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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Sägen, Trennen oder für andere spanende Fertigungsverfahren, das zum Zwecke der Reduktion von Schallabstrahlung und Vibrationen mit Metamaterialien versehen ist.
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Spanende Fertigungsverfahren gehen in der Regel mit hoher Schallemission (Luft- und Körperschall) einher. Diese entsteht unter anderem durch die Ausbildung von stehenden Wellen in den rotierenden, oszillierenden oder andere periodische Bewegungen ausführenden Werkzeugen, wenn diese bei gewissen Frequenzen betrieben werden. In einem Kreissägeblatt bilden sich zum Beispiel bei einer kritischen Drehzahl stehende Wellen aus. Diese führen zu einer hohen Schallemission und zu Instabilitäten des Sägeblatts, die das Schnittbild verschlechtern. Sägeblätter werden daher üblicherweise nur bei einem Anteil der kritischen Drehzahl betrieben, was wiederum die Schnittleistung verringert. Es ist daher von Interesse, ein Sägeblatt so zu gestalten, dass es eine möglichst hohe kritische Drehzahl aufweist. Dieses Konzept lässt sich auch auf andere rotierende oder oszillierende Werkzeuge, wie zum Beispiel Trennscheiben, Bohrer, Kettensägen, Häckselmesser, Schleiftöpfe oder Topfbürsten übertragen. Im Allgemeinen ist es erwünscht, Lärm, Schwingungen und Vibrationen, auch unterhalb solcher kritischen Frequenzen, aus Arbeitsschutzgründen zu vermeiden.
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Bei Sägeblättern werden zur Lärmreduktion zum Beispiel spezielle Sägezahngeometrien, Lagerungen oder Sägeblätter in Sandwichbauweise verwendet. Gängig sind auch Einschnitte im Sägeblatt, die oftmals als Dehnungsschlitze bezeichnet werden. Diese Schlitze können verschiedenen Formen annehmen und auch mit dämpfenden Materialien gefüllt sein. Durch diese Einschnitte sollen, je nach spezifischer Anordnung, die Eigenfrequenz des Sägeblatts verändert werden, Eigenspannung im Sägeblatt reduziert werden, die Entstehung stehender Wellen vermieden und die Schwingungsenergie über ein größeres Spektrum verteilt werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Erhöhung der kritischen Frequenz der Sägeblätter durch ein Vorspannen der Sägeblätter mit Walzringen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion von Schallemission, Schwingungen und Vibrationen ist die Verwendung von sogenannten vibroakustischen Metamaterialien. Bei Metamaterialien handelt es sich um künstliche, meist periodische, Strukturen, die dazu ausgelegt sind, besondere leitende, isolierende, dämpfende oder verstärkende Eigenschaften zu erzielen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Strukturen gestalten, die Stoppbänder ausbilden. Stoppbänder sind Frequenzbereiche in denen die Wellenausbreitung nur stark abgeschwächt stattfindet. Bei vibroakustischen Metamaterialien werden diese Konzepte angewendet, um die Ausbreitung von elastischen und akustischen Wellen zu kontrollieren und zu manipulieren. In diesem Rahmen sind dabei die Eigenschaften von Festkörpern, wie Dichte, Kompressions- und Elastizitätsmodul relevant. Ein einfaches Beispiel für ein solches Metamaterial ist eine Struktur aus Materialien mit periodisch wechselnden Brechungsindizes, im akustischen Bereich beispielsweise realisiert durch Sprünge oder Inhomogenität in den elastischen Parametern einer Struktur. In einer solchen Struktur tritt Bragg-Streuung auf: An den Übergängen der Brechungsindizes werden die Schallwellen frequenzabhängig reflektiert. In gewissen, von der Gitterstruktur der Inhomogenitäten abhängigen Frequenzbereichen kommt es zu destruktiver Interferenz, sodass ein Stoppband entsteht. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Stoppbändern durch vibroakustische Metamaterialien sind periodische Anordnungen von resonanten Strukturen, sogenannte lokale Resonatoren. Durch die Interaktionen der lokalen Resonatoren mit ihrer Umgebung verhält sich die resultierende Struktur in einem bestimmten Frequenzbereich, als hätte sie eine negative effektive Masse, sodass die Wellenausbreitung für diesen Bereich stark behindert wird. Um ein stark ausgeprägtes Stoppband zu erzeugen, müssen die einzelnen Resonatoren alle auf dieselbe Frequenz abgestimmt sein. Bei Abweichungen in der Periodizität und Frequenzabstimmung der Resonatoren ergibt sich ein breiteres, aber weniger stark ausgeprägtes Stoppband. Durch geschicktes Design von vibroakustischen Metamaterialien lassen sich diese Effekte auch zur Reduktion von Lärm, Schwingungen und Vibrationen ausnutzen.
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Aufgabe der vorliegenden Schutzanmeldung ist es daher, ein Werkzeug vorzuschlagen, das durch die Verwendung solcher Metamaterialien reduzierte Schwingungen, Vibrationen und Schallemissionen aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
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Ein solches Werkzeug umfasst
ein erstes Werkzeugteil, das dazu ausgelegt ist zu rotieren, zu oszillieren oder eine andere periodische Bewegung auszuführen,
ein zweites Werkzeugteil, das zur Befestigung oder Führung des ersten Werkzeugteils ausgelegt ist und sich nicht mit dem ersten Werkzeugteil bewegt,
wobei das Werkzeug mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen ist, die jeweils mindestens eine schwingende Masse und ein Federelement, das die schwingfähige Masse mit dem Werk-zeug verbindet, umfassen und darauf abgestimmt sind, mindestens eine Resonanzfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich um eine erste relevante Frequenz aufzuweisen,
wobei die Anordnung der lokalen Resonatoren mindestens ein Stoppband für elastische Wellenausbreitung in dem Werkzeug um mindestens die erste relevante Frequenz erzeugt.
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Als Werkzeug soll hier jedes Objekt definiert werden, dass dazu benutzt werden kann, einen anderen Gegenstand zu bearbeiten oder herzustellen. Der Begriff erstreckt sich somit von Handwerkzeugen bis zu den Bearbeitungswerkzeugen von industriellen Werkzeugmaschinen. Das Werkzeug kann durch einen Motor, eine Hydraulik, eine Pneumatik oder durch Muskelkraft direkt oder indirekt angetrieben werden. Es kann zum Trennen, insbesondere für spanende Fertigungsverfahren wie Sägen, Bohren, Drehen oder Schleifen, oder für andere Fertigungsverfahren oder Bearbeitung ausgelegt sein.
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Ein solches Werkzeug umfasst mindestens zwei Bauteile. Ein erstes Werkzeugteil, das zum Ausführen eines Fertigungsverfahrens gestaltet ist, beispielsweise für den Materialabtrag. Daher ist das erste Werkzeugteil dazu ausgelegt, zu rotieren, zu oszillieren oder eine andere periodische Bewegung auszuführen. Dabei unterliegt das erste Werkzeugteil sowohl den Kräften, die durch das Werkzeug auf das Werkzeugteil wirken, als auch den Kräften, die durch das zu bearbeitenden Material oder Werkstück wirken. Das erste Werkzeugteil kann einteilig ausgebildet sein. Es kann aber auch aus weiteren Bauteilen, wie Schneiden, Scheiben, Achsen, Lagern, Flanschen, Schrauben oder Nieten zusammengesetzt sein, die zusammen die gleiche Bewegung ausführen.
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Ein zweites Werkzeugteil dient zur Befestigung oder Führung des ersten Werkzeugteils und führt die Bewegung des ersten Werkzeugteils nicht mit aus. Das zweite Werkzeugteil bleibt so gegenüber dem ersten Werkzeugteil unbeweglich. Bei dem zweiten Werkzeugteil kann es sich zum Beispiel um den Griff eines Handwerkszeugs, eine Halterung, ein Gehäuse oder um die Tragstruktur einer Werkzeugmaschine handeln.
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Zur Reduktion der Schallemission und von Schwingungen und Vibrationen ist das Werkzeug mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen. Diese Anordnung von lokalen Resonatoren bildet ein vibroakustisches Metamaterial aus. Die einzelnen Resonatoren bestehen jeweils mindestens aus einer schwingenden Masse und einem Federelement. Die schwingende Masse kann eine beliebige Form und Abmessung haben. Die Masse der schwingenden Masse ist ein wichtiger Faktor bei der Frequenzabstimmung des Resonators.
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Die schwingende Masse kann aus demselben Material bestehen wie das umgebende Bauteil. Sie kann aber auch aus einem anderen Material bestehen. Das Federelement hat elastische Eigenschaften. Es verbindet die schwingende Masse mit dem Werkzeug. Es kann sich um eine direkte Verbindung oder um eine indirekte Verbindung über weitere Bauteile handeln. Das Federelement kann einteilig mit der schwingenden Masse, einteilig mit dem Werkzeug oder einteilig sowohl mit dem Werkzeug und der schwingenden Masse ausgebildet sein. Es kann sich ebenso um ein einzelnes elastisches Element, wie zum Beispiel um eine Blattfeder, handeln. Das Federelement kann eine beliebige Form und Abmessung haben. Insbesondere sind Form und Abmessung des Federelements wichtige Faktoren bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement kann aus demselben Material bestehen wie das umgebende Bauteil. Es kann aber auch aus einem anderen Material, insbesondere aus einem Elastomer bestehen. Die schwingende Masse, das Federelement und ein gewisser Bereich des umgebenden Materials des Werkzeugs bilden eine Einheitszelle des Resonators. Die Anordnung von lokalen Resonatoren besteht aus einer räumlichen Wiederholung dieser Einheitszellen.
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Jeder einzelne Resonator besitzt mindestens eine erste relevante Resonanzfrequenz. Bei einer Anregung mit einer Resonanzfrequenz wird die Amplitude der Schwingung des Resonators maximal. Die Resonanzfrequenz eines Resonators wird dabei durch die Eigenschaften der gesamten Einheitszelle bestimmt. Es spielt also neben der Masse der schwingenden Masse und des Federelements und den elastischen Eigenschaften des Federelements auch die Geometrie, Masse und Elastizität der umgebenden Strukturen eine Rolle. Eine Frequenzabstimmung der Resonatoren kann also durch Variation dieser Eigenschaften erfolgen. Die Einheitszellen sollten in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, oder kleiner, dimensioniert sein.
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Alle lokalen Resonatoren des Metamaterials sind auf die gleiche, oder zumindest annähernd gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt. So entsteht ein Stoppband um diese Frequenz, das eine Wellenausbreitung im Metamaterial und im damit versehenen Werkzeug stark abschwächt. Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz der lokalen Resonatoren lässt sich so ein Stoppband gestalten, das vorteilhafte Eigenschaften bei der Schallemission eines Werkzeugs und dessen vibroakustischen Verhaltens aufweist. Weisen die Resonatoren mehrere Resonanzfrequenzen in dem relevanten Frequenzbereich auf, so können mehrere Stoppbänder um diese entstehen. Diese mehreren Stoppbänder können getrennt Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen reduzieren oder sich überlappen und so ein großes Stoppband bilden.
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Das erste Werkzeugteil kann ein Sägeblatt, eine Trennscheibe, einen Schleiftopf, eine Trommel, eine Klinge, Borsten oder andere Arten von Schneiden für einen spanenden Materialabtrag umfassen. Weiterhin kann das Werkzeugteil Schrauben, Nieten, Muttern, Flansche, Lager und andere Haltestrukturen umfassen, die dazu dienen, das erste Werkzeugteil beweglich in dem gesamten Werkzeug zu lagern, sodass das erste Werkzeugteil rotieren, oszillieren oder andere periodische Bewegungen ausführen kann.
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Die Anordnung von lokalen Resonatoren kann periodisch sein. Eine periodische Struktur ergibt sich aus der räumlichen Wiederholung der Einheitszellen der lokalen Resonatoren.
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Der Abstand der lokalen Resonatoren zueinander in der Anordnung von lokalen Resonatoren kann kleiner sein als eine halbe Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, um ein vorteilhaftes Verhalten der Anordnung zu gewährleisten. Zusammen mit Einheitszellen der lokalen Resonatoren in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten Frequenz kann so auch das Dispersionsverhalten der Anordnung richtungsunabhängig sein.
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Durch die periodische Anordnung der lokalen Resonatoren mit Abständen kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge kann außerdem erreicht werden, dass sich mindestens ein weiteres Stoppband in dem Werkzeug ausbildet, das durch Bragg-Streuung an der Anordnung entsteht. Auf diese Weise lässt sich ein zusätzliches Stoppband um eine weitere Frequenz ausnutzen.
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Weitere Stoppbänder lassen sich auch erzeugen, in dem die lokalen Resonatoren so ausgebildet sind, dass sie mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen. Des Weiteren kann die Anordnung der lokalen Resonatoren so gewählt werden, dass sich zusätzliche Resonanzfrequenzen für die Anordnung ergeben, indem entweder Resonatoren mit verschiedenen relevanten Frequenzen in der Anordnung verwendet werden oder sich weitere Stoppbänder durch die Form der Anordnung ergeben.
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Sind die einzelnen lokalen Resonatoren leicht unterschiedlich abgestimmt, lässt sich das Stoppband um die erste Resonanzfrequenz verbreitern. Es verliert dabei jedoch auch an Schärfe, die Reduktion von Schwingungen in diesem Frequenzbereich fällt weniger stark aus. Diese Effekte können jedoch erwünscht sein.
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Je nachdem wo die lokalen Resonatoren an dem Werkzeug angebracht sind, können unterschiedliche Kräfte auf sie wirken. Dadurch kann sich die Frequenzabstimmung der einzelnen Resonatoren während der Nutzung des Werkzeugs ändern. Um dies zu verhindern, können die Resonatoren jeweils so beschaffen sein, dass ihre Frequenzabstimmung auf ihre Position an dem Werkzeug abgestimmt ist. Insbesondere können die schwingende Masse und das Federelement der einzelnen Resonatoren so beschaffen sein, dass alle Resonatoren während der Nutzung des Werkzeugs unter Einfluss der wirkenden Kräfte eine annähernd gleiche Frequenzabstimmung aufweisen. Dabei können die einzelnen Resonatoren zum Beispiel bei einem Sägeblatt abhängig von dem Radius, unter dem sie angebracht sind, leicht unterschiedliche Massen oder Federelemente mit unterschiedlicher Steifigkeit aufweisen, so dass die Resonatoren beim Erreichen einer relevanten Drehfrequenz unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft die gleichen Resonanzfrequenzen aufweisen.
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Zusätzlich zu schwingender Masse und Federelement können die Resonatoren auch ein dämpfendes Element umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein viskoelastisches Material handeln, das in die Einheitszelle eingebracht ist. Durch eine Dämpfung kann die Form des Stoppbandes beeinflusst werden. Durch zusätzliche Dämpfung des Resonators verbreitert sich das Stoppband, was ein erwünschter Effekt sein kann.
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Die Anordnung lokaler Resonatoren kann an dem ersten Werkzeugteil angebracht sein. In diesem Fall ist also beispielsweise ein Sägeblatt, eine Trennscheibe, eine Klinge oder eine Trommel mit den lokalen Resonatoren versehen. Dieser Aufbau kann sinnvoll sein, da die Reduktion der Schallemission, der Schwingungen und Vibrationen so direkt an dem rotierenden oder oszillierenden Bauteil stattfindet, das die zu reduzierenden Schwingungen und Vibrationen erzeugt. Dies ermöglicht unter Umständen neben einer reduzierten Schallemission weitere verbesserte Betriebseigenschaften, wie ein verbessertes Schnittbild oder eine höhere Drehfrequenz eines Sägeblattes. Dabei kann es sinnvoll sein, wenn die Anordnung der lokalen Resonatoren nicht über die gesamte Oberfläche des Werkzeugteils erfolgt, sondern stattdessen beispielsweise nur in Randbereichen oder in der Umgebung einer Mittelbohrung eines Sägeblattes. Dies hat den Vorteil, dass das Werkzeugteil nur insoweit verändert wird, wie es für eine gewünschte Schwingungsreduktion notwendig ist und sich so die Topologie des Werkzeugteils optimieren lässt.
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Die Anordnung lokaler Resonatoren kann einteilig mit dem ersten Werkzeugteil ausgebildet sein. Die lokalen Resonatoren können aus demselben Material wie das erste Werkzeugteil bestehen. Schwingende Masse und Federelement der Resonatoren sind dann ebenfalls einteilig ausgebildet und durch ihre Form definiert. Die lokalen Resonatoren sind somit fester Teil des ersten Werkzeugteils.
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Die lokalen Resonatoren können beispielsweise durch Aussparungen in dem Werkzeugteil definiert sein. Diese Aussparungen können durch geeignete Verfahren, wie zum Beispiel Wasserstrahl-, Laserstrahl- oder Brennschneiden, Drahterodieren oder Stanzen, erzeugt werden. Die schwingenden Massen sind dann durch Bereiche des ersten Werkzeugteils gegeben, die durch die Aussparungen definiert und über die Federelemente, die als Stege ausgebildet sind, mit dem restlichen ersten Werkzeugteil verbunden sind. Die Einheitszelle der lokalen Resonatoren besteht dann aus der schwingenden Masse, dem Federelement, den diese umgebenden Aussparungen und dem angrenzenden Bereich des ersten Werkzeugteils, wobei schwingende Masse, Federelement und angrenzender Bereich einteilig ausgebildet sind.
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Die Aussparungen können ein viskoelastisches Material aufnehmen, die als dämpfendes Element in dem lokalen Resonator wirkt.
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Die lokalen Resonatoren können auch einteilig mit dem ersten Werkzeugteil ausgebildet sein, indem ein als schwingende Masse ausgelegter Bereich des ersten Werkzeugteils mit dem restlichen ersten Werkzeugteil über Bereiche verminderter Steifigkeit verbunden ist, die das Federelement darstellen. Diese Ausführung mit Bereichen verminderter Steifigkeit als Federelementen kann auch mit der Ausführung mit Aussparungen in dem ersten Werkzeugteil kombiniert werden.
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Bei den Bereichen verminderter Steifigkeit kann es sich beispielsweis um Sicken oder Prägungen in der Oberfläche des ersten Werkzeugteils handeln. Sicken oder Prägungen lassen sich technisch unkompliziert einbringen und schwächen im Gegensatz zu Aussparungen das Werkzeugteil nicht zusätzlich.
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Insbesondere auf rotierenden, scheibenförmigen ersten Werkzeugteilen wie Sägeblättern können die Resonatoren in Form von Teilkreissegmenten ausgeführt sein. In dieser Form könne die lokalen Resonatoren besonders dicht angeordnet werden. Dadurch, dass die Teilkreissegmente entgegen der Drehrichtung eines rotierenden Werkzeugteils angeordnet werden, kann außerdem verhindert werden, dass sich die Resonatoren durch die Rotation senkrecht zur Oberfläche des Werkzeugteils aufstellen.
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Auch wenn die lokalen Resonatoren nicht einteilig mit dem ersten Werkzeugteil ausgebildet sind, können sie in Aussparungen im ersten Werkzeugteil angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich eine platzsparende Bauform des Werkzeugteils gewährleisten.
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Weist das erste Werkzeugteil eine Sandwichstruktur aus mindestens drei Schichten auf, so können die lokalen Resonatoren in einer der inneren Schichten der Sandwichstruktur angeordnet sein. Dazu kann die innere Schicht mit Aussparungen versehen sein, die in der Schichtung der Sandwichstruktur Hohlräume ausbildet. Die lokalen Resonatoren können in diesen Hohlräumen angeordnet sein. Die Hohlräume können mit elastomerischen Materialien gefüllt sein, die die schwingenden Massen umgeben und so die Federelemente der lokalen Resonatoren darstellen. Durch einen Aufbau des ersten Werkzeugteils in Sandwichbauweise lässt sich die Anordnung der lokalen Resonatoren platzsparend und geschützt ausführen, während gleichzeitig die Oberfläche des Werkzeugteils unbeeinflusst bleibt, was bei gewissen Anwendungen für trennende Verfahren sinnvoll sein kann.
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Alternativ lassen sich die lokalen Resonatoren auch auf die Oberfläche des Werkzeugteils aufsetzen, wobei das Federelement die schwingende Masse mit der Oberfläche des Werkzeugteils senkrecht zu dieser verbindet. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die statische Steifigkeit des Werkzeugteils an sich nicht beeinflusst werden soll. Dabei ist es wiederum wichtig, dass die Anordnung lokaler Resonatoren in Bereichen des Werkzeugteils positioniert ist, in denen das Werkzeugteil ins seinem Betrieb den notwendigen Freiraum hat.
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Zusätzlich zu der Anordnung lokaler Resonatoren kann das Werkzeugteil Bereiche erhöhter oder verringerter Steifigkeit aufweisen. Durch diese können die Eigenfrequenzen des Werkezugteils und der Resonatoren zusätzlich abgestimmt werden.
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Zusätzlich zu oder anstelle von dem ersten Werkzeugteil kann auch das zweite Werkzeugteil, also ein Griff oder eine Halterung, mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen sein. Somit können auch in diesen Bauteilen Schwingungen, die zu Schallemissionen oder zu unangenehmen oder gefährlichen Vibrationen des Werkzeugs führen, reduziert werden. Das zweite Werkzeugteil kann dabei im Grunde dieselben Merkmale aufweisen, die für das erste Werkzeugteil beschrieben wurden, es ist jedoch anzumerken, dass das zweite Werkzeugteil nicht selbst rotiert oder oszilliert und entsprechend durch die Schwingungen des ersten Werkzeugteils oder durch einen Antrieb angeregt wird.
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Die beschriebenen Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und ein Werkzeug zu bieten, das zur Reduktion von Schwingungen mit Metamaterialien in Form von lokalen Resonatoren versehen ist.
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Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
- 1 ein Sägeblatt darstellt, das mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist,
- 2 ein Sägeblatt wie in 1 darstellt, bei dem die lokalen Resonatoren zusätzlich mit einem Dämpfungsmaterial versehen sind,
- 3a eine alternative Ausführungsform eines Sägeblatts mit einer Anordnung lokaler Resonatoren und Bereichen verringerter Steifigkeit darstellt,
- 3b eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs in 3a zeigt,
- 3c einen lokalen Resonator darstellt, bei dem ein Federelement als ein Bereich verringerter Steifigkeit ausgeführt ist,
- 4 eine Alternative Ausführungsform eines Sägeblatts darstellt bei der die lokalen Resonatoren, als Teilkreissegmente ausgeführt sind,
- 5a einen Querschnitt durch ein Sägeblatt in Sandwichbauweise mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren darstellt,
- 5b einen Querschnitt durch ein Sägeblatt in Sandwichbauweise mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren in Elastomerfüllung darstellt,
- 6a einen Querschnitt durch ein Sägeblatt mit einer aufgesetzten Anordnung von lokalen Resonatoren darstellt,
- 6b eine Kreissäge mit einem Sägeblatt mit einer aufgesetzten Anordnung von lokalen Resonatoren darstellt,
- 7 eine Trennscheibe darstellt, die mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist,
- 8 ein Sägeblatt einer Säbelsäge darstellt, das mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist,
- 9 eine Bohrkrone darstellt, die mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist,
- 10a eine Tischkreissäge darstellt, deren Gehäuse mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist,
- 10b eine Kettensäge darstellt, deren Blatt und Gehäuse mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist, und
- 10c einen Winkelschleifer darstellt, dessen Griff mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist.
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Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
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In 1 bis 6b wird das Konzept des beanspruchten Gegenstandes am Beispiel eines Kreissägeblattes 1 dargestellt. Die gezeigten Ausführungen lassen sich jedoch mit nur geringer konstruktiver Abwandlung auch auf andere erste Werkzeugteile, wie zum Beispiel in 7, 8 und 9, anwenden um die gleichen Vorteile zu erzielen.
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1 stellt ein Sägeblatt 1 dar, das mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2 versehen ist. Ein einzelner lokaler Resonator 2 ist vergrößert dargestellt. Die Vergrößerung zeigt die Einheitszelle eines lokalen Resonators 2. Der Resonator besteht aus einer schwingenden Masse 3 und einem Federelement 3. Diese sind einteilig mit dem Sägeblatt 1 ausgebildet und können beispielsweise durch Wasserstrahlschneiden aus diesem herausgeschnitten werden. Schwingende Masse 3 und Federelement 4 sind somit durch die Aussparung 5 definiert. Das Federelement 4 wird durch einen Steg gebildet, der die schwingende Masse 3 mit der umgebenden Struktur 6 des Sägeblatts 1 verbindet. Die schwingende Masse 3 ist somit gegenüber der umgebenden Struktur 6 schwingfähig gelagert. Der Resonator 2 hat eine Resonanzfrequenz, bei der die Amplitude der schwingenden Masse 3 maximal wird. Der Graustufenverlauf in der Vergrößerung gibt Aufschluss über die Verformung einer Einheitszelle des lokalen Resonators. Wie zu sehen ist, sind davon sowohl die schwingende Masse und das Federelement 4, als auch Bereiche der umgebenden Struktur 6 betroffen. Davon lässt sich ableiten, dass die Eigenfrequenz des lokalen Resonators 2 von der Ausgestaltung der gesamten Einheitszelle des lokalen Resonators 2 abhängt. In der dargestellten Ausführung wird die Eigenfrequenz unter anderem durch die Elastizitätskennwerte des Materials des Sägeblatts 1, seiner Dicke, die Geometrie der schwingenden Masse 3 und die Geometrie des Federelements 4 bestimmt.
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Die Anordnung der lokalen Resonatoren erstreckt sich über das gesamte Sägeblatt 1. Die Anordnung der lokalen Resonatoren 2 ist periodisch und alle lokalen Resonatoren 2 weisen dieselbe Frequenzabstimmung auf. Die Anordnung von lokalen Resonatoren bildet so ein Metamaterial aus, die in einem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz der lokalen Resonatoren negative effektive Masseeigenschaften aufweist. Wird das Sägeblatt 1 durch eine von außen angetriebene Rotation zur Schwingung mit dieser ersten Frequenz angeregt, so wird diese stark reduziert und die Schwingungsenergie wird in den lokalen Resonatoren 2 aufgenommen. So entsteht ein Stoppband, also ein Frequenzbereich, in dem eine Wellenausbreitung in dem Sägeblatt 1 unterdrückt wird.
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Bei Sägeblättern 1 kommt es zu einer hohen Schallemission, wenn sich in ihnen auf Grund der äußeren Anregung stehende Wellen ausbilden. Dies tritt ein, wenn das Sägeblatt 1 mit der sogenannten kritischen Drehzahl rotiert. Wird die Anordnung der lokalen Resonatoren 2 jedoch durch geschickte Wahl der Geometrien und Elastizitätseigenschaften der lokalen Resonatoren 2 und ihrer Abstände zueinander so abgestimmt, dass die Frequenz der stehenden Wellen bei der kritischen Drehzahl in Bereich des Stoppbandes des Metamaterials liegt, so können diese Wellen stark gedämpft werden, sodass sich die Schallemission reduzieren lässt. Da die Ausbildung der stehenden Wellen außerdem zu Instabilitäten des Sägeblatts führt, lässt sich so auch das Schnittbild des Sägeblatts verbessern. Insgesamt lässt sich somit das Sägeblatt bei einer höheren Drehzahl betreiben.
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Da die lokalen Resonatoren je nach ihrer Ausführung mehrere Resonanzfrequenzen haben können, können sich so auch mehrere Stoppbänder um weitere Frequenzen ausbilden. Dabei können diese Stoppbänder verschiedenen Frequenzbereich abdecken, oder sich überlappen, sodass ein vergrößertes Stoppband entsteht. Ebenso können die einzelnen lokalen Resonatoren mit einer leicht unterschiedlichen Frequenzabstimmung ausgeführt werden. Dadurch wird die Schwingungsreduktion im Stoppbandbereich zwar geschwächt, dieses wird jedoch verbreitert. Sollen die lokalen Resonatoren 2 stattdessen eine möglichst präzise Frequenzabstimmung aufweisen um ein möglichst klar definiertes Stoppband zu erzeugen, so ist insbesondere darauf zu achten, dass auf die einzelnen lokalen Resonatoren 2 im Betrieb des Sägeblatts 1 je nach ihrer genauen Anordnung zusätzliche Kräfte, beispielsweise durch die Zentrifugalkraft, wirken können, die sich auf ihre Frequenzabstimmung auswirken können. Es ist also sinnvoll, bei der Wahl der Geometrie der lokalen Resonatoren zur Frequenzabstimmung solche Kräfte in Abhängigkeit von der Position des jeweiligen lokalen Resonators miteinzubeziehen.
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Ein zusätzlicher Effekt ergibt sich durch die periodische Anordnung der lokalen Resonatoren 2. Diese stellen Inhomogenitäten in den Parametern des Materials des Sägeblatts 1 dar, an denen Bragg-Streuung stattfinden kann. Durch destruktive Interferenz kann so ein Stoppband um eine weitere Frequenz in Abhängigkeit von den Abständen der lokalen Resonatoren zueinander entstehen, die nicht der ersten Frequenz der lokalen Resonatoren entsprechen muss. Auch dieses Stoppband lässt sich ausnutzen, um unerwünschte Schwingungen des Sägeblattes 2 zu unterbinden und so die Schallemission zu reduzieren.
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Das Sägeblatt 1 ist in vier Quadranten geteilt, in denen die lokalen Resonatoren 2 jeweils um 90° gedreht angeordnet sind, damit bei einer Rotation des Sägeblatts 1 in Drehrichtung R annähernd ähnliche Kräfte auf die einzelnen Resonatoren 2 wirken und sich diese nicht aufstellen.
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In 2 ist ein Sägeblatt 1 dargestellt, das dem Sägeblatt aus 1 weitestgehend entspricht. In dieser Ausführung ist jedoch ein Dämpfungsmaterial 7 in die Aussparungen 5 eingebracht. Es kann sich um ein viskoelastisches Material handeln. Durch diese zusätzliche Dämpfung lässt sich das Stoppband der Anordnung von lokalen Resonatoren verbreitern. Zusätzlich verschließt das Dämpfungsmaterial 7 die Aussparungen 5 und verhindert so, dass sich Späne in diesen festsetzen. Außerdem wirkt bei einem gedämpft ausgeführten Resonator das Stoppband als eine Art Tiefpassfilter, da alle Frequenzen, die größer sind als die höchste Frequenz des Stoppbandes, ebenfalls eine Dämpfung erfahren.
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Die lokalen Resonatoren 2 müssen nicht zwingend einteilig mit dem Sägeblatt ausgebildet sein. Sie könne auch einzeln aufgebaut und in Aussparungen 5 befestigt werden. Dazu bieten sich beispielsweise Konstruktionen, die den in 1 und 2 gezeigten weitestgehend entsprechen, in denen jedoch die schwingende Massen 3 nicht aus dem Material des Sägeblatts 1 ausgebildet und über einen Steg mit den umgebenden Strukturen 6 der Einheitszelle verbunden sind. Stattdessen könne die lokalen Resonatoren 2 aus einem elastischen oder viskoelastischen Material 7 als Federelement 4 mit einer eingeprägten schwingenden Masse 3, beispielsweise durch eine Blechscheibe ausgebildet, bestehen. Diese lokalen Resonatoren können nach den Ansprüchen an ihre Frequenzabstimmung konstruiert werden und werden erst danach in die Aussparungen eingebracht, sodass sich einfachere und freiere Abstimmungsmöglichkeiten ergeben.
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3a zeigt eine alternative Ausführungsform eines Sägeblattes 1 mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2. 3b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt dieser Ausführungsform. In dieser Ausführung sind die lokalen Resonatoren 2 entlang von konzentrischen Bereichen verminderter Steifigkeit 8 angeordnet. Es kann sich dabei um Sicken, Prägungen oder mit spanenden Verfahren erzeugte Ausnehmungen in der Dicke des Sägeblatts 1 handeln. Da diese Bereiche verminderter Steifigkeit 8 auch die Stege betreffen, die die Federelemente 4 darstellen, lässt sich so die Eigenfrequenz der lokalen Resonatoren zusätzlich einstellen. Dieses Vorgehen kann insbesondere bei dicken Werkzeugteilen sinnvoll sein, um eine Frequenzabstimmung bei niedrigen Frequenzen zu ermöglichen. Ebenso kann es sinnvoll sein, ein Werkzeugteil 1 mit Bereichen erhöhter Steifigkeit zu versehen, um weitere Frequenzabstimmungen zu ermöglichen.
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Eine weitere Alternative sind lokale Resonatoren, die nicht auf Aussparungen 5 basieren, sondern Bereiche verminderter Steifigkeit 8 verwendet, um Federelemente 4 zu realisieren. Eine solche Ausführung ist in 3c dargestellt. Durch Prägen oder spanende Verfahren könne solche flexiblen Membranflächen 8 herausgearbeitet werden, die als Federelemente 4 für die von ihnen eingeschlossenen Flächen als schwingenden Massen 3 wirken. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, da das Werkzeugteil so nicht durch die Aussparungen 5 geschwächt werden muss und sich so eine durchgehende Oberfläche ergibt.
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Eine weitere mögliche Anordnung von lokalen Resonatoren 2 auf einem Sägeblatt 1 ist in 4 dargestellt. Hier sind die lokalen Resonatoren 2 als Teilkreissegmente ausgeführt. Dies ermöglicht eine möglichst dichte Anordnung der lokalen Resonatoren und vermeidet ein Aufstellen der Resonatoren in Rotation. Während die Teilkreissegmente als schwingende Massen 3 durch die Ausspanrungen 5 definiert sind, bildet in dieser Ausführung die Seite des Segments, die es mit der umgebenden Struktur des Sägeblatts verbindet das Federelement 4. Diese Ausführungsform kann natürlich auch mit einem Dämpfungsmaterial 7, wie in 2, oder mit Bereichen verminderter Steifigkeit wie in 3a kombiniert werden. Ebenso sind andere Anordnungen von lokalen Resonatoren denkbar, die weitere vorteilhafte Eigenschaften verleihen.
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In 1 bis 4 sind die Anordnungen der lokalen Resonatoren jeweils in etwa vollflächig über die Oberfläche des Sägeblatts 1 verteilt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Anordnung nur in gewissen Bereichen des Werkzeugteils erfolgt, wenn sich so bereits eine hinreichende Schwingungsreduktion erreichen lässt. Beispielsweise könnten in 3a einzelne konzentrische Abschnitte der Anordnung lokaler Resonatoren ausgelassen werden. Dies kann den Vorteil haben, dass das Werkzeugteil in seiner statischen Steifigkeit weniger geschwächt wird. Die Resonatoren 2 könnten beispielsweise auch nach einer Topologie-Optimierung des Sägeblatts 1 in den Bereichen angeordnet werden, in denen zur Optimierung Material entfernt wurde.
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5a und 5b stellen Ausführungen eines Sägeblatts 1 dar, die eine Sandwichstruktur aufweisen, die also aus mehreren Schichten bestehen. Bei dieser Bauweise können die lokalen Resonatoren 2 innerhalb des Sägeblattes 1, in Aussparungen der mittleren Schicht oder inneren Schichten der Sandwichstruktur, angeordnet sein. In 5a und 5b ist jeweils ein Sägeblatt 1im Querschnitt gezeigt. Das Sägeblatt verfügt jeweils über eine Sägezahnung 9 und einen Flansch 11, der einen mittleren Teil des Sägeblatts 1 bildet und eine Zentralbohrung aufweist. Der eigentliche Körper des Sägeblatts 1 besteht aus mindestens drei Schichten, von denen zwei die Oberflächen des Sägeblatts 1 ausbilden. Zwischen diesen ist mindestens eine innere Schicht angeordnet. Diese inneren Schichten weisen Aussparungen auf, die Hohlräume in dem Sägeblatt 1 ausbilden. Anteilig am Volumen können diese Hohlräume einen Großteil der inneren Schichten ausmachen, wie es in den Figuren schematisch dargestellt ist. Es kann sich aber auch um einzelne lokale Aussparungen handeln. In den Hohlräumen sind die lokalen Resonatoren angeordnet. In 5a sind die lokalen Resonatoren schematisch als schwingende Massen, die an einzelnen Federelementen befestigt sind, dargestellt. Dabei können die schwingenden Massen beispielsweise Blechscheibe sein und die Federelemente können als Spiral- oder Blattfedern oder durch ein elastisches Material ausgebildet sein. Der restliche Hohlraum in dem Sägeblatt 1 verbleibt luftgefüllt. Alternativ ist in 5b eine Ausführungsform dargestellt, in der der Hohlraum mit einem Elastomer 10 gefüllt ist. Dieses bildet die Federelemente der lokalen Resonatoren, während die schwingenden Massen wiederum als eingeprägte Masseelemente ausgeführt sind. Die Anordnungen der lokalen Resonatoren 2 in den Sägeblättern der 5a und 5b erfüllen bezüglich ihrer Frequenzabstimmung und Abstände die gleichen Bedingungen, die für die Metamaterialien in 1 bis 4 beschrieben wurden, und können auf die gleiche Weise variiert werden. Vorteile der Anordnung der lokalen Resonatoren 2 in einer Sandwichstruktur sind, dass die lokalen Resonatoren 2 so gegen äußere Einflüsse geschützt sind und die Oberfläche des Sägeblatts 1 durchgängig abgeschlossen bleibt und keine zusätzlichen Strukturen aufweist, die in der Nutzung des Sägeblatts 1 störend sein könnten.
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Weitere Möglichkeiten, nicht-einteilige Ausführungen lokaler Resonatoren 2 so auf einem Werkzeugteil anzubringen, dass dessen Nutzung dadurch möglichst geringfügig negativ beeinflusst wird, sind in 6a und 6b schematisch dargestellt. In beiden Darstellungen sind die Anordnungen der lokalen Resonatoren 2 nicht vollflächig über das Sägeblatt verteilt, sondern nur in gewissen Bereichen angebracht. 6a stellt einen Querschnitt durch ein Sägeblatt 1 dar, in dem die lokalen Resonatoren auf einen Randbereich konzentriert und innerhalb des lichten Maßes der Verschränkung der Sägezähne 9 angeordnet sind. Bei der Verwendung des Sägeblatts 1 kommen die lokalen Resonatoren so nicht mit dem Sägegut 13 in Berührung. Alternativ kann die Anordnung der lokalen Resonatoren 2 auch auf einen Bereich im Umfeld der Mittelbohrung des Sägeblatts 1 konzentriert sein. Diese Ausführung ist in 6b am Beispiel einer Tischsäge illustriert. Hier sind die lokalen Resonatoren 2 so in einem zentralen Bereich des Sägeblatts 2 angeordnet, dass sie im Betrieb nicht in Kontakt mit dem Tisch 12 und dem Sägegut 13 kommen. Bei Anordnungen wie in 6a und 6b, in denen sich die lokalen Resonatoren 2 nicht über die gesamte Fläche des Werkzeugteils erstrecken, muss jedoch sichergestellt werden, dass dennoch eine ausreichende Schwingungsreduktion gegeben ist.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurden die verwendeten Metamaterialien zur Schwingungsreduktion jeweils am Beispiel eines Sägeblatts beschrieben. Dieselben Konzepte lassen sich jedoch auf eine Vielzahl anderer rotierender, oszillierender oder andere Bewegungen ausführender Werkzeugteile anwenden, bei denen es auf Grund ihrer Bewegung zu Vibrationen und dadurch zu Schallemissionen kommt. Dies soll in 7 bis 9 verdeutlicht werden.
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7 zeigt eine Trennschreibe 14 zur Verwendung in einem Trenn- oder Winkelschleifer. Solche Trennscheiben werden mit einer hohen Drehzahl betrieben und bestehen in der Regel aus Stahl oder Kunstharzverbunden. Die dargestellte Anordnung der lokalen Resonatoren 2 entspricht dabei der in 1 gezeigten. Da Trennscheiben oft in Sandwichbauweise produziert werden, bietet sich für sie auch Anordnung von lokalen Resonatoren in Sandwichstruktur wie in 5a oder 5b an.
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8 zeigt ein Sägeblatt 15 einer Säbel- oder Stichsäge. Ein solches Sägeblatt 15 wird in der Regel durch einen Elektromotor zu einer oszillierenden Bewegung angetrieben. Um die dabei entstehenden Vibrationen zu dämpfen, kann das Sägeblatt 15 mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2 versehen sein, die einteilig mit dem Sägeblatt 15 ausgebildet sind. Auch ein geschlossenes Bandsägeblatt könnte mit lokalen Resonatoren versehen sein.
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9 zeigt eine Bohrkrone oder Lochsäge 16 bei der sich die Anordnung der lokalen Resonatoren 2 entlang des Umfangs erstreckt, um durch die Rotation entstehende Schwingungen zu dämpfen. Genauso lässt sich dieses Prinzip auf Schleiftöpfe, Polierteller und Halterungen von Topfbürsten anwenden.
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Das Prinzip eines Metamaterial bestehend aus einer Anordnung lokaler Resonatoren zur Schwingungsdämpfung lässt sich also auf eine Vielzahl verschiedener Werkzeugteile anwenden, um an diesen entstehende Schallemission zu reduzieren und weitere Vorteile, wie ein verbessertes Schnittbild, verringerte Materialbelastung oder verbesserte Betriebssicherheit durch die Reduktion von störenden Schwingungen zu erreichen.
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Ebenso ist zu erwähnen, dass dieses Prinzip nicht nur auf die sich bewegenden Werkzeugteile angewendet werden kann, sondern auch auf weitere Werkzeugteile, wie tragende Strukturen, Halterungen oder Führungen. Dabei kann es sich zum Beispiel um Griffe von Werkzeugen, deren Gehäuse oder um die Tragstruktur einer Werkzeugmaschine handeln. Es kann sich jedoch auch um Führungselemente wie das Blatt einer Kettensäge handeln. Beispiele sind in 10a, 10b und 10c dargestellt. Diese Werkzeugteile bewegen sich nicht aktiv, werden jedoch durch die rotierende oder oszillierende Bewegung des ersten Werkzeugteils oder durch einen Antrieb zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen können ebenfalls problematisch sein, da sie zu Materialermüdung im zweiten Werkzeugteil, zu zusätzlichen Schallemissionen, zu einer unangenehmen Handhabung für den Nutzer oder sogar zu Sicherheitsrisiken führen können. Daher kann es durchaus sinnvoll sein, ein solches zweites Werkzeugteil ebenfalls mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren zu versehen, um die relevanten Schwingungen zu dämpfen.
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In 10a ist eine Tischkreissäge 17 dargestellt. Diese umfasst ein Sägeblatt 1, das mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2 versehen sein kann. Die Tischkreissäge 17 besteht weiterhin aus einem Tisch 12 und einem Gehäuse 18, das den beschriebenen Aufbau sowie einen Antrieb trägt. Um Vibrationen des Gehäuses 18 zu reduzieren, ist es mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen. Dadurch kann die Schallemission verringert und das Schnittbild der Tischkreissäge 17 verbessert werden. In 10b ist eine Kettensäge 19 dargestellt. Da die Sägekette, also das eigentlich, bewegte Werkzeugteil, nicht mit einem Metamaterial zur Schwingungsreduktion versehen werden kann, wird stattdessen das die Sägekette führende Blatt 20 mit einer Anordnung lokaler Resonatoren 2 versehen. Dadurch können Vibrationen des Blattes 20, die zu Schallemission und Problemen in der Handhabung der Kettensäge 19 führen, verringert werden. Ebenso kann das Gehäuse 21 der Kettensäge 19 mit einer Anordnung lokaler Resonatoren 2 versehen sein, sodass sich die Handhabung, und damit auch die Sicherheit der Kettensäge 19 weiter verbessern lässt. In 10c ist ein Winkelschleifer 22 dargestellt. Dieser umfasst eine Trennscheibe 14, die mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2 versehen sein kann. Der Griff 23 ist ebenfalls mit Anordnungen lokaler Resonatoren versehen, um eine geringere Schallemission und sichere Handhabung durch die Reduktion von Vibrationen zu gewährleisten.
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Durch die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien auf der Basis von lokalen Resonatoren lassen sich somit im Allgemeinen Werkzeuge konstruieren, die eine reduzierte Schallabstrahlung aufweisen und dennoch den Anforderungen vielfältiger Einsatzzwecke genügen.
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind nicht begrenzend. Insbesondere können die Merkmale dieser Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.
