-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbearbeitung von Präzisions- und Mikrowerkstücken aus Kunststoff mit einem Bearbeitungsdraht, wobei die Vorrichtung als Heißdrahtbearbeitungseinrichtung mit einem beheizten Feindraht als mechanischen Trennkörper ausgestaltet ist und mindestens eine Baugruppe zur Aufnahme eines Drahtvorrates, eine Baugruppe zur Drahterwärmung und eine Baugruppe zur temporären Aufnahme von verschmutztem und/oder verschlissenem Draht aufweist und wobei der Draht mit einer Vorschubeinrichtung über Umlenk- und Spannrollen zum Bearbeitungsabschnitt für das Werkstück gefördert wird.
-
Der Bedarf an hochwertigen Funktionskomponenten aus technischen und hochleistungsfähigen Kunststoffen steigt immer weiter an. Insbesondere für die Medizintechnik, die Sensorik und die Bereiche Life-Science und Automotive werden komplex abgeformte Spritzgussteile in unterschiedlichen Gestaltungsvarianten benötigt. Das Formteilspektrum reicht von optischen Elementen (Linsen, Display usw.) über fluidische Bauteile (Mikroventile, Düsen usw.) bis zu mechanischen und elektrischen Komponenten (Gehäuseteile, Zahnräder usw.). Die sich ständig erhöhenden Anforderungen bezüglich Genauigkeit und Teilevielfalt stellen die Kunststofffertiger vor große Herausforderungen. Konventionelle Abformtechnologien wie Spritzgießen, Spritzprägen und Heißprägen stoßen zunehmend an technologische und wirtschaftliche Einsatzgrenzen. Auch Fertigungsschritte, die der Abformung nachgelagert sind, bestimmen wesentlich die Formteilqualität. Dabei können beim Entformen Spritzlinge mit hohen Aspektverhältnissen beschädigt oder vollständig zerstört werden. Diesbezügliche Probleme können jedoch mit stabilisierenden Hilfsstrukturen zur Formteilentnahme (z.B. Stützstege, Auswerferflächen, Angussbehalt) zumindest vermindert werden. Außerdem ist es bei komplexen Formteilen wegen der vielen sensiblen Funktionsflächen und des Formverhaltens ohnehin sinnvoll, einen Anguss zunächst als Handhabungshilfe zu nutzen. Allerdings müssen auch diese Angüsse entfernt werden, um letztlich ein Endfabrikat zu schaffen. In Abhängigkeit vom jeweils konkreten Formteil- und Werkzeugkonzept sind Angusstrennen, Entgraten, Tempern, Montieren, Gravieren und Veredeln typische Nachfolgeschritte in der Prozesskette zur Herstellung von Kunststoffformteilen. Diese Endbearbeitungen ergeben jedoch oftmals Probleme, sofern sehr präzise Formteile mit zunehmender Komplexität und Variantenvielfalt herzustellen sind.
-
Aus
DE 297 22 460 U1 ist eine Vorrichtung zur automatischen Vereinzelung von Spritzlingen und von Anguss direkt an der Spritzgießmaschine bekannt. Die Separierung erfolgt in einem rotierenden Ausfallstrichter. Die Antriebsbewegung erfolgt durch Auf- und Zufahren des Spritzgießwerkzeugs, wodurch eine Synchronisierung von Abformung und Angusstrennung erzielt wird. Nachteilig ist jedoch, dass die trennende Rollbewegung Beschädigungen und Kontaminationen im Mikrobereich ergeben kann.
-
Gegenstand von
EP 0 584 670 A1 ist eine Vorrichtung mit einer Ultraschallquelle und einer Schneidklinge für das Schneiden relativ dünner polymerer Werkstücke. Das messerähnliche Werkzeug wird mit Longitudinal- bzw. Transversalschwingungen angeregt, um splitter- und rissfreie Teile mit einer glatten Schnittfläche zu erhalten.
-
Aus
DE 199 11 981 B4 ist ein laserbasiertes Verfahren bekannt, mit dem für Kunststoff-Lichtwellenleiter glatte Endflächen an den Faserenden herstellbar sind. Das thermische Trennen erfolgt durch Relativbewegungen zwischen dem Laserstrahl und der Kunstfaser.
-
DE 103 43 631 B3 beschreibt ein Werkzeug zum Entgraten von Formteilen mittels eines Kunststoff- oder Metalldrahtseiles und einem daran befindlichen Gewicht. Das Seil wird über dem zu bearbeitenden Kantenbereich positioniert. Bei Drehung des Werkzeuges bewirkt die entstehende Fliehkraft ein Aufspannen des Arbeitsdrahtes, der über die zu entgratende Kante bewegt wird. Wegen der Belastung durch die Spannkräfte ist dieses Werkzeug nicht für Formteile mit empfindlichen filigranen Strukturen geeignet.
-
Obwohl somit aus dem Stand der Technik bereits zahlreiche Varianten zur Durchführung von der Abformung nachgelagerten Fertigungsschritten bekannt sind, besteht hierzu weiterhin Entwicklungsbedarf. Dabei werden integrierbare Fertigungslösungen angestrebt, die nach der Serienformgebung von Kunststoffformteilen präzise Konturschnitte an den Formteilen zur Vereinzelung, zur Herstellung der Montagefähigkeit und zur Funktionalisierung ermöglichen, insbesondere für empfindliche Formteilgruppen mit großem Flächen-Volumen-Verhältnis und Schussgewichten im Milligramm-Bereich.
-
Eine diesbezüglich interessante Lösung ist die aus
DE 10 2010 048 915 A1 bekannte Vorrichtung zur Nachbearbeitung von Präzisions- und Mikrowerkstücken aus Kunststoff, die als Heißdrahtbearbeitungseinrichtung ausgestaltet ist und als wesentliche Komponenten jeweils Baugruppen zur Aufnahme eines Drahtvorrates, zur Drahterwärmung und zur temporären Aufnahme oder zur Zerkleinerung oder zur Reinigung von verschmutztem bzw. verschlissenem Bearbeitungsdraht aufweist. Dabei sind der Einrichtung ein Hauptvorschub mit mindestens einer Positionierachse zur Bewegung des Bearbeitungsdrahtes bzw. eines Heißdrahtbearbeitungskopfes, eine Positioniereinheit zur Lagefixierung des Drahtes vor dem Werkstück sowie eine Sensorik zur Überwachung von mindestens einem der Parameter Drahtposition, Drahtvorspannung, Drahtzustand, Bestromung und Temperatur zugeordnet. Die Druckschrift beschreibt weitere konstruktive Details wie Ausführungen des Vorschubs mit Drahtspanner, Umlenk- und Spannrollen sowie der Baugruppe zur Drahterwärmung. Aber auch diese Vorrichtung erfordert eine Weiterentwicklung, um die steigenden Anforderungen an die der Abformung nachgelagerten Fertigungsschritte zu erfüllen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung unter Verwendung eines beheizten Feindrahtes als mechanischen Trennkörper zu schaffen, die auf der Basis von thermo-mechanischen Prinzipien ausgestaltet ist und die eine materialtechnisch sensible sowie wirtschaftliche Finish-Bearbeitung von hochpräzisen Funktionskomponenten aus Kunststoff unmittelbar nach der Serienformgebung ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Draht, bezogen auf den Bearbeitungsabschnitt, auf beiden Seiten über jeweils eine Rollelektrode für eine Bestromung des Drahtes geführt ist und indem im Abschnitt zwischen den Rollektroden mindestens ein verstellbarer Magnetfelderzeuger angeordnet ist. Der Draht steht also mit beweglichen Elektroden und mit einem kontaktfreien induktiven Schwingungserreger in Wirkverbindung, der auf einer Kraftausübung von Magnetfeldern auf elektrische Ladungsträger (Lorentz-Kraft) beruht.
-
Demzufolge wird ein Schmelzschneiden mit einem beheizten Feindraht (der somit auch als Arbeits- oder Bearbeitungsdraht bezeichnet werden kann) als mechanischen Trennkörper unter Kombination von Wärme und mechanischer Schwingung durchgeführt. Dabei erfolgt die Oszillation des Drahtes in der Schnittebene, so dass ein Materialstau im Wirkbereich des Drahtes und den daraus resultierenden Materialansammlungen an den Schnitträndern vermieden wird. Der bestromte Draht befindet sich im Wechselfeld einer Magnetspule, wodurch eine stromrichtungsabhängige Wechselkraft (Lorentzkraft) erzeugt wird, aus der eine Auslenkung des bestromten Drahtbereiches resultiert. In den gleichstromdurchflossenen Arbeitsdraht wird ein Wechselstromanteil eingeprägt, so dass der Draht im Gleichfeld eines Dauermagneten durch die berührungslose Wechselkrafteinleitung oszilliert. Der in Richtung seiner Längsachse bewegbare Draht wird während des Trennvorganges kontinuierlich zugeführt, um gleichbleibende Schmelzbedingungen in der Wirkzone zu gewährleisten und um eine Absenkung der Oberflächentemperatur des Drahtes im Kontakt mit dem Kunststoffmaterial zu vermeiden.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass während des Schmelzschneidens der im Draht eingeprägte Strom über die Zeit oder den Vorschub variiert wird, so dass ein gleichmäßiges Abschmelzen von Kunststoff im Wirkspalt erfolgen kann.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mehrere Magnetfelder mit unterschiedlicher Polung um den Draht angeordnet sind, wodurch eine wandernde Welle im Draht erzeugt wird.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Draht auf seiner Oberfläche gleichmäßig verteilte Substrukturen (z.B. Mulden) aufweist, um durch den Drahttransfer die erzeugte Schmelze aus der Wirkzone abzuführen.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass im beheizten Draht zusätzliche Trennkörper, (z.B. aus Korund) inkorporiert sind, die den Vorgang des Schmelzschneidens unterstützen, ohne dass abgetrennte Kunststoffpartikel freigesetzt werden.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der endlose Draht in senkrechter Anordnung ist und der Drahttransfer in Richtung der wirkenden Gravitation erfolgt.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das zu trennende Werkstück beim Schmelzschneiden zur Vermeidung einer Gratbildung zusätzlich mit oszillierender Bewegung mit kleiner Amplitude und vertikal zu Drahtanordnung beaufschlagt wird.
-
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Wirkeinflusszone um den Draht mit einem inerten Gas (z.B. Stickstoff oder Argon) überströmt wird, um exotherme Oxydationsreaktionen von Luftsauerstoff mit der Kunststoffschmelze zu unterbinden und folglich entsprechende Materialdegradationen zu vermeiden.
-
Mit der Erfindung wird eine technische Lösung verfügbar, die primär eine geometrie- und materialflexible Endkonfektionierung von kleinvolumigen Komponenten aus Kunststoff für High-End-Anwendungen ermöglicht. Dabei können mechanische, optische, elektrische und fluidische Polymerkomponenten schnell und kostengünstig final bearbeitet werden. Hierbei können vorteilhaft ausgedehnte hochpräzise Konturschnitte mit hohen Schnitttiefen bei vernachlässigbar geringen Abschmelzungen im Mikrobereich sowie mit glatten stufenlosen Oberflächen ohne Mikrorillen oder Schmelzfäden an verschiedenartigen thermoplastischen Formteilen erzeugt werden.
-
Somit können bei den der Abformung nachgelagerten Fertigungsschritten unzulässige Maß-, Form- und Oberflächenabweichungen an Formteilen für nachgelagerte Prozesse (Montage, Beschichtung usw.) kompensiert, unzulässige Überstände abgetrennt, Kanten profiliert, raue Stellen geglättet sowie spezifische Formteilvarianten (z.B. Außenkonturen) ohne komplizierte bzw. zusätzliche Werkzeugeinsätze hergestellt werden. Weiterhin können bisher vom Werker händisch ausgeführte Arbeitsschritte zur Nachbearbeitung von Spritzlingen entfallen, so dass auch subjektive Einflüsse in der Prozesskette reduziert werden. Im Ergebnis kann somit die Fehler- und Ausschussquote insbesondere beim Mikrospritzgießen von Kunststoffformteilen deutlich reduziert werden.
-
Mit der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird eine Kombination von thermischen und mechanischen Verfahren realisiert, wobei die Vorteile beider Verfahren für thermoplastische Polymerformteile (z.B. Spritzgießkomponenten) genutzt werden. Das dosierte Abtrennen von Kunststoffmaterial an Formteilregionen wird unter synchroner Einleitung von zusätzlicher mechanischer Wirkenergie in Form kontinuierlicher bzw. periodischer Bewegungen des beheizten Trennkörpers durchgeführt, um ebene glatte Schnittflächen zu erzeugen bzw. um das geschmolzene Kunststoffmaterial aus der Wirkzone zu transportieren. Dabei können eingeleitete hochfrequente Schwingungen die rheologischen Eigenschaften (insbesondere das Strömungs- und Benetzungsverhalten) in der Wärmeeinflusszone der Schmelze derart begünstigen, dass kein Materialstau vor dem bewegten Trennkörper entsteht.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in jeweils stilisierter Darstellung:
- 1 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung
- 2 eine Modifizierung mit Magnetspule als Magnetfelderzeuger
- 3 eine Modifizierung mit einem kompakten Dauermagnet als Magnetfelderzeuger
- 4 eine Modifizierung mit einem separierten Dauermagnet als Magnetfelderzeuger
- 5 die Variante gemäß 3 in er um 90° gedrehten Arbeitsposition mit Abbildung eines zu trennenden Formteils
-
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist vorzugsweise zur Nachbearbeitung von Präzisions- und Mikrowerkstücken aus Kunststoff mit einem Bearbeitungsdraht konzipiert. Die Vorrichtung ist als Heißdrahtbearbeitungseinrichtung mit einem beheizten Feindraht als mechanischen Trennkörper ausgestaltet und umfasst mindestens eine Baugruppe zur Aufnahme eines Drahtvorrates, eine Baugruppe zur Drahterwärmung und eine Baugruppe zur temporären Aufnahme von verschmutztem und/oder verschlissenem Draht. Dabei wird der Draht mit einer Vorschubeinrichtung über Umlenk- und Spannrollen gefördert.
-
Aus 1 ist ersichtlich, dass der Draht ausgehend vom Drahtvorrat über eine erste Rollelektrode 1 und eine zweite Rollelektrode 2 zum Drahtabfall geführt wird. Dabei ist mindestens einer Rollelektrode - hier der Rollelektrode 2 - ein Dämpferelement zugeordnet Die erste 1 und die zweite Rollelektrode 2 sind bestrombar. Weiterhin ist im Abschnitt zwischen den beiden Rollelektroden 1 und 2 mindestens ein verstellbarer Magnetfelderzeuger angeordnet. Somit wird eine Drahtanordnung mit beweglichen Elektroden und einem kontaktfreien induktiven Schwingungserreger realisiert, der auf einer Kraftausübung von Magnetfeldern auf elektrische Ladungsträger (Lorentzkraft) beruht. Bei der Ansicht gemäß 1 ist noch keine derartige Lorentzkraft wirksam und der Draht verläuft deshalb zwischen den Rollelektroden 1 und 2 geradlinig.
-
2 zeigt einen Betriebszustand mit Bestromung, wobei der Magnetfelderzeuger hier als eine Magnetspule ausgeführt ist. Die Arbeitsdrahtstrecke wird mit konstantem Strom beaufschlagt. Ein Bereich des Drahtes zwischen dem durch die Rollelektroden 1 und 2 gebildeten Elektrodenpaar befindet sich im Luftspalt eines äußeren Magnetkreises. Durch das mit einem Spulensystem erzeugte magnetische Wechselfeld wird eine stromrichtungsabhängige Kraft (Lorentzkraft) erzeugt, die den Draht zum Schwingen anregt. Diese Bewegung zwischen den beiden Rollelektroden 1; 2 ist als Strichlinie stilisiert.
-
3 zeigt einen gleichartigen Betriebszustand, wobei der Magnetfelderzeuger hier als ein kompakter Dauermagnet ausgeführt ist. Die Arbeitsdrahtstrecke wird mit Wechselstrom beheizt. Ein Drahtbereich neben der Rollelektrode 1 befindet sich im Feld eines hochenergetischen Dauermagneten (z.B. NdFeB). Je nach Stromflussrichtung erfährt der Draht eine Auslenkkraft (Lorentzkraft) senkrecht zu den verlaufenden Feldlinien, die periodische Drahtschwingungen erzeugt. Um maximale Amplituden zu erreichen, erfolgt die Erregerfrequenz gleich der Resonanzfrequenz (1. Eigenfrequenz und deren Vielfache). Durch die berührungslose Anregung kurzer Drahtstrecken sind Schwingungen bis weit in den kHz-Bereich möglich. Der Einsatz eines leistungsstarken Dauermagneten wie NdFeB vermeidet ohmsche Verluste und führt zu hohen Magnetflussdichten ohne großen Bauraum. Richtungswechsel von Drahtschwingungen sind leicht möglich durch gezielte Veränderung der Lage des Dauermagneten, z. B. durch das Drehen um den Draht. Ein Stapeln mehrerer Magnetelemente führt zur Zunahme der eingeprägten Kraft und der Schwingungsamplitude
-
4 zeigt einen ebenfalls gleichartigen Betriebszustand, wobei der Magnetfelderzeuger hier jedoch als separierte Spule oder Dauermagnet mit Segmenten an mindestens zwei Stellen mit N-S- und S-N-Polung ausgeführt ist, so dass sich eine wandernde Welle ausbildet, die die erzeugte Schmelze aus der Wirkeinflusszone befördert.
-
Weitere Ausführungsformen könnten aus mehreren stellbaren Arbeitsdrähten bestehen, die abhängig von der Geometrie des Formteils bzw. Spritzbaumes konfigurierbar, elektrisch beheizbar und bewegbar sind.
-
5 zeigt nochmals den Betriebszustand der 3, hier jedoch während der Bearbeitung eines grob stilisierten Präzisions- oder Mikrowerkstückes aus Kunststoff in einer gegenüber 3 um 90° gedrehten Arbeitsposition. Der oszillierende Heißdraht ist dabei im Eingriff beim Trennen eines Kunststoffformteils.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 29722460 U1 [0003]
- EP 0584670 A1 [0004]
- DE 19911981 B4 [0005]
- DE 10343631 B3 [0006]
- DE 102010048915 A1 [0008]
