DE4336293A1 - Vorrichtung für berührungsloses Trennen von Polystyrolhartschäumen - Google Patents

Description

1. Gebrauchszweck

Wesentliches Funktionsteil an Hartschaumsägen. Dient zum thermischen Trennen von blockgeschäumten und extrudierten Polystyrolhartschäumen mit Raumgewichten bis ca. 45 kg/cbm im Architektur-, Gießerei- und Design-Modellbau, sowie in Pädagogik, Dekoration und Kunst.

2. Stand der Technik

Das Prinzip der thermischen Trennung von Polystyrolhartschäumen ist in Form verschiedener Geräte auf dem Markt bekannt. Dem thermischen Trennen kommt nicht nur wegen der preiswerten Geräte eine große wirtschaftliche Bedeutung zu, sondern auch deshalb, weil andere Trennverfahren, wie z. B. Lasercutting, wegen der Streuung im Polystyrolhartschaum ungeeignet sind.

Den thermischen Trennverfahren ist gemeinsam, daß ein elektrisch geheizter Widerstandsdraht (Heizleiterdraht) die Zellwände der Poren des Hartschaumes erweicht und daß das so erweichte Material weitgehend mechanisch weggedrückt wird um größtenteils in den angrenzenden Poren zu verbleiben.

Diese Geräte unterscheiden sich je nach Gebrauchszweck in Ausladung, Schnitthöhe bzw. Schnittbreite und Stärke des Drahtes (im folgenden Schneiddraht genannt) sowie noch in der Art der Führung des Schnittgutes.

Dies geschieht von Hand, durch Gewichtsvorschub selbsttätig, oder motorisch durch Bewegen des Schnittgutes oder des Schneiddrahtes.

Dem Schneiddraht wird die durch seinen elektrischen Widerstand auf ganzer Länge erzeugte Eigenhitze beim Trennen in Form von Strahlungs- und Schmelzwärme wieder entzogen. In der Regel wird der Schneiddraht beim Trennen mechanisch belastet, so daß der Wärmetransport hauptsächlich an der dem Schneiddraht zugewandten Seite erfolgt. Als Folge der Vorschubkraft ergibt sich zwangsläufig eine Durchbiegung des Schneiddrahtes im Ganzen und an den Einspannenden. Die Längstkraft im Draht würde sonst über die Streckgrenze des Materials steigen und so zu Längung und Drahtriß führen. Die ständige Biegebelastung bedeutet eine latente Gefahr von Drahtbruch (Wechsel-, Dauerbruch).

Außerdem wird ein wesentlicher Vorteil des thermischen Trennens mit Schneiddraht teilweise in Frage gestellt; nämlich die Möglichkeit, im Schnitt die Schnittrichtung zu ändern.

Die Biegung des Schneiddrahtes hat bei Kurvenschnitten ein Schleppen zur Folge, so daß die Flächen konkav oder konvex geformt werden.

Bei Schnitten "um die Ecke" ist ein kurzer Stillstand des Vorschubes sinnvoll, bis der Draht sich wieder gerade gezogen hat, mit dem Nachteil, daß die weniger stark nachlaufenden Drahtenden, die ja weiter geheizt werden, die Zellwände des Hartschaumes mehr oder weniger stark einfallen lassen, so daß insbesonders Innenecken niemals sauber scharfkantig werden.

Ein weitere Nachteil des thermischen Trennens mit Schneiddrähten wird bei den Thermosägen der Marke STYROCUT von Johannes Scherffig in Düsseldorf vermieden:
Diese Geräte arbeiten mit Handvorschub und einem Schneiddraht von 0,2 mm Durchmesser, wobei dem Schneiddraht beim Schnitt Schmelzwärme entzogen wird, so daß sich ein Gleichgewicht zwischen gewählter Temperatur und möglicher Vorschubgeschwindigkeit einstellt. Der aus dem Polystyrolhartschaum herausragende Teil des Schneiddrahtes wird jedoch auch gekühlt, durch Anblasen der Schnittkante mit Luft und durch Wärmeabfuhr in die metallene Einspannvorrichtung.

Dies vermeidet den Temperaturanstieg im Draht im Übergangsbereich (Hartschaum/Luft), also eine Aufweitung der Schnittflächen am Rande und sichert scharfe Schnittkanten.

Auch die Durchbiegung des Schneiddrahtes läßt sich theoretisch vermeiden durch sehr geringe Vorschubkraft, und durch hohe Einstellung der Drahthitze.

Die Folgen sind aber:
Sehr geringe Leistung bzw. ein Schnittverlust (9) von mehr als der doppelten Stärke des Drahtdurchmessers und ein Überschreiten der Verdampfungstemperatur des Polystyrol.

Daraus resultieren:
Hohe Gefahr von häufigem Drahtriß, geringe Oberflächengüte (Bildung von Styrolfäden, pelzige Oberfläche), Belastung des Arbeitsplatzes und der Umwelt mit Styroldämpfen.

Wenn der Vorschub vollautomatisch, z. B. durch computergesteuerte Schneideplotter erfolgt, wie bei dem Gerät XY-CUT oder Z-CUT von Günter Schenke in Düsseldorf, kann der Schnittverlust (9) durch Verwenden von z. B. nur 0,1 mm dickem Schneiddraht verringert werden.

Der Nachteil der Schnittaufweitung an den Hartschaumrändern oder der verhältnismäßig niedrigen Schnittgeschwindigkeit bleibt jedoch auch bei dieser, vom Temperament und der Disposition des Nutzers völlig freien Betriebsweise, unvermeidbar erhalten.

Ein weiterer Nachteil ist, daß das Problem der Vorschubpause unter Erhalt der Heizleistung des Schneidedrahtes bei Schnitten "um die Ecke" (s. o.) nicht oder nur mit hohem Aufwand an Steuerungs- und Regelmechanismen ("intelligente Software") gelöst werden kann.

3. Aufgabenstellung

Vermeiden oben genannter Nachteile durch Kombination der nach dem Stand der Technik erzielbaren Vorteile unter Beachtung der praktischen Erfordernisse für Geräte mit automatischen Vorschubeinrichtungen.

Das Ziel ist:

• - gesteigerte Schnittgeschwindigkeit (Produktivität)
• - höhere Genauigkeit bei Kurvenschnitten
• - minimierter Schnittverlust
• - geringste Dampfentwicklung
• - erhöhte Standzeit des Schneiddrahtes

und damit wesentlich erweiterte Anwendungen, z. B. im gewerblichen Formenbau.

4. Lösung der Aufgabe 4.1.2 Die gewählte Vorrichtung verwendet

• - sehr dünnen Widerstandsdraht von 0,1 mm Durchmesser zur Sicherung geringen Schnittverlustes als Schneiddraht (3),
• - beidseitige Gebläsekühlung (4), um die nicht schneidenden Drahtteile, denen ja keine Schmelzwärme entzogen wird, unter 170°C runterzukühlen. Dadurch wird ein Absinken der materialspezifischen Streckgrenze des Drahtes, also ein Absinken der Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen vermieden. Ebenso wird die Aufweitung der Schnittränder verhindert,
• - hohe elektrische Leistung (′W) am Schneiddraht, also heißen Schnitt, so daß der Schnitt nicht durch Wegdrücken von erweichtem Styrol, sondern durch Einfallen der Zellwände an dem vom Schneiddraht abgestrahlten Hitzepolster (8) erfolgt. Die Folge ist, daß keine mechanische Beanspruchung erfolgt, komplizierte elektrische/elektronische Steuerungs- und Regelmechanismen entfallen und daß die Schnittgeschwindigkeit wesentlich erhöht wird.
  Im Ruhezustand würde ohne Gebläsekühlung Rotglut bei einem Nickel-Chrom- Draht erreicht.
  Außerdem kann auch hochfester Stahldraht verwendet werden, was bislang wegen der Empfindlichkeit gegen hohe Temperaturen (Abnahme der Festigkeit) und wegen der Sprödigkeit (geringe Dehnbarkeit und Schwäche bei Biegewechsel-Beanspruchung) nur bedingt möglich war,
• - hohe Schnittgeschwindigkeit, um die zur Verfügung stehende Schmelzenergie abzunehmen und auch den gerade schneidenden Abschnitt des Schneiddrahtes unter der kritischen Temperatur (keine Rotglut) zu halten.

4.1.2 Aufbau der Vorrichtung

Die Schneidevorrichtung für berührungslosen Schnitt von Polystyrolhartschäumen, besteht aus den Hauptteilen:

• - zwei Rohrenden (1) als Einspannenden A+B der Trennvorrichtung
• - Schneiddraht (3)
• - zwei Spannhülsen (2)
• - Luftführung (4)
• - elektrische Stromführung (5).

Nicht dargestellt ist die Einleitung der Luft aus dem Gebläse (4), z. B. doppelwirkende Wechselstrom-Membranpumpe mit Schwinganker, über ein bewegliches Schlauchstück. Ebenso nicht dargestellt ist die Einleitung des elektrischen Stromes (5) für den Schneiddraht.

Eine elektrische Leitung (Litze) wird vorzugsweise zusammen mit dem Gebläseschlauch verlegt, da es sich um Kleinspannung von unter 48 V handelt.

Die beiden Rohrenden (1) der Trennvorrichtung können bügelförmig miteinander verbunden sein (bei einem gemeinsamen Antrieb) oder auch getrennt (bei parallelem oder anderslaufendem Antrieb) ausgeführt werden, ohne daß sich an der Vorrichtung prinzipiell etwas ändert.

4.2 Funktion der einzelnen Elemente

Die Rohrenden (1) dienen als Aufnahme und Spannelemente für einen Schneiddraht (3). Die Rohrenden sind mit radialen Bohrungen (7) versehen, durch die der Schneiddraht gesteckt wird (Abb. 1).

Der Schneiddraht durchquert radial die beiden Rohrenden (1) der Trennvorrichtung. Die aus der Konstruktion sich ergebenden 2 Bohrungen (7) in jedem der beiden Rohrenden (1) der Trennvorrichtung, sind im Durchmesser deutlich größer als der Drahtdurchmesser.

Über die beiden Rohrenden (1) wird je eine Spannhülse (2) geschoben. Diese Spannhülsen haben einen reibenden Schiebesitz auf den Rohrenden (1) der Trennvorrichtung.

Eine Stirnseite jeder Spannhülse (2) ist in einem Winkel abgelängt.

Auf diese Weise können die Spannhülsen, wenn sie nach Einfädelung des Schneiddrahtes (3) in eine geeignete Position geschoben werden, die außen an den Rohrenden (1) liegenden Bohrungen (7) abdecken, dahingegen aber die innen liegenden Bohrungen offen lassen (Abb. 1, betriebsbereite Einstellung).

Es erfolgt eine ausreichende Abdichtung der außen an den Rohrenden der Trennvorrichtung (1) liegenden Bohrungen (7). Die mechanische Spannung des Drahtes sowie eine elektrische Kontaktierung des Drahtes ist gleichzeitig hergestellt. Die beiden innen, einander zugewandten Bohrungen (Abb. 1) haben jede für sich 3 Aufgaben:

• a. Einspannpunkt für Schneiddraht
• b. Düse für Luftkühlung
• c. elektrische Kontaktierung (Niedervolt) in der Bohrungsleibung.

In die Trennvorrichtung (1), an beliebiger Stelle eingeleitete Luft tritt von den beiden Drahteinspannpunkten (6) her unmittelbar am Draht entlang aus und sorgt für eine zum Draht parallele Kühlung über seine gesamte Länge (Abb. 1 + 2).

Eine Niedervolt-Versorgung (5) des Schneiddrahtes unmittelbar durch die metallischen Rohrenden (1) der Trennvorrichtung ist gewährleistet durch die elektrische Trennung der beiden Rohrenden.

4.3. Wirkung der Schneidevorrichtung für berührungsloses Trennen von Polystyrolhartschäumen

Der Schneiddraht (3) wird in Abhängigkeit seiner Länge und seines Durchmessers elektrisch so unter Spannung gesetzt, daß er ohne Kühlung anfangen würde rot zu glühen.

Die Gebläseeinrichtung (4) aber bläst am Schneiddraht (3) von beiden Enden her so entlang, daß die Rotglut verschwindet.

Der Schneidevorgang ist dann wie folgt:
Beim Eintritt des Schneiddrahtes (3) in einen Polystyrolhartschaum wird der Luftstrom durch den Hartschaum zerteilt (Abb. 2).

Innerhalb des Hartschaums ist kein Luftstrom vom Gebläse (4) her vorhanden, so daß innerhalb des Hartschaums die Schneiddrahttemperatur unmittelbar beim Eintritt in den Hartschaum ansteigt und höher wird als die Drahttemperatur außerhalb des Hartschaums (Abb. 4, (10)).

Die Wärmeableitung im Hartschaum ist jetzt geringer als außerhalb desselben. Die parallele, am Draht entlang geblasene Luftmenge ist so groß, daß über die so erzeugte Luftbewegung die Wärmeableitung außerhalb des Hartschaumes, über die (jetzt bewegte) Luft, größer ist als die Wärmeabfuhr durch den Schnittvorgang im Hartschaum.

Bei konventioneller Technik ist die Temperaturverteilung auf dem Schneiddraht eher umgekehrt (Abb. 4, (11)).

Die Schnittgeschwindigkeit ist so einzustellen, daß der Schneiddraht (3) sich jetzt innerhalb eines ihn permanent umgebenden Hitzepolsters (8) bewegt (Abb. 3). Zu große Schnittgeschwindigkeit zerstört durch zu große Wärmeabfuhr das Hitzepolster (8), so daß dann wieder ein mehr mechanischer Schnitt resultiert, was in einer Durchbiegung des Schneiddrahtes zum Ausdruck kommt, die im Schnittbild sichtbar wird.

Zu geringe Schnittgeschwindigkkeit erzeugt eine übermäßige Vergrößerung des Hitzepolsters und führt somit zu einem größeren, unerwünschten Schnittverlust (9). Bei richtiger Schnittgeschwindigkeit ist ein berührungsloser Schnitt bei hoher Schnittleistung gewährleistet.

Das Hitzepolster ist das eigentliche "Schneidwerkzeug" (Die richtige Schnittgeschwindigkeit muß vom Anwender in Abhängigkeit vom verwendeten Hartschaummaterial, z. B. Styrofoam FM der DOW Chemical Europe, zunächst ermittelt werden.)
Zwei gewünschte "Nebeneffekte" steigern die Effiziens dieses Verfahrens nochmals:

• 1. Durch die Kühlung der nicht unmittelbar am Schnitt beteiligten Drahtpartien erhöht sich deren elektrische Leitfähigkeit. Die Folge ist ein erhöhter Strom I, der die am Schnitt beteiligten Drahtpartien zusätzlich mit mehr elektrischer Energie versorgt. Daraus resultiert ein schnelles Nachliefern von, durch den Schneidevorgang verbrauchter, Wärmeenergie.
• 2. Zusätzlich sorgt die zwangsläufige Kühlluftverwirbelung vor dem zu schneidenden Hartschaum (Abb. 2) für einen zusätzlichen leichten Temperaturabfall (Abb. 4, (10)) am Schneiddraht vor den beiden Eintrittsstellen in den Hartschaum, so daß auch sehr feine Strukturen ihre Konturenschärfe behalten.

Die Teile des Schneiddrahtes (3), die während des Schnittvorganges außerhalb des Hartschaums bleiben, sind also kälter als die am Schnitt unmittelbar beteiligte Drahtpartie (Abb. 4, (10))! Somit entsteht prinzipiell kaum eine Verrundung der Schnittkanten durch Abschmelzen und die Dampfentwicklung ist stark eingeschränkt. Die konkave bzw. konvexe Verformung von Kurvenschnitten ist nicht weiter vorhanden.

Erst durch dieses Verfahren ist es möglich, extrem feine Schneiddrähte von z. B. 0,1 mm Durchmesser bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu verwenden. Durch die Berührungslosigkeit des Schnittes ist eine Drahtdurchbiegung oder gar Reißen des Schneiddrahtes nicht zu befürchten. Am Draht anhaftendes Styrol, das beim Abstreifen auf der Schnittfläche dünne Fäden zieht und eine pelzige Oberfläche verursachen würde, kommt praktisch nicht mehr vor.

Claims (1)

1. Vorrichtung für berührungsloses Trennen von Polystyrolhartschäumen, gekennzeichnet durch

   • 1. gerade gespannten, elektrisch zur Rotglut gebrachten Heizleiterdraht (3) und gleichzeitige Luftkühlung (4) der nicht trennenden Heizleiterdrahtenden.
     Vorrichtung für berührungsloses Trennen von Polystyrolhartschäumen, weiter gekennzeichnet dadurch,
   • 2. daß der Heizleiterdraht (3) durch je zwei unterschiedlich große Bohrungen (7) an beiden Einspannpunkten (6) radial durch die Rohrenden (1) der Trennvorrichtung geführt wird, weiter gekennzeichnet dadurch,
   • 3. daß zwei Spannhülsen (2) im Schiebesitz über die Enden der Trennvorrichtung (1) geschoben werden, weiter gekennzeichnet dadurch,
   • 4. daß die beiden Spannhülsen (2) an einer Stirnseite schräg abgelängt sind, und so die Funktionen: Festhalten des Heizleiterdrahtes, elektrische Kontaktierung und Luftstromleitung in einem erfüllen, weiter gekennzeichnet dadurch,
   • 5. daß die Rohrenden (1) der Trennvorrichtung mit geringer Kraft, entsprechend dem verwendeten Heizleiterdraht (3), auseinanderfedern, um die thermische Dehnung nachzuvollziehen, weiter gekennzeichnet dadurch,
   • 6. daß Luft in das Innere der beiden Rohrenden A+B (1) der Trennvorrichtung eingeleitet wird, und diese Luft von beiden Einspannpunkten (6) her parallel am Heizleiterdraht (3) entlang bläst.