DE102017119279A1

DE102017119279A1 - Verfahren zum Schneiden einer Kautschukbahn

Info

Publication number: DE102017119279A1
Application number: DE102017119279.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Ochs
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN110869177A; JP2020531303A; US20210154875A1; EP3672769A1; WO2019038267A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden einer Kautschukbahn mittels Ultraschall, bei dem eine Sonotrode mit der Kautschukbahn in Kontakt tritt und Kautschukbahn und Sonotrode relativ zueinander bewegt werden, während die Sonotrode in eine Ultraschallschwingung versetzt wird. Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das ein zuverlässiges Schneiden einer Kautschukbahn erlaubt und zugleich sicherstellt, dass der Verschleiß von Werkzeug und Konverter deutlich verringert wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Sonotrode aus Stahl, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden einer Kautschukbahn mittels Ultraschall.
Kautschukbahnen werden beispielsweise zur Herstellung von Reifen geschnitten. Bei der Herstellung von Reifen wird zunächst eine Gummimischung hergestellt, deren Zusammensetzung von den Anforderungen des herzustellenden Reifens abhängt. In der Regel enthält die Gummimischung etwa 40 % natürlichen oder künstlichen Kautschuk. Es ist üblich, weitere Füllstoffe zu ergänzen, wie z.B. Ruß, Silikat, chemische Zusätze sowie Kreide, Öle, Harze, Beschleuniger, Verzögerer, Mischhilfen, Aktivatoren und Schwefel.
Diese Mischung wird in einen sogenannten Extruder durch formgebende Düsen gespritzt, wodurch eine Kautschukbahn im Sinne der vorliegenden Erfindung entsteht. Unter einer Kautschukbahn ist daher eine Materialbahn zu verstehen, die Kautschuk und gegebenenfalls weitere Füllstoffe enthält.
Diese Kautschukbahn muss zugeschnitten werden, um Laufstreifen, Seitenwände und andere Konstruktionselemente des Reifens zu erstellen.
Es ist bereits bekannt, für das Zuschneiden der Kautschukbahnen ein in eine Ultraschallschwingung versetztes Werkzeug mit einer Schneide zu verwenden. Die zu diesem Zweck eingesetzten Werkzeuge bestehen aus Titanlegierungen. Diese werden nicht selten derart konstruiert und betrieben, dass sie bei einer Arbeitsfrequenz von 40 kHz arbeiten.
Bei den bekannten Ultraschallschneidemaschinen zum Schneiden von Kautschukbahnen ist jedoch ein hoher Verschleiß des Werkzeuges sowie des das Werkzeug antreibenden Konverters zu beobachten. Darüber hinaus ist der mit dem Werkzeug erzielbare Schnitt eher ungleichmäßig, so dass ein lagerichtiges Überlappen der Enden der geschnittenen Kautschukbahn nur schwer möglich ist.
Zudem verbleiben auf dem Werkzeug häufig Gummirückstände, die in einem separaten Reinigungsschritt entfernt werden müssen. Auch wenn das Schneiden von Kautschukbahnen mittels Ultraschall prinzipiell gut funktioniert, erhöhen die beschriebenen Probleme die Kosten, die mit dem Schneidvorgang verbunden sind.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das ein zuverlässiges Schneiden einer Kautschukbahn erlaubt und zugleich sicherstellt, dass der Verschleiß von Werkzeug und Konverter deutlich verringert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als Werkzeug eine Sonotrode aus Stahl und zwar vorzugsweise aus gehärtetem Stahl verwendet wird.
Es hat sich gezeigt, dass die bislang für diese Anwendung verwendeten Titanlegierungen nur eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und dass sich aufgrund des schneidenden Materialkontaktes die Sonotrode stark erhitzt. Durch die hohe Arbeitstemperatur der Sonotrode bleiben Materialrückstände an dieser haften, was die Schneidqualität verringert und zudem zu einer Verschmutzung der Anlage führt.
Zudem ist die Titanlegierung trotz des relativ weichen zu bearbeitenden Materials offensichtlich zu weich, da es in der Praxis zu großem Verschleiß, insbesondere zu Ausbrechungen an der Sonotrodenschneide, kommt.
Durch die Verwendung von Stahl, vorzugsweise von CPM, d.h. einem pulvermetallurgischen Stahl, kann der Verschleiß der Ultraschallschneidanlage deutlich reduziert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Sonotrode verwendet, die eine keilförmige Spitze aufweist. Die keilförmige Spitze wird während des Schneidvorgangs mit der zu schneidenden Kautschukbahn in Eingriff gebracht und Kautschukbahn und Sonotrode werden relativ zueinander bewegt, so dass die keilförmige Spitze die Kautschukbahn durchtrennt.
Die keilförmige Spitze hat vorzugsweise eine rechteckige Trennfläche mit einer Breite und einer Länge. Die Trennfläche ist diejenige Fläche, die der Kautschukbahn entgegengerichtet ist. Die Breite der rechteckigen Trennfläche ist in einer bevorzugten Ausführungsform <0,2 mm und am besten zwischen 0,02 mm und 0,1 mm.
Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit von dem verwendeten Stahl deutlich größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der bekannten Titanlegierungen, kommt es zu einer geringeren Temperaturerhöhung der Sonotrode während des Schneidvorgangs mit der Folge, dass weniger Material an der Sonotrode haften bleibt.
Die Verwendung von Stahl hat dann zudem den Vorteil, dass die Länge der Trennfläche reduziert werden kann, so dass sie in einer bevorzugten Ausführungsform <60 mm, vorzugsweise <50 mm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 35 mm beträgt.
Da die Wärmeentwicklung an der Schneide bzw. der Trennfläche im Wesentlichen von der Schnittgeschwindigkeit abhängt, wird durch die Verringerung der Länge der Trennfläche der für die Wärmeleitfähigkeit wirksame Materialquerschnitt reduziert, so dass wenigerWärme von der Sonotrode von der Materialbahn abgeführt werden kann, was zur Folge hat, dass die Sonotrode sich stärker erwärmt. Daher sollte die Länge der Trennfläche auch nicht zu klein gewählt werden. In jedem Fall muss die Länge der Trennfläche größer oder gleich der Dicke der zu schneidenden Kautschukbahn sein.
Die Gefahr von Materialanhaftungen an der Sonotrode kann dadurch weiter verringert werden, dass eine Sonotrode verwendet wird, die zumindest an Abschnitten, die dafür vorgesehen sind, mit der Kautschukbahn in Kontakt zu treten, beschichtet ist, wobei vorzugsweise als Beschichtung eine Antihaftbeschichtung, wie z. B. eine Teflonbeschichtung verwendet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sonotrode während des Schneidvorgangs gekühlt wird. Beispielsweise kann die Kühlung der Sonotrode mithilfe eines auf die Sonotrode gerichteten Kühlluftstroms erfolgen. Entsprechende Kühlluftdüsen können beispielsweise am Konverter befestigt werden.
Der Verfahrensschritt der Kühlung der Sonotrode verringert die Gefahr, dass Kautschukmaterial verbrannt wird und entsprechende Kautschukreste an der Sonotrode anhaften.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Sonotrode mit einer Ultraschallfrequenz <38 kHz angeregt, wobei vorzugsweise die Anregungsfrequenz zwischen 32 und 37 kHz und besonders bevorzugt zwischen 34 und 36 kHz beträgt.
Grundsätzlich gilt, dass je höher die Anregungsfrequenz der Ultraschallsonotrode bei konstanter Schwingungsamplitude ist, umso größer ist der Beitrag der Ultraschallbearbeitung am Schneidvorgang.
Wie bereits eingangs erwähnt, sind daher Anregungsfrequenzen im Bereich von 40 kHz üblich. Bei Kautschukbahnen scheint jedoch eine solche Anregungsfrequenz von Nachteil zu sein. Auch wenn dies bislang nicht vollständig untersucht worden ist, führt die Verwendung einer Ultraschallfrequenz von 40 kHz offensichtlich zu einer starken Beanspruchung der Sonotrode und des gesamten Ultraschallschwingsystems. Das Ultraschallschwingsystem besteht aus der bereits erwähnten Sonotrode und einem Konverter sowie gegebenenfalls einem zwischen Sonotrode und Konverter angeordneten Amplitudentransformator. Das Ultraschallschwingsystem wird insgesamt in eine akustische Ultraschallschwingung versetzt. Die Piezomodule, die im Konverter angeordnet sind, um eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung umzusetzen, werden bei einer Schwingungsfrequenz von 40 kHz und dem Schneiden von Kautschukbahnen extrem belastet, was zu einem vorzeitigen Ausfall führt. Durch Reduzierung der Anregungsfrequenz auf die genannten Bereiche wird hier eine deutliche Verbesserung beobachtet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Klemmvorrichtung vorgesehen, die verwendet wird, um ein Halteelement an den Konverter oder den Amplitudentransformator zu klemmen. Das Halteelement ist somit nicht mit der Ultraschallschwingeinheit verschraubt, sondern lediglich verklemmt. Das Halteelement kann dann am Maschinenständer oder an einer Zustelleinheit befestigt werden, so dass durch Bewegen des Halteelementes die Ultraschallschwingeinheit relativ zur Kautschukbahn zugestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Sonotrode und Konverter auf einer Werkzeugachse angeordnet, wobei die Werkzeugachse mit einer Normalen auf der Kautschukbahn einen Winkel zwischen 30 und 70°, vorzugsweise zwischen 40 und 60° und besonders bevorzugt von etwa 50° einschließt. Dadurch wird eine schräge Schnittkante erzeugt, die sich als vorteilhaft für die weitere Bearbeitung der geschnittenen Kautschukbahn erwiesen hat.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließt die Längsrichtung der Trennfläche mit der Kautschukbahn einen Winkel zwischen 10 und 20°, vorzugsweise zwischen 12 und 16° und besonders bevorzugt zwischen 14 und 15° ein. Wird nun die Sonotrode seitlich, d.h. in der von der Werkzeugachse und der Längsrichtung der Trennfläche Ebene senkrecht zur Werkzeugachse bewegt, so ergibt sich ein Schnittwinkel, der mit den genannten Winkelbereichen übereinstimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren mit einer Schnittgeschwindigkeit zwischen 1,5 und 4 mm/s, besonders bevorzugt zwischen 2 und 3 mm/s und am besten von etwa 2,5 mm/s durchgeführt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Sonotrode, wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird,
2 eine Seitenansicht auf die Sonotrode von 1,
3 eine Explosionsansicht einer Ultraschallschneidanlage,
4 und 5 zwei perspektivische Ansichten auf die Ultraschallbearbeitungsanlage von 3.

In 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Sonotrode 1 dargestellt, die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Diese ist aus Stahl, nämlich CPM 420 V, hergestellt. Die Sonotrode 1 weist eine Gewindebohrung 12 auf, an der ein sich an die Sonotrode 1 anschließender Amplitudentransformator oder ein Konverter befestigt werden kann. Auf der der Gewindebohrung 12 gegenüberliegenden Seite der Sonotrode 1 befindet sich die Trennfläche, die eine Länge I hat.
In 2 ist eine Seitenansicht auf die Sonotrode 1 von 1 gezeigt. Die Sonotrode 1 weist einen Hauptkörper 2 sowie einen sich daran anschließenden keilförmigen Abschnitt 3 auf, an dessen Spitze die Trennfläche angeordnet ist, die eine Breite b hat. Der keilförmige Abschnitt 3 weist einen Keilwinkel α auf, der am besten zwischen 8 und 15° beträgt.
In 3 ist eine Explosionsansicht einer Ultraschallbearbeitungsanlage für das Schneiden von Kautschukbahnen 8 gezeigt. Zu erkennen ist die in den 1 und 2 im Detail dargestellte Sonotrode 1, die über einen Amplitudentransformator 4 mit einem Konverter 5 verbunden ist. Der Konverter 5 wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. In der Regel werden hierfür Piezoelemente verwendet.
Die vom Konverter erzeugte mechanische Schwingung wird im Amplitudentransformator in eine Schwingung mit gleicher Frequenz, jedoch unter Umständen unterschiedlicher Amplitude umgewandelt. Diese wird dann auf die Sonotrode 1 übertragen, so dass sich eine akustische Ultraschallwelle von dem Konverter 5 über den Amplitudentransformator 4 in die Sonotrode 1 ausbreitet. Die Trennfläche, d.h. die Spitze des keilförmigen Elementes 3, zeigt somit eine Vibration, was das Schneiden der Kautschukbahn 8 unterstützt. Um die Ultraschallschwingeinheit bestehend aus dem Konverter 5, dem Amplitudentransformator 4 und der Sonotrode 1 zu halten, ist ein Halteelement 6 vorgesehen, welches jedoch nicht mit dieser verschraubt ist. Stattdessen ist das Halteelement 6 mit einem Hohlzylinder 7 verbunden, der einen nach außen vorstehenden Flansch aufweist. In dem Flansch sind eine Reihe von Schrauben angeordnet, die einerseits das Klemmelement 13 und andererseits das Halteelement 6 halten.
Dabei erfolgt die Klemmung in einem Bereich des Amplitudentransformators, in dem sich ein Schwingungsknoten der Ultraschallschwingung ausbildet, um das Ultraschallschwingsystem möglichst wenig in seinem Schwingungsverhalten durch die Klemmung zu beeinflussen. Daher weist der Amplitudentransformator in diesem Bereich einen Halteflansch 9 auf. Das Klemmelement 13 weist eine Stufenbohrung (nicht gezeigt) auf, deren Bohrungsabschnitt mit kleinerem Durchmesser einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des Halteflansch 9 des Amplitudentransformator 4, so dass im montierten Zustand der Amplitudentransformator 4 an seinem Halteflansch 9 zwischen Klemmelement 13 und dem Befestigungsflansch des Hohlzylinder 7 eingeklemmt ist.
In den 4 und 5 sind zwei perspektivische Ansichten gezeigt. In 4 ist zu erkennen, dass die Trennfläche mit der Ebene der Kautschukbahn 8 einen Schnittwinkel γ einschließt, der vorzugsweise zwischen 4 und 5° betragen sollte.
In 5 ist dargestellt, dass die Längsachse des Ultraschallschwingsystems um einen Winkel β gegenüber der Normalen auf der Ebene der Kautschukbahn 8 verkippt ist.
Bezugszeichenliste

1: Sonotrode
2: Hauptkörper
3: keilförmiger Abschnitt
4: Amplitudentransformator
5: Konverter
6: Halteelement
7: Hohlzylinder
8: Kautschukbahn
9: Halteflansch
11: Befestigungsflansch
12: Gewindebohrung
13: Klemmelement

Claims

Verfahren zum Schneiden einer Kautschukbahn mittels Ultraschall, bei dem eine Sonotrode mit der Kautschukbahn in Kontakt tritt und Kautschukbahn und Sonotrode relativ zueinander bewegt werden, während die Sonotrode in eine Ultraschallschwingung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode aus Stahl, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode verwendet wird, die eine keilförmige Spitze aufweist, wobei die keilförmige Spitze vorzugsweise eine rechteckige Trennfläche mit einer Breite und einer Länge besitzt, wobei besonders bevorzugt die Breite der rechteckigen Trennfläche <1 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Trennfläche <60 mm, vorzugsweise <50 mm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 35 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode zumindest an Abschnitten, die dafür vorgesehen sind, mit der Kautschukbahn in Kontakt zu treten, beschichtet ist, wobei vorzugsweise die Beschichtung eine Teflonbeschichtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode während des Schneidvorgangs gekühlt wird, wobei vorzugsweise die Kühlung der Sonotrode mithilfe eines auf die Sonotrode gerichteten Kühlluftstroms erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode mit einer Ultraschallfrequenz kleiner als 38 kHz angeregt wird, wobei vorzugsweise die Anregungsfrequenz zwischen 32 und 37 kHz und besonders bevorzugt zwischen 34 und 36 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode gegebenenfalls über einen Amplitudentransformator mit einem Konverter verbunden ist, wobei eine Klemmvorrichtung verwendet wird, mit welcher ein Halteelement an den Konverter oder den Amplitudentransformator geklemmt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Sonotrode und Konverter auf einer Werkzeugachse angeordnet sind, wobei die Werkzeugachse mit einer Normalen auf der Kautschukbahn einen Winkel zwischen 30° und 70°, vorzugsweise zwischen 40° und 60° und besonders bevorzugt von etwa 50° einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung der Trennfläche mit der Kautschukbahn einen Winkel zwischen 10 und 20°, vorzugsweise zwischen 12 und 16° und besonders bevorzugt zwischen 14 und 15° einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Schnittgeschwindigkeit zwischen 1,5 und 4 mm/s, besonders bevorzugt zwischen 2 und 3 mm/s und am besten von etwa 2,5 mm/s durchgeführt wird.