahren relativ leise abläuft.

Einst für Kunststoffe und Textilien gedachte Bearbeitung

Das Schneiden der meist plattenartigen Werkstoffe wird dabei genauer gesagt von einer über Ultraschall angeregten, vibrierenden, messerartigen oder scheibenförmigen Klinge übernommen. Die Geiss AG bietet das Verfahren seit 1996 an. Die maschinelle Basis ist eine Anlage, die eigentlich für das Schneiden dünnwandiger, vakuumgeformter, thermoplastischer Kunststoffteile gedacht ist. Rund 50 Geiss-Anlagen dieser Art sorgen bei Anwendern bisher weltweit für die Bearbeitung von PVC-Bodenfliesen von der Rolle, das Schneiden von Textilien und Gummi, bringen aber auch unsichtbare, geschnittene Sollbruchstellen in Kfz-Instrumententafeln ein, damit die Airbagfunktion gesichert ist. Sie schneiden außerdem zuvor im Twin-Sheet-Verfahren vakuumgeformte zäh-elastische Polyurethan-Luftpolster für Premium-Sportschuhe aus den Überständen der Basisfolie aus.

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Physikalische Grundlagen des Ultraschallschneidens

Ein Generator erzeugt eine hochfrequente elektrische Spannung. Diese Spannung wird über ein Koaxialkabel auf ein Paket aus Quarzkristallscheiben übertragen (Converter oder auch Transducer genannt). Die Scheiben beginnen durch sehr wirksame Resonanzeffekte daraufhin zu schwingen, und zwar mit Amplituden zwischen 6 und 8 µm. Damit man diese minimalen Schwingungen zum Schneiden nutzen kann, muss man sie außerdem verstärken. Das übernimmt die sogenannte Sonotrode, die aus einer Titanlegierung besteht. Am unteren Ende der Sonotrode sitzt dabei die Klinge fest fixiert in einem dafür vorgesehenen Schlitz oder ist alternativ auch verschraubt. Fürs Ultraschallschneiden geeignete Klingen können aus Hartmetall oder ebenfalls aus Titan sein.

Maschinellen und werkzeugtechnische Voraussetzungen

Die Kombination aus Ultraschallschneiden und CNC-Fräsen, durch Implementierung einer zweiten Z-Achse in der Maschine, ist dabei problemlos möglich, und macht die Honeycomb-Bearbeitung noch flexibler. Als Fräswerkzeug empfiehlt Geiss einen sogenannten Hogger-Cutter oder Shredding-Cutter. Außerdem hat Geiss seit 2013 ein patentiertes oszillierendes Messer mit Linearantrieb im Programm, das Materialien über 76 mm Dicke schneiden kann. Das Messer wird dabei von einem Linearmotor bewegt. Der Messerhub kann bis maximal 10 mm programmiert werden. Das Messer kann dabei auf 120 m/s² beschleunigt werden. Es oszilliert beispielsweise bei einem eingestellten Hub von 5 mm mit einer Frequenz von 25 Hz.

Produktivitätssteigerndes Equipment

Speziell für das sichere Spannen der plattenförmigen Honeycombs setzt Geiss auf Seitenkanalverdichter, die im Vergleich zu üblichen Vakuumpumpen durch einen geringeren Druck und ein höheres Volumen überzeugt. Sensoren gehören außerdem zur Ausstattung. Diese dienen zur automatischen Messung der Schnittrichtung sowie zur Überprüfung der Werkzeugdimension. Automatische Werkzeugwechsler sowohl für die Schneid- als auch für die Fräswerkzeuge zuständig sind, gehören außerdem zur Maschinenausstattung, um die Produktivität zu steigern.

Der automatische Wechsel von Sonotroden erlaubt dabei die Bearbeitung unterschiedlichster Werkstücke. Die patentierte magnetische Klemmung und der ebenfalls patentierte getriebelose Antrieb zur Rotation scheibenförmiger Sonotroden garantieren die höchste Zuverlässigkeit im täglichen Einsatz.

Fräsen und Ultraschallschneiden der 3. Generation

Die dritte Maschinengeneration, wiederum ausgelegt für das Fräsen und Ultraschallschneiden von Honeycomb-Material, arbeitet mit Linearmotoren in X- und Y-Achse, wobei die Traverse eine Maximalgeschwindigkeit von 180 m/min erreicht. Beschleunigt wird die X-Achse mit 15 m/s² und die Y-Achse mit 7,5 m/s². Für eine sehr hohe Präzision sorgen die mit den Motoren kombinierten direkten absoluten Glasmaßstäbe. Weil es bei diesem Antriebskonzept keine mechanischen Komponenten, wie Riemen, Kupplungen, Zahnstangen oder Ritzel sowie Kugelrollspindeln gibt, profitiert der Anwender von einer vergleichsweise langen Maschinenstandzeit der dritten Generation. MM

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