DE19852642C1

DE19852642C1 - Ultrasonic cutting device has tool arranged at vibration maximum and end supports at vibration nodes

Info

Publication number: DE19852642C1
Application number: DE1998152642
Authority: DE
Inventors: Harald Hielscher
Original assignee: Dr Hielscher GmbH
Current assignee: Dr Hielscher GmbH
Priority date: 1998-11-14
Filing date: 1998-11-14
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2018-11-15
Also published as: WO2000029178A1

Abstract

A cutting tool (5) is excited by ultrasound and is arranged in the region of the vibration maximum of a horn (2) of an ultrasonic transducer (1). The horn is mechanically mounted in the region of a vibration node (3), and at the other end via a vibration-decoupled end support (7) in the region of the vibration node. The length of the cutting tool is a multiple of lambda /2.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Schneidein richtung zum Schneiden von Materialien unterschied licher Art mittels Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to ultrasonic cutting Direction for cutting materials Licher type using ultrasound according to the preamble of claim 1.

Um Ultraschall zu erzeugen und in ein Medium mit einer gewünschten Leistung einzubringen, werden prinzipiell ein Ultraschall-Wandler (λ/2-Schwinger), der die einge brachte elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt, und eine Sonotrode bzw. ein Horn verwendet.To generate ultrasound and in a medium with a to bring the desired performance in principle an ultrasonic transducer (λ / 2 transducer), which the turned brought electrical energy into mechanical vibrations converts, and uses a sonotrode or a horn.

Die Sonotrode oder in diesem Falle das Horn sind als ein Werkzeug anzusehen, über das die Ultraschall- Leistung an den Wirkungsort geleitet wird.The sonotrode or in this case the horn are as to look at a tool through which the ultrasound Power is directed to the place of action.

Nach dem allgemeinen Stand der Technik wird die Ultra schall-Leistung aus einem Ultraschallwandler (λ/2- Schwinger) über ein Horn in das Schneidwerkzeug einge bracht. Das Schneidwerkzeug ist dabei im Bereich des Schwingungsmaximums des Horns eingespannt. Die in das Schneidwerkzeug übertragenen Längsschwingungen bewirken eine Vibration der Schneide und damit den Schneid vorgang.According to the general state of the art, the Ultra sound power from an ultrasonic transducer (λ / 2- Transducer) into the cutting tool via a horn brings. The cutting tool is in the area of Vibration maximum of the horn clamped. The in that Cause cutting tool transmitted longitudinal vibrations a vibration of the cutting edge and thus the cutting process.

So ist aus der DE 298 02 711 U1 ein ultraschall betriebenes Schneidwerkzeug bekannt, welches im Bereich des Schwingungsmaximums des λ/2-Schwingers des Ultra schall-Wandlers eingespannt ist, wobei das Horn des Ultraschall-Wandlers im Bereich des Schwingungsknotens mechanisch gelagert ist.DE 298 02 711 U1 is an ultrasound operated cutting tool known in the field of the maximum vibration of the λ / 2 transducer of the Ultra sound transducer is clamped, the horn of the Ultrasonic transducer in the area of the vibration node is mechanically stored.

In der DE 296 01 393 U1 wird eine Ultraschall-Sonotrode mit Flansch beschrieben, die neben der Verwendung zur Beschallung von Flüssigkeiten in einem Gefäß auch für eine ultraschallbetriebene Schneideinrichtung verwendet werden kann.DE 296 01 393 U1 describes an ultrasonic sonotrode Flange described in addition to the use for Sonication of liquids in a vessel also for uses an ultrasonic powered cutter can be.

Die bekannten Ultraschall-Schneideinrichtungen sind infolge der frei schwingenden einen Schneidenseite mechanisch sehr instabil und eignen sich nur zum Schneiden dünner Materialien.The known ultrasonic cutting devices are due to the freely vibrating one cutting edge mechanically very unstable and are only suitable for Cutting thin materials.

In der DE 195 37 826 C1 ist ein ultraschallerregtes Schneidsystem mit schwingender Schneidklinge beschrie ben, bei dem das Schneidwerkzeug beidseitig an einem Bügel befestigt ist. Der Bügel weist auf der einen Sei te einen Längsantrieb auf. Im Bereich der Einspannung des Schneidwerkzeugs ist je ein Ultraschall-Wandler an geordnet. Das ultraschallerregte Schneidsystem ist als Biegeschwinger ausgebildet und mit einer mechanisch er zeugten Translationsbewegung überlagert. Der Biege schwinger wird beim Schneidvorgang so stark gedämpft, daß nur eine geringe Schneidleistung erzielt werden kann.DE 195 37 826 C1 describes an ultrasound-excited Cutting system described with a vibrating cutting blade ben, where the cutting tool on both sides on a Bracket is attached. The bracket points to one side longitudinal drive. In the area of clamping an ultrasonic transducer is attached to the cutting tool orderly. The ultrasonically excited cutting system is as Bending vibrator trained and with a mechanical he witnessed translation movement superimposed. The bend vibration is so strongly damped during the cutting process, that only a low cutting performance can be achieved can.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Ultraschall-Schneideinrichtung zu entwickeln, mit der die Mängel der bekannten Einrich tungen vermieden werden und mit der gewährleistet ist, daß Materialien unterschiedlicher Art zuverlässig und effektiv geschnitten werden können.The invention is therefore based on the object generic ultrasonic cutting device develop with which the shortcomings of the well-known Einrich are avoided and with which it is guaranteed that materials of different types are reliable and can be cut effectively.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1 solved.

Das Schneidwerkzeug der Schneideinrichtung nach der Erfindung ist auf der einen Seite im Bereich des Schwingungsmaximums des Horns des λ/2-Schwingers und auf der anderen Seite in ein schwingungsentkoppeltes Gegenlager eingespannt, wobei das Horn im Bereich des Schwingungsknotens mechanisch gelagert ist. Das schwingungsentkoppelte Gegenlager be steht aus einem λ/2-Horn mit einer mechanischen Lage rung im Bereich des Schwingungsknotens und einer Ein spannstelle für das Schneidwerkzeug im Bereich des Schwingungsmaximums, wobei das λ/2-Horn als Gegenlager die gleiche Resonanzfrequenz wie das λ/2-Horn des Ultraschallwandlers aufweist.The cutting tool of the Cutting device according to the invention is on one Side in the area of the maximum vibration of the horn of the λ / 2 transducer and on the other hand in one vibration-decoupled counter bearing clamped, whereby the horn in the area of the vibration node mechanically is stored. The vibration-decoupled counter bearing consists of a λ / 2 horn with a mechanical layer tion in the area of the vibration node and an on clamping point for the cutting tool in the area of the Vibration maximums, with the λ / 2 horn as a counter bearing the same resonance frequency as the λ / 2 horn of the Has ultrasonic transducer.

Es werden mit der Schneideinrichtung nach der Erfindung durch die mechanisch sehr stabile Lagerung und Ein spannung des im Horn aufgehangenen Schneidwerkzeuges Anwendungsbereiche erschlossen, die bisher einem Schneiden mit Ultraschall wegen unzureichender Schnei denbreite infolge der Instabilität des Schneidwerkzeu ges nicht oder nur mit unbefriedigend hohem Aufwand und wenig zufriedenstellendem Ergebnis zugänglich waren.It will be with the cutting device according to the invention due to the mechanically very stable storage and on tension of the cutting tool suspended in the horn Opened up areas of application that previously existed Cutting with ultrasound due to insufficient cutting the width due to the instability of the cutting tool not at all or only with unsatisfactorily high expenditure and unsatisfactory result.

Das Schneidwerkzeug kann in der Länge in Abschnitten der Größe λ/2 den Anwenderbedürfnissen entsprechend variiert werden.The cutting tool can be in sections in length the size λ / 2 according to user needs can be varied.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem Unteranspruch.Advantageous further developments of the invention result from the subclaim.

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungs beispiel einer Schneideinrichtung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt die schematische Seitenansicht einer Ultraschall-Schneideinrichtung mit einer einge spannten Klinge. The invention is described below in one embodiment example of a cutting device explained in more detail. The only figure shows the schematic side view an ultrasonic cutting device with a tensed blade.

In der Figur ist ein Ultraschallwandler 1 mit einem Horn 2, beide als λ/2-Schwinger ausgeführt, schematisch dargestellt. Das Horn 2 weist eine zum Wandler 1 sprunghafte Querschnittsänderung auf. Im Bereich des Schwingungsknotens 3 ist das Horn 2 mechanisch stabil gelagert. Im Bereich des Schwingungsmaximums 4 des Horns 2 ist ein Schneidwerkzeug 5, hier eine Schneide, eingespannt.In the figure, an ultrasonic transducer 1 with a horn 2 , both designed as λ / 2 oscillators, is shown schematically. The horn 2 has a sudden change in cross-section relative to the transducer 1 . The horn 2 is supported in a mechanically stable manner in the area of the vibration node 3 . A cutting tool 5 , here a cutting edge, is clamped in the area of the maximum vibration 4 of the horn 2 .

Das Schneidwerkzeug 5 kann unterschiedliche Aus führungen aufweisen.The cutting tool 5 can have different designs.

Die Ultraschall-Leistung wird über das Horn 2, welches als Amplitudentransformator wirkt, an das Schneidwerk zeug 5 geleitet. Durch das zu Ultraschallschwingungen in Längsrichtung 6 erregte Schneidwerkzeug 5 wird ein Schneidvorgang dadurch bewirkt, daß während eines kur zen Bruchteils der Schwingungsperiode sich das zu schneidende Material und das Schneidwerkzeug 5 in kraftschlüssigem Eingriff befinden und Material abgetragen wird.The ultrasonic power is passed through the horn 2 , which acts as an amplitude transformer, to the cutting tool 5 . By the cutting tool 5 excited to ultrasonic vibrations in the longitudinal direction 6 , a cutting process is effected in that during a short fraction of the oscillation period the material to be cut and the cutting tool 5 are in frictional engagement and material is removed.

Zur Stabilisierung des Schneidwerkzeuges 5 ist am anderen Ende ein schwingungsentkoppeltes Gegenlager 7 angeordnet, welches ebenfalls aus einem als λ/2- Schwinger ausgebildeten Horn besteht und im Bereich seines Schwingungsknotens 8 mechanisch stabil gelagert ist. Das Schneidwerkzeug 5 ist im Bereich des Schwingungsmaximums 9 des Gegenlagers 7 eingespannt.To stabilize the cutting tool 5 , a vibration-decoupled counter bearing 7 is arranged at the other end, which also consists of a horn designed as a λ / 2 oscillator and is mechanically stable in the region of its oscillation node 8 . The cutting tool 5 is clamped in the area of the maximum vibration 9 of the counter bearing 7 .

Das Schneidwerkzeug 5 ist dadurch mechanisch sehr stabil gelagert und gespannt und hoch belastbar.The cutting tool 5 is mechanically very stable and tensioned and highly resilient.

Das Gegenlager 7 wird mit der Resonanzfrequenz des Horns 2 des Wandlers 1 betrieben.The counter bearing 7 is operated at the resonance frequency of the horn 2 of the transducer 1 .

Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Aus führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The invention is not based on the described here limited leadership example. Rather, it is possible by combining and modifying the described Features to realize further design variants without leaving the scope of the invention.

Reference list

11

Ultraschallwandler
Ultrasonic transducer

22nd

Horn
horn

33rd

Schwingungsknoten
Vibration node

44th

Schwingungsmaximum
Vibration maximum

55

Schneidwerkzeug
Cutting tool

66

Längsrichtung
Longitudinal direction

77

Gegenlager
Counter bearing

88th

Schwingungsknoten
Vibration node

99

Schwingungsmaximum
Vibration maximum

Claims

1. Ultrasonic cutting device for cutting different materials by means of a cutting tool ( 5 ) excited by ultrasound, which is clamped in the area of the maximum vibration ( 4 ) of the horn ( 2 ) (λ / 2 oscillator) of the ultrasonic transducer ( 1 ), the Horn ( 2 ) of the ultrasonic transducer ( 1 ) in the area of the vibration node ( 3 ) is mechanically mounted, characterized in that the cutting tool ( 5 ) on the other side in a vibration-decoupled counter bearing ( 7 ) designed as a λ / 2 oscillator the resonance frequency of the horn ( 2 ) of the ultrasonic transducer ( 1 ) is clamped in the region of the maximum vibration ( 9 ), the counter bearing ( 7 ) being mechanically mounted in the region of the node ( 8 ).

2. Ultrasonic cutting device according to claim 1, characterized in that the length of the cutting tool ( 5 ) is a multiple of λ / 2.