EP4377038A1 - Rotierendes oder oszillierendes werkzeug versehen mit metamaterialien zur reduktion von schallabstrahlung und vibrationen - Google Patents
Rotierendes oder oszillierendes werkzeug versehen mit metamaterialien zur reduktion von schallabstrahlung und vibrationenInfo
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- EP4377038A1 EP4377038A1 EP22761072.2A EP22761072A EP4377038A1 EP 4377038 A1 EP4377038 A1 EP 4377038A1 EP 22761072 A EP22761072 A EP 22761072A EP 4377038 A1 EP4377038 A1 EP 4377038A1
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Classifications
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- B23D61/12—Straight saw blades; Strap saw blades
- B23D61/123—Details of saw blade body
Definitions
- the invention relates to a tool for sawing, separating or other metal-cutting manufacturing processes, which is provided with metamaterials for the purpose of reducing sound radiation and vibrations.
- Machining manufacturing processes are usually associated with high noise emissions (airborne and structure-borne noise). This is caused, among other things, by the formation of standing waves in the rotating, oscillating or other periodic movements of the tools when they are operated at certain frequencies.
- standing waves form at a critical speed.
- Saw blades are therefore usually only operated at part of the critical speed, which in turn reduces the cutting performance. It is therefore of interest to design a saw blade in such a way that it has the highest possible critical speed.
- This concept can also be transferred to other rotating or oscillating tools, such as cutting discs, drills, chain saws, chopper knives, cup wheels or cup brushes. In general, it is desirable to avoid noise, oscillations and vibrations, even below such critical frequencies, for occupational health and safety reasons.
- Metamaterials are artificial, mostly periodic, structures that are designed to achieve special conductive, insulating, damping, or reinforcing properties. In this way, structures that form stop bands can be designed, for example. Stop bands are frequency ranges in which the wave propagation only takes place with a strong reduction. In vibroacoustic metamaterials, these concepts are applied to control and manipulate the propagation of elastic and acoustic waves. In this context, the properties of solids such as density, modulus of compression and elasticity are relevant.
- a simple example of such a metamaterial is a structure made of materials with periodically changing refractive indices, realized in the acoustic range, for example, by jumps or inhomogeneity in the elastic parameters of a structure.
- Bragg scattering occurs in such a structure: the sound waves are reflected at the transitions of the refractive indices depending on the frequency.
- Git- terstructure of the inhomogeneities-dependent frequency ranges destructive interference occurs, resulting in a stop band.
- Another possibility for generating stop bands using vibroacoustic metamaterials are periodic arrangements of resonant structures, so-called local resonators.
- the resulting structure behaves in a certain frequency range as if it had a negative effective mass, so that wave propagation for this range is severely impeded.
- the individual resonators In order to create a strong stop band, the individual resonators must all be tuned to the same frequency. If there are deviations in the periodicity and frequency tuning of the resonators, a wider but less pronounced stop band results. By skilfully designing vibroacoustic metamaterials, these effects can also be used to reduce noise, oscillations and vibrations.
- Such a tool comprises a first tool part designed to rotate, oscillate or perform some other periodic movement, a second tool part designed to attach or guide the first tool part and does not move with the first tool part, wherein the tool is provided with an arrangement of local resonators, each of which includes at least one oscillating mass and a spring element that connects the oscillatable mass to the tool and are tuned to at least one resonant frequency in a relevant frequency range around a first Relevant frequency auf exhibit, the arrangement of the local resonators at least one stop band for elastic wave propagation in the tool at least first relevant frequency generated.
- Any object that can be used to process or create another item should be defined as a tool.
- the term thus extends from hand tools to the machining tools of industrial machine tools.
- the tool can be driven directly or indirectly by a motor, hydraulics, pneumatics or by muscle power. It can be designed for cutting, in particular for metal-cutting manufacturing processes such as sawing, drilling, turning or grinding, or for other manufacturing processes or machining.
- Such a tool comprises at least two components.
- a first tool part designed to carry out a manufacturing process, for example material removal. Therefore, the first tool part is designed to rotate, oscillate, or perform some other periodic movement.
- the first tool part is subject both to the forces that act on the tool part through the tool and to the forces that act through the material or workpiece to be machined.
- the first tool part can be designed in one piece. However, it can also be made up of other components, such as cutting edges, discs, axles, bearings, flanges, screws or rivets, which together perform the same movement.
- a second tool part is used to fasten or guide the first tool part and does not carry out the movement of the first tool part.
- the second tool part thus remains immovable in relation to the first tool part.
- the second tool part can be, for example, the handle of a hand tool, a holder, a housing or the support structure of a machine tool.
- the tool is equipped with an arrangement of local resonators to reduce noise emissions and oscillations and vibrations.
- This arrangement of local resonators forms a vibroacoustic metamaterial.
- the individual resonators each consist of at least one oscillating mass and one spring element.
- the oscillating mass can have any shape and dimensions.
- the mass of the vibrating mass is an important factor in frequency tuning of the resonator.
- the oscillating mass can be made of the same material as the surrounding component. However, it can also consist of a different material.
- the spring element has elastic properties. It connects the oscillating mass to the tool. It can be a direct connection or an indirect connection via other components.
- the spring element can be formed in one piece with the oscillating mass, in one piece with the tool, or in one piece with both the tool and the oscillating mass. It can also be a single elastic element, such as a leaf spring, for example.
- the spring element can have any shape and dimensions. In particular, the shape and dimensions of the spring element are important factors in frequency tuning of the resonator.
- the spring element can consist of the same material as the surrounding de component. However, it can also consist of a different material, in particular an elastomer.
- the vibrating mass, the spring element and a certain area of the surrounding material of the tool form a unit cell of the resonator.
- the arrangement of local resonators consists of a spatial repetition of these unit cells.
- Each individual resonator has at least a first relevant resonance frequency.
- the resonant frequency of a resonator is determined by the properties of the entire unit cell.
- the frequency of the resonators can therefore be tuned by varying these properties.
- the unit cells should be sized on the order of half a wavelength of the first frequency of interest, or smaller.
- All local resonators of the metamaterial are tuned to the same, or at least approximately the same resonance frequency. This creates a stop band around this frequency, which greatly attenuates wave propagation in the metamaterial and in the tool provided with it.
- a stop band can be designed that has advantageous properties in the sound emission of a workpiece. vehicle and its vibroacoustic behavior. If the resonators have several resonant frequencies in the relevant frequency range, several stop bands can arise around them. These multiple stop-bands can reduce oscillations in different frequency ranges separately or overlap to form one large stop-band.
- the first tool part can include a saw blade, a cutting disk, a cup wheel, a drum, a blade, bristles or other types of cutting edges for material removal by cutting.
- the tool part may include screws, rivets, nuts, flanges, bearings, and other support structures that serve to mount the first tool part movably throughout the tool so that the first tool part can rotate, oscillate, or perform other periodic movements.
- the arrangement of local resonators can be periodic.
- a periodic structure results from the spatial repetition of the unit cells of the local resonators.
- the spacing of the local resonators from one another in the arrangement of local resonators can be less than half a wavelength of the first relevant frequency in order to ensure advantageous behavior of the arrangement.
- the dispersion behavior of the arrangement can also be direction-independent.
- the periodic arrangement of the local resonators with distances of less than or equal to half a wavelength can also ensure that at least one further stop band is formed in the tool, which is caused by Bragg scattering at the arrangement. In this way, an additional stop band around a further frequency can be used.
- Further stop bands can also be generated by constructing the local resonators in such a way that they have several resonant frequencies. Furthermore, the arrangement of the local resonators can be selected in such a way that additional resonance frequencies result for the arrangement, either by using resonators with different relevant frequencies in the order are used or further stop bands result from the form of the arrangement.
- the stop band can be widened by the first resonance frequency. However, it also loses sharpness, and the reduction of vibrations in this frequency range is less pronounced. However, these effects can be desired.
- the frequency tuning of the individual resonators can change during use of the tool.
- the resonators can each be designed so that their frequency tuning is matched to their position on the tool.
- the oscillating mass and the spring element of the individual resonators can be designed in such a way that all resonators have approximately the same frequency tuning while the tool is being used under the influence of the forces acting.
- the individual resonators for example in the case of a saw blade, can have slightly different masses or spring elements with different stiffnesses, depending on the radius under which they are attached, so that the resonators have the same resonance frequencies when they reach a relevant rotational frequency under the influence of centrifugal force .
- the resonators can also include a damping element.
- a damping element can be, for example, a viscoelastic material that is introduced into the unit cell.
- the shape of the stop band can be influenced by damping. Additional damping of the resonator widens the stop band, which can be a desired effect.
- the arrangement of local resonators can be attached to the first tool part.
- a saw blade, a separating disc, a blade or a drum are connected to the local resonators.
- This structure can make sense, since the reduction of noise emissions, oscillations and vibrations can be directly at the rotating or oscillating ing component that generates the oscillations and vibrations to be reduced. In addition to reduced noise emissions, this may allow further improved operating properties, such as an improved cross-section or a higher rotational frequency of a saw blade. It can be useful if the local resonators are not arranged over the entire surface of the tool part, but instead only in edge regions or in the vicinity of a central bore of a saw blade. This has the advantage that the tool part is only changed to the extent necessary for a desired reduction in vibration and the topology of the tool part can thus be optimized.
- the arrangement of local resonators can be formed in one piece with the first tool part.
- the local resonators can consist of the same material as the first tool part.
- the oscillating mass and spring element of the resonators are then likewise formed in one piece and are defined by their shape.
- the local resonators are thus a fixed part of the first tool part.
- the local resonators can be defined, for example, by recesses in the tool part. These recesses can drive by suitable methods, such as water jet, laser beam or flame cutting, wire EDM or punching, are generated.
- the oscillating masses are then provided by areas of the first tool part that are defined by the recesses and are connected to the rest of the first tool part via the spring elements that are designed as webs.
- the unit cell of the local resonators then consists of the oscillating mass, the spring element, the recesses surrounding it and the adjoining area of the first tool part, with the oscillating mass, spring element and adjoining area being formed in one piece.
- the recesses can accommodate a viscoelastic material that acts as a damping element in the local resonator.
- the local resonators can also be formed in one piece with the first tool part, in that a region of the first tool part designed as an oscillating mass connects to the remaining first tool part via regions reduced stiffness is connected, which represent the spring element.
- This design with areas of reduced rigidity as spring elements can also be combined with the design with recesses in the first tool part.
- the areas of reduced rigidity can, for example, be beads or embossings in the surface of the first tool part. Beads or embossing can be introduced in a technically uncomplicated manner and, in contrast to recesses, do not additionally weaken the tool part.
- the resonators can be implemented in the form of pitch circle segments.
- the local resonators can be arranged particularly close together. Due to the fact that the pitch circle segments are arranged counter to the direction of rotation of a rotating tool part, it is also possible to prevent the resonators from standing up perpendicularly to the surface of the tool part as a result of the rotation.
- the local resonators are not formed in one piece with the first tool part, they can be arranged in recesses in the first tool part. In this way, a space-saving design of the tool part can be guaranteed.
- the local resonators can be arranged in one of the inner layers of the sandwich structure.
- the inner layer can be provided with recesses that form cavities in the layers of the sandwich structure.
- the local resonators can be arranged in these cavities.
- the cavities can be filled with elastomeric materials that surround the oscillating masses and thus represent the spring elements of the local resonators.
- the local resonators can also be placed on the surface of the tool part, with the spring element connecting the oscillating mass to the surface of the tool part perpendicular to it. This can be useful in particular if the static rigidity of the tool part itself is not to be influenced.
- the arrangement of local resonators is positioned in areas of the tool part in which the tool part has the necessary free space in its operation.
- the tool part can have areas of increased or reduced rigidity. Through this, the natural frequencies of the tool part and the resonators can also be corrected.
- the second tool part ie a handle or a holder
- the second tool part can also be provided with an arrangement of local resonators. In this way, vibrations that lead to noise emissions or to unpleasant or dangerous vibrations of the tool can also be reduced in these components.
- the second tool part can basically have the same features as described for the first tool part, but it should be noted that the second tool part does not rotate or oscillate itself and is correspondingly excited by the vibrations of the first tool part or by a drive.
- Fig. 1 shows a saw blade equipped with a local resonant array is provided with gates
- Fig. 2 shows a saw blade as in Fig. 1, in which the local resonators are additionally provided with a damping material,
- 3a shows an alternative embodiment of a saw blade with an arrangement of local resonators and areas of reduced stiffness
- Fig. 3b shows an enlarged view of a portion in Fig. 3a
- 3c shows a local resonator in which a spring element is designed as an area of reduced stiffness
- FIG. 4 shows an alternative embodiment of a saw blade in which the local resonators are designed as pitch circle segments.
- FIG. 5a shows a cross-section through a saw blade in sandwich construction with an arrangement of local resonators
- 5b shows a cross section through a saw blade in sandwich construction with an arrangement of local resonators in an elastomer filling.
- FIG. 6a shows a cross section through a saw blade with an attached arrangement of local resonators
- Fig. 6b shows a circular saw with a saw blade with an attached arrangement of local resonators
- Fig. 7 represents a cut-off wheel provided with an array of local resonators
- Fig. 8 shows a saw blade of a saber saw provided with an array of local resonators
- Figure 9 illustrates a drill bit provided with an array of local resonators
- Fig. 10a represents a table circular saw, the housing of which is provided with an arrangement of local resonators,
- Fig. 10b shows a chain saw whose blade and body is provided with an array of local resonators
- Fig. 10c shows an angle grinder whose handle is provided with an array of local resonators.
- Fig. 1 shows a saw blade 1, which is provided with an array of local resonators 2.
- a single local resonator 2 is shown enlarged.
- the enlargement shows the unit cell of a local resonator 2.
- the resonator consists of an oscillating mass 3 and a spring element 3. These are formed in one piece with the saw blade 1 and can be cut out of it, for example by water jet cutting. Oscillating mass 3 and spring element 4 are thus defined by recess 5 .
- the spring element 4 is formed by a web that connects the vibrating mass 3 with the surrounding structure 6 of the saw blade 1.
- the oscillating mass 3 is thus mounted so that it can oscillate relative to the surrounding structure 6 .
- the resonator 2 has a resonance frequency at which the amplitude of the oscillating mass 3 becomes maximum.
- the gray scale progression in the enlargement provides information about the deformation of a unit cell of the local resonator.
- both the vibrating mass and the spring element 4, as well as areas of the surrounding structure 6 are affected. From this it can be deduced that the natural frequency of the local resonator 2 depends on the configuration of the entire unit cell of the local resonator 2 . In the illustrated embodiment, the natural frequency is determined, among other things, by the elasticity characteristics of the material of the saw blade 1, its thickness, the geometry of the oscillating mass 3 and the geometry of the spring element 4.
- the arrangement of the local resonators extends over the entire saw blade 1.
- the arrangement of the local resonators 2 is periodic and all local resonators 2 have the same frequency tuning.
- the arrangement of local resonators thus forms a metamaterial that has negative effective mass properties in a frequency range around the resonant frequency of the local resonators. If the saw blade 1 is caused to oscillate at this first frequency by an externally driven rotation excited, this is greatly reduced and the vibration energy is absorbed in the local resonators 2. This creates a stop band, ie a frequency range in which wave propagation in the saw blade 1 is suppressed.
- the local resonators can have several resonance frequencies, depending on their design, several stop bands around other frequencies can also form. These stop bands can cover different frequency ranges or overlap so that an enlarged stop band is created. Likewise, the individual local resonators can be designed with slightly different frequency tuning. Although this weakens the vibration reduction in the stop-band range, it is widened. If the local resonators 2 should instead have frequency tuning that is as precise as possible in order to generate a stop band that is as clearly defined as possible, it is particularly important to ensure that additional forces are applied to the individual local resonators 2 during operation of the saw blade 1, depending on their precise arrangement, for example by centrifugal force, which can affect their frequency tuning. It therefore makes sense to include such forces as a function of the position of the respective local resonator when selecting the geometry of the local resonators for frequency tuning.
- the saw blade 1 is divided into four quadrants in which the local resonators 2 are each rotated by 90°, so that when the saw blade 1 rotates in the direction of rotation R, approximately similar forces act on the individual resonators 2 and they do not stand up.
- a saw blade 1 is shown, which corresponds to the saw blade of FIG. 1 widest ge starting.
- a damping material 7 is placed in the recesses 5 . It can be a viscoelastic material. This additional damping allows the stop band of the arrangement of local resonators to be widened. In addition, the damping material 7 closes the recesses 5 and thus prevents chips from getting stuck in them.
- the stop band acts as a kind of low-pass filter, since all frequencies that are greater than the highest frequency of the stop band are also damped.
- the local resonators 2 do not necessarily have to be formed in one piece with the saw blade. You can also be set up individually and fixed in recesses 5. 1 and 2, but in which the oscillating masses 3 are not formed from the material of the saw blade 1 and are connected to the surrounding structures 6 of the unit cell via a web. Instead, the local resonators 2 can consist of an elastic or viscoelastic material 7 as a spring element 4 with an embossed oscillating mass 3, for example formed by a sheet metal disc. These local resonators can be designed according to the requirements for their frequency tuning and only then are they used in the recesses are introduced so that there are simpler and freer voting options.
- Fig. 3a shows an alternative embodiment of a saw blade 1 with an array of local resonators 2.
- Fig. 3b shows an enlarged cut from this embodiment.
- the local resonators 2 are arranged along concentric areas of reduced stiffness 8 . It can be beading, embossing or recesses in the thickness of the saw blade 1 produced by machining. Since these areas of reduced rigidity 8 also affect the webs that represent the spring elements 4, the natural frequency of the local resonators can also be adjusted in this way. This procedure can be particularly useful for thick tool parts in order to enable frequency tuning at low frequencies. It can also be useful to provide part 1 of a tool with areas of increased rigidity in order to allow further frequency adjustments.
- a further alternative are local resonators, which are not based on recesses 5 but use areas of reduced rigidity 8 in order to realize spring elements 4 .
- Such an embodiment is shown in Fig. 3c.
- Such flexible membrane surfaces 8 can be worked out by embossing or machining processes, which act as spring elements 4 for the surfaces enclosed by them as oscillating masses 3 .
- This embodiment can be advantageous since the tool part does not have to be weakened by the recesses 5 and this results in a continuous upper surface.
- FIG. 1 Another possible arrangement of local resonators 2 on a saw blade 1 is shown in FIG.
- the local resonators 2 are designed as partial circle segments. This enables the local resonators to be arranged as densely as possible and avoids the resonators being set up in rotation. While the pitch circle segments are defined as oscillating masses 3 by the recesses 5, in this embodiment the side of the segment that connects it to the surrounding structure of the saw blade forms the spring element 4.
- This embodiment can of course also be provided with a damping material 7, as shown in Fig. 2, or with areas of reduced stiffness speed as in Fig. 3a are combined. Other arrangements of local resonators are also conceivable, which impart further advantageous properties.
- the arrangements of the local resonators are each distributed approximately over the entire surface of the saw blade 1 .
- the arrangement it is also conceivable for the arrangement to take place only in certain areas of the tool part if a sufficient reduction in vibration can already be achieved in this way.
- individual concentric sections from the arrangement of local resonators could be omitted in FIG. 3a. This can have the advantage that the tool part is less weakened in its static rigidity.
- the resonators 2 could, for example, also be arranged after a topology optimization of the saw blade 1 in the areas in which material was removed for optimization.
- FIGS. 5a and 5b show versions of a saw blade 1 which have a sandwich structure, ie which consist of several layers.
- the local resonators 2 can be arranged within the saw blade 1, in recesses in the middle layer or inner layers of the sandwich structure.
- a saw blade in cross section is shown in each of FIGS. 5a and 5b.
- the saw blade has a saw toothing 9 and a flange 11, which forms a middle part of the saw blade 1 and has a central bore.
- the actual body of the saw blade 1 consists of at least three layers, two of which form the surfaces of the saw blade 1. At least one inner layer is arranged between these. These inner layers have recesses that form cavities in the saw blade 1 .
- these cavities can make up a large part of the inner layers, as shown schematically in the figures. However, it can also be individual local recesses.
- the local resonators are arranged in the cavities.
- the local resonators are shown schematically as oscillating masses that are attached to individual spring elements.
- the oscillating masses can be, for example, sheet metal disks and the elements Federele can be designed as spiral or leaf springs or by an elastic material.
- the remaining cavity in the saw blade 1 remains luftge filled.
- Fig. 5b an embodiment is shown in which the Cavity is filled with an elastomer 10. This forms the spring elements of the local resonators, while the oscillating masses are in turn designed as impressed mass elements.
- the arrangements of the local resonators 2 in the saw blades of FIGS. 5a and 5b fulfill the same conditions as described for the metamaterials in FIGS. 1 to 4 with regard to their frequency tuning and spacing, and can be varied in the same way.
- the advantages of arranging the local resonators 2 in a sandwich structure are that the local resonators 2 are protected against external influences and the surface of the saw blade 1 remains sealed throughout and has no additional structures that could interfere with the use of the saw blade 1 .
- FIGS. 6a and 6b Other possibilities for attaching non-one-piece designs of local resonators 2 to a tool part in such a way that its use is negatively influenced as little as possible are shown schematically in FIGS. 6a and 6b.
- the arrangements of the local resonators 2 are not distributed over the entire surface of the saw blade, but only attached in certain areas.
- FIG. 6a shows a cross section through a saw blade 1 in which the local resonators are concentrated on an edge area and arranged within the clearance of the interlocking of the saw teeth 9.
- FIG. When using the saw blade 1, the local resonators do not come into contact with the material 13 to be sawn.
- the arrangement of the local resonators 2 can also be concentrated in an area in the vicinity of the central bore of the saw blade 1.
- FIG. 6b This embodiment is illustrated in FIG. 6b using the example of a table saw.
- the local resonators 2 are arranged in a central area of the saw blade 2 in such a way that they do not come into contact with the table 12 and the material to be sawn 13 during operation.
- the local resonators 2 do not extend over the entire surface of the tool part, however, it must be ensured that there is still a sufficient reduction in vibration.
- Fig. 7 shows a cutting disk 14 for use in a cutting or Win kelschleifer. Such cutting discs are operated at high speeds and are usually made of steel or synthetic resin composites.
- the arrangement of the local resonators 2 shown corresponds to that shown in FIG. Since separating disks are often produced in a sandwich construction, an arrangement of local resonators in a sandwich structure, as shown in FIG. 5a or 5b, also lends itself to them.
- FIG 8 shows a saw blade 15 of a saber or jigsaw.
- a saw blade 15 is generally driven by an electric motor to oscillate movement.
- the saw blade 15 can be provided with an arrangement of local resonators 2 which are designed in one piece with the saw blade 15 .
- a closed band saw blade could also be provided with local resonators.
- FIG. 9 shows a drill bit or hole saw 16 in which the arrangement of the local resonators 2 extends along the circumference in order to dampen vibrations caused by the rotation.
- This principle can also be applied to cup wheels, polishing pads and holders for cup brushes.
- the principle of a metamaterial consisting of an arrangement of local resonators for vibration damping can therefore be applied to a large number of different tool parts in order to reduce the noise emissions produced by them and to have other advantages, such as an improved cross-section, reduced material stress or improved operational safety through the re to achieve the reduction of disturbing vibrations.
- this principle can be applied not only to the moving tool parts, but also to other tool parts such as load-bearing structures, brackets or guides.
- This can be, for example, the handles of tools, their housing or the supporting structure of a machine tool.
- it can also be guide elements such as the blade of a chainsaw. examples are in 10a, 10b and 10c.
- These tool parts do not move actively, but are excited to vibrate by the rotating or oscillating movement of the first tool part or by a drive. These vibrations can also be problematic, since they can lead to material fatigue in the second tool part, to additional noise emissions, to uncomfortable handling for the user or even to safety risks. It can therefore make sense to also provide such a second tool part with an arrangement of local resonators in order to dampen the relevant vibrations.
- a table circular saw 17 is shown. This includes a saw blade 1 which can be provided with an arrangement of local resonators 2 .
- the table saw 17 also consists of a table 12 and a housing 18, which carries the structure described and a drive. In order to reduce vibrations of the housing 18, it is provided with an array of local resonators. As a result, the noise emission can be reduced and the sectional image of the circular table saw 17 can be improved.
- Fig. 10b a chain saw 19 is shown. Since the saw chain, that is to say the actually moving tool part, cannot be provided with a metamaterial for vibration reduction, the blade 20 guiding the saw chain is provided with an arrangement of local resonators 2 instead.
- FIG. 10c This includes a cutting disk 14, which can be provided with an arrangement of local resonators 2 hen.
- the handle 23 is also provided with local resonator arrays to ensure lower noise emission and safer handling by reducing vibrations.
Landscapes
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Abstract
Werkzeug, umfassend ein erstes Werkzeugteil (1, 14, 15, 16), das dazu ausgelegt ist zu rotieren, zu oszillieren oder eine andere periodische Bewegung auszuführen, ein zweites Werkzeugteil (18, 20, 21, 23), 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 (2) versehen ist, die jeweils mindestens eine schwingende Masse (3) und ein Federelement (4), das die schwingfähige Masse (3) mit dem Werkzeug verbindet, umfassen und darauf abgestimmt sind, mindestens eine Resonanz in einem relevanten Frequenzbereich um eine erste relevante Frequenz aufzuweisen, wobei die Anordnung der lokalen Resonatoren (2) mindestens ein Stoppband für elastische Wellenausbreitung in dem Werkzeug um mindestens die erste relevante Frequenz erzeugt.
Description
Rotierendes oder oszillierendes Werkzeug versehen mit Metamaterialien zur
Reduktion von Schallabstrahlung und Vibrationen
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Sägen, Trennen oder für andere spa- nende Fertigungsverfahren, das zum Zwecke der Reduktion von Schallabstrah lung und Vibrationen mit Metamaterialien versehen ist.
Spanende Fertigungsverfahren gehen in der Regel mit hoher Schallemission (Luft- und Körperschall) einher. Diese entsteht unter anderem durch die Aus- bildung von stehenden Wellen in den rotierenden, oszillierenden oder andere periodische Bewegungen ausführenden Werkzeugen, wenn diese bei gewis sen 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 Schnittleis tung 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 Topf bürsten übertragen. Im Allgemeinen ist es erwünscht, Lärm, Schwingungen und Vibrationen, auch unterhalb solcher kritischen Frequenzen, aus Arbeits schutzgründen zu vermeiden.
Bei Sägeblättern werden zur Lärmreduktion zum Beispiel spezielle Sägezahn geometrien, 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 ver ändert 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.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion von Schallemission, Schwingungen und Vibrationen ist die Verwendung von sogenannten vibroakustischen Me tamaterialien. Bei Metamaterialien handelt es sich um künstliche, meist peri odische, Strukturen, die dazu ausgelegt sind, besondere leitende, isolierende, dämpfende oder verstärkende Eigenschaften zu erzielen. Auf diese Weise las sen sich zum Beispiel Strukturen gestalten, die Stoppbänder ausbilden. Stopp bänder sind Frequenzbereiche in denen die Wellenausbreitung nur stark ab geschwächt 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 Elastizi tätsmodul 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 Inhomo genität 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 Git-
terstruktur der Inhomogenitäten abhängigen Frequenzbereichen kommt es zu destruktiver Interferenz, sodass ein Stoppband entsteht. Eine weitere Mög lichkeit zur Erzeugung von Stoppbändern durch vibroakustische Metamateria lien sind periodische Anordnungen von resonanten Strukturen, sogenannte lokale Resonatoren. Durch die Interaktionen der lokalen Resonatoren mit ih rer Umgebung verhält sich die resultierende Struktur in einem bestimmten Frequenzbereich, als hätte sie eine negative effektive Masse, sodass die Wel lenausbreitung für diesen Bereich stark behindert wird. Um ein stark ausge prägtes 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.
Aufgabe der vorliegenden Schutzanmeldung ist es daher, ein Werkzeug vorzu schlagen, das durch die Verwendung solcher Metamaterialien reduzierte Schwingungen, Vibrationen und Schallemissionen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
Ein solches Werkzeug umfasst ein erstes Werkzeugteil, das dazu ausgelegt ist zu rotieren, zu oszillie ren 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 be wegt, wobei das Werkzeug mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren versehen ist, die jeweils mindestens eine schwingende Masse und ein Fe derelement, das die schwingfähige Masse mit dem Werk-zeug verbindet, um fassen und darauf abgestimmt sind, mindestens eine Resonanzfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich um eine erste relevante Frequenz aufzu weisen, wobei die Anordnung der lokalen Resonatoren mindestens ein Stopp band für elastische Wellenausbreitung in dem Werkzeug um mindestens die
erste relevante Frequenz erzeugt.
Als Werkzeug soll hier jedes Objekt definiert werden, dass dazu benutzt wer den kann, einen anderen Gegenstand zu bearbeiten oder herzustellen. Der Begriff erstreckt sich somit von Handwerkzeugen bis zu den Bearbeitungs werkzeugen 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.
Ein solches Werkzeug umfasst mindestens zwei Bauteile. Ein erstes Werkzeug teil, das zum Ausführen eines Fertigungsverfahrens gestaltet ist, beispielswei se 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 zu sammengesetzt sein, die zusammen die gleiche Bewegung ausführen.
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 Trags truktur einer Werkzeugmaschine handeln.
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.
Die schwingende Masse kann aus demselben Material bestehen wie das um gebende 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 Bei spiel um eine Blattfeder, handeln. Das Federelement kann eine beliebige Form und Abmessung haben. Insbesondere sind Form und Abmessung des Fe derelements wichtige Faktoren bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement kann aus demselben Material bestehen wie das umgeben de 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.
Jeder einzelne Resonator besitzt mindestens eine erste relevante Resonanz frequenz. Bei einer Anregung mit einer Resonanzfrequenz wird die Amplitude der Schwingung des Resonators maximal. Die Resonanzfrequenz eines Re sonators wird dabei durch die Eigenschaften der gesamten Einheitszelle be stimmt. Es spielt also neben der Masse der schwingenden Masse und des Fe derelements 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 Ei genschaften erfolgen. Die Einheitszellen sollten in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, oder kleiner, dimensio niert sein.
Alle lokalen Resonatoren des Metamaterials sind auf die gleiche, oder zumin dest 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 Werk-
zeugs und dessen vibroakustischen Verhaltens aufweist. Weisen die Resona toren mehrere Resonanzfrequenzen in dem relevanten Frequenzbereich auf, so können mehrere Stoppbänder um diese entstehen. Diese mehreren Stopp bänder können getrennt Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzberei chen reduzieren oder sich überlappen und so ein großes Stoppband bilden.
Das erste Werkzeugteil kann ein Sägeblatt, eine Trennscheibe, einen Schleif topf, 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 um fassen, 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.
Die Anordnung von lokalen Resonatoren kann periodisch sein. Eine periodi sche Struktur ergibt sich aus der räumlichen Wiederholung der Einheitszellen der lokalen Resonatoren.
Der Abstand der lokalen Resonatoren zueinander in der Anordnung von loka len Resonatoren kann kleiner sein als eine halbe Wellenlänge der ersten rele vanten Frequenz, um ein vorteilhaftes Verhalten der Anordnung zu gewähr leisten. Zusammen mit Einheitszellen der lokalen Resonatoren in der Größen ordnung einer halben Wellenlänge der ersten Frequenz kann so auch das Dis persionsverhalten der Anordnung richtungsunabhängig sein.
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.
Weitere Stoppbänder lassen sich auch erzeugen, in dem die lokalen Resonato ren 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 An-
Ordnung verwendet werden oder sich weitere Stoppbänder durch die Form der Anordnung ergeben.
Sind die einzelnen lokalen Resonatoren leicht unterschiedlich abgestimmt, lässt sich das Stoppband um die erste Resonanzfrequenz verbreitern. Es ver liert dabei jedoch auch an Schärfe, die Reduktion von Schwingungen in diesem Frequenzbereich fällt weniger stark aus. Diese Effekte können jedoch er wünscht sein.
Je nachdem wo die lokalen Resonatoren an dem Werkzeug angebracht sind, können unterschiedliche Kräfte auf sie wirken. Dadurch kann sich die Fre quenzabstimmung 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 wirken den 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 Mas sen oder Federelemente mit unterschiedlicher Steifigkeit aufweisen, so dass die Resonatoren beim Erreichen einer relevanten Drehfrequenz unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft die gleichen Resonanzfrequenzen aufweisen.
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.
Die Anordnung lokaler Resonatoren kann an dem ersten Werkzeugteil ange bracht sein. In diesem Fall ist also beispielsweise ein Sägeblatt, eine Trenn scheibe, eine Klinge oder eine Trommel mit den lokalen Resonatoren verse hen. Dieser Aufbau kann sinnvoll sein, da die Reduktion der Schallemission, der Schwingungen und Vibrationen so direkt an dem rotierenden oder oszillie-
renden Bauteil stattfindet, das die zu reduzierenden Schwingungen und Vibra tionen erzeugt. Dies ermöglicht unter Umständen neben einer reduzierten Schallemission weitere verbesserte Betriebseigenschaften, wie ein verbesser tes 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 bei spielsweise 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.
Die Anordnung lokaler Resonatoren kann einteilig mit dem ersten Werkzeug teil 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 Werkzeug teils.
Die lokalen Resonatoren können beispielsweise durch Aussparungen in dem Werkzeugteil definiert sein. Diese Aussparungen können durch geeignete Ver fahren, 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.
Die Aussparungen können ein viskoelastisches Material aufnehmen, die als dämpfendes Element in dem lokalen Resonator wirkt.
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 kom biniert werden.
Bei den Bereichen verminderter Steifigkeit kann es sich beispielsweis um Si cken 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.
Insbesondere auf rotierenden, scheibenförmigen ersten Werkzeugteilen wie Sägeblättern können die Resonatoren in Form von Teilkreissegmenten ausge führt sein. In dieser Form könne die lokalen Resonatoren besonders dicht an geordnet werden. Dadurch, dass die Teilkreissegmente entgegen der Dreh richtung eines rotierenden Werkzeugteils angeordnet werden, kann außer dem verhindert werden, dass sich die Resonatoren durch die Rotation senk recht zur Oberfläche des Werkzeugteils aufstellen.
Auch wenn die lokalen Resonatoren nicht einteilig mit dem ersten Werkzeug teil ausgebildet sind, können sie in Aussparungen im ersten Werkzeugteil an geordnet sein. Auf diese Weise lässt sich eine platzsparende Bauform des Werkzeugteils gewährleisten.
Weist das erste Werkzeugteil eine Sandwichstruktur aus mindestens drei Schichten auf, so können die lokalen Resonatoren in einer der inneren Schich ten 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 Federelemen te der lokalen Resonatoren darstellen. Durch einen Aufbau des ersten Werk zeugteils in Sandwichbauweise lässt sich die Anordnung der lokalen Resonato ren platzsparend und geschützt ausführen, während gleichzeitig die Oberflä che des Werkzeugteils unbeeinflusst bleibt, was bei gewissen Anwendungen für trennende Verfahren sinnvoll sein kann.
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 Werkzeug teils positioniert ist, in denen das Werkzeugteil ins seinem Betrieb den not wendigen Freiraum hat.
Zusätzlich zu der Anordnung lokaler Resonatoren kann das Werkzeugteil Be reiche erhöhter oder verringerter Steifigkeit aufweisen. Durch diese können die Eigenfrequenzen des Werkezugteils und der Resonatoren zusätzlich abge stimmt werden.
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 gefährli chen Vibrationen des Werkzeugs führen, reduziert werden. Das zweite Werk zeugteil 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.
Die beschriebenen Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert wer den, um zusätzliche Effekte zu erzielen und ein Werkzeug zu bieten, das zur Reduktion von Schwingungen mit Metamaterialien in Form von lokalen Re sonatoren versehen ist.
Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich an hand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
Fig. 1 ein Sägeblatt darstellt, das mit einer Anordnung lokaler Resona-
toren versehen ist,
Fig. 2 ein Sägeblatt wie in Fig. 1 darstellt, bei dem die lokalen Resona toren zusätzlich mit einem Dämpfungsmaterial versehen sind,
Fig. 3a eine alternative Ausführungsform eines Sägeblatts mit einer Anordnung lokaler Resonatoren und Bereichen verringerter Steifigkeit darstellt,
Fig. 3b eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs in Fig. 3a zeigt,
Fig. 3c einen lokalen Resonator darstellt, bei dem ein Federelement als ein Bereich verringerter Steifigkeit ausgeführt ist,
Fig. 4 eine Alternative Ausführungsform eines Sägeblatts darstellt bei der die lokalen Resonatoren, als Teilkreissegmente ausgeführt sind,
Fig. 5a einen Querschnitt durch ein Sägeblatt in Sandwichbauweise mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren darstellt,
Fig. 5b einen Querschnitt durch ein Sägeblatt in Sandwichbauweise mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren in Elastomerfüllung dar stellt,
Fig. 6a einen Querschnitt durch ein Sägeblatt mit einer aufgesetzten Anordnung von lokalen Resonatoren darstellt,
Fig. 6b eine Kreissäge mit einem Sägeblatt mit einer aufgesetzten An ordnung von lokalen Resonatoren darstellt,
Fig. 7 eine Trennscheibe darstellt, die mit einer Anordnung lokaler Re sonatoren versehen ist,
Fig. 8 ein Sägeblatt einer Säbelsäge darstellt, das mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist,
Fig. 9 eine Bohrkrone darstellt, die mit einer Anordnung lokaler Re sonatoren versehen ist,
Fig. 10a eine Tischkreissäge darstellt, deren Gehäuse mit einer Anord nung lokaler Resonatoren versehen ist,
Fig. 10b eine Kettensäge darstellt, deren Blatt und Gehäuse mit einer Anordnung lokaler Resonatoren versehen ist, und Fig. 10c einen Winkelschleifer darstellt, dessen Griff mit einer Anord nung lokaler Resonatoren versehen ist.
Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleiten den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugs zeichen auf gleiche Elemente.
In Fig. 1 bis Fig. 6b wird das Konzept des beanspruchten Gegenstandes am Beispiel eines Kreissägeblattes 1 dargestellt. Die gezeigten Ausführungen las sen sich jedoch mit nur geringer konstruktiver Abwandlung auch auf andere erste Werkzeugteile, wie zum Beispiel in Fig. 7, 8 und 9, anwenden um die gleichen Vorteile zu erzielen.
Fig. 1 stellt ein Sägeblatt 1 dar, das mit einer Anordnung von lokalen Resona toren 2 versehen ist. Ein einzelner lokaler Resonator 2 ist vergrößert darge stellt. 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 beispiels weise 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 schwin gende 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 Graustufenver lauf in der Vergrößerung gibt Aufschluss über die Verformung einer Einheits zelle des lokalen Resonators. Wie zu sehen ist, sind davon sowohl die schwin gende 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 Eigen frequenz 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.
Die Anordnung der lokalen Resonatoren erstreckt sich über das gesamte Sä geblatt 1. Die Anordnung der lokalen Resonatoren 2 ist periodisch und alle lokalen Resonatoren 2 weisen dieselbe Frequenzabstimmung auf. Die Anord nung 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 an-
geregt, 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 unter drückt wird.
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 Metama terials liegt, so können diese Wellen stark gedämpft werden, sodass sich die Schallemission reduzieren lässt. Da die Ausbildung der stehenden Wellen au ßerdem 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.
Da die lokalen Resonatoren je nach ihrer Ausführung mehrere Resonanzfre quenzen haben können, können sich so auch mehrere Stoppbänder um weite re 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 ge schwächt, 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 Säge blatts 1 je nach ihrer genauen Anordnung zusätzliche Kräfte, beispielsweise durch die Zentrifugalkraft, wirken können, die sich auf ihre Frequenzabstim mung 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.
Ein zusätzlicher Effekt ergibt sich durch die periodische Anordnung der lokalen
Resonatoren 2. Diese stellen Inhomogenitäten in den Parametern des Materi als 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 entste hen, die nicht der ersten Frequenz der lokalen Resonatoren entsprechen muss. Auch dieses Stoppband lässt sich ausnutzen, um unerwünschte Schwin gungen des Sägeblattes 2 zu unterbinden und so die Schallemission zu redu zieren.
Das Sägeblatt 1 ist in vier Quadranten geteilt, in denen die lokalen Resonato ren 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.
In Fig. 2 ist ein Sägeblatt 1 dargestellt, das dem Sägeblatt aus Fig. 1 weitestge hend 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 An ordnung 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 Re sonator das Stoppband als eine Art Tiefpassfilter, da alle Frequenzen, die grö ßer sind als die höchste Frequenz des Stoppbandes, ebenfalls eine Dämpfung erfahren.
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 Fig. 1 und Fig. 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 ver bunden sind. Stattdessen könne die lokalen Resonatoren 2 aus einem elasti schen oder viskoelastischen Material 7 als Federelement 4 mit einer einge prägten schwingenden Masse 3, beispielsweise durch eine Blechscheibe aus gebildet, 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 Abstim mungsmöglichkeiten ergeben.
Fig. 3a zeigt eine alternative Ausführungsform eines Sägeblattes 1 mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2. Fig. 3b zeigt einen vergrößerten Aus schnitt dieser Ausführungsform. In dieser Ausführung sind die lokalen Resona toren 2 entlang von konzentrischen Bereichen verminderter Steifigkeit 8 an geordnet. Es kann sich dabei um Sicken, Prägungen oder mit spanenden Ver fahren 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 Re sonatoren zusätzlich einstellen. Dieses Vorgehen kann insbesondere bei di cken Werkzeugteilen sinnvoll sein, um eine Frequenzabstimmung bei niedri gen Frequenzen zu ermöglichen. Ebenso kann es sinnvoll sein, ein Werkzeug teil 1 mit Bereichen erhöhter Steifigkeit zu versehen, um weitere Frequenzab stimmungen zu ermöglichen.
Eine weitere Alternative sind lokale Resonatoren, die nicht auf Aussparungen 5 basieren, sondern Bereiche verminderter Steifigkeit 8 verwendet, um Fe derelemente 4 zu realisieren. Eine solche Ausführung ist in Fig. 3c dargestellt. Durch Prägen oder spanende Verfahren könne solche flexiblen Membranflä chen 8 herausgearbeitet werden, die als Federelemente 4 für die von ihnen eingeschlossenen Flächen als schwingenden Massen 3 wirken. Diese Ausfüh rungsform kann vorteilhaft sein, da das Werkzeugteil so nicht durch die Aus sparungen 5 geschwächt werden muss und sich so eine durchgehende Ober fläche ergibt.
Eine weitere mögliche Anordnung von lokalen Resonatoren 2 auf einem Säge blatt 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind die lokalen Resonatoren 2 als Teil kreissegmente 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 Fig. 2, oder mit Bereichen verminderter Steifig-
keit wie in Fig. 3a kombiniert werden. Ebenso sind andere Anordnungen von lokalen Resonatoren denkbar, die weitere vorteilhafte Eigenschaften verlei hen.
In Fig. 1 bis Fig. 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 Werkzeug teils erfolgt, wenn sich so bereits eine hinreichende Schwingungsreduktion erreichen lässt. Beispielsweise könnten in Fig. 3a einzelne konzentrische Ab schnitte der Anordnung lokaler Resonatoren ausgelassen werden. Dies kann den Vorteil haben, dass das Werkzeugteil in seiner statischen Steifigkeit weni ger 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.
Fig. 5a und Fig. 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 Sand wichstruktur, angeordnet sein. In Fig. 5a und Fig. 5b ist jeweils ein Sägeblatt lim 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 Säge blatts 1 ausbilden. Zwischen diesen ist mindestens eine innere Schicht ange ordnet. 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 sche matisch dargestellt ist. Es kann sich aber auch um einzelne lokale Aussparun gen handeln. In den Hohlräumen sind die lokalen Resonatoren angeordnet. In Fig. 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 Federele mente können als Spiral- oder Blattfedern oder durch ein elastisches Material ausgebildet sein. Der restliche Hohlraum in dem Sägeblatt 1 verbleibt luftge füllt. Alternativ ist in Fig. 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 Fig. 5a und 5b erfüllen bezüglich ihrer Frequenzabstimmung und Abstände die gleichen Bedingungen, die für die Metamaterialien in Fig. 1 bis Fig. 4 beschrieben wurden, und können auf die gleiche Weise variiert werden. Vorteile der Anordnung der lokalen Resonato ren 2 in einer Sandwichstruktur sind, dass die lokalen Resonatoren 2 so gegen äußere Einflüsse geschützt sind und die Oberfläche des Sägeblatts 1 durch gängig abgeschlossen bleibt und keine zusätzlichen Strukturen aufweist, die in der Nutzung des Sägeblatts 1 störend sein könnten.
Weitere Möglichkeiten, nicht-einteilige Ausführungen lokaler Resonatoren 2 so auf einem Werkzeugteil anzubringen, dass dessen Nutzung dadurch mög lichst geringfügig negativ beeinflusst wird, sind in Fig. 6a und 6b schematisch dargestellt. In beiden Darstellungen sind die Anordnungen der lokalen Re sonatoren 2 nicht vollflächig über das Sägeblatt verteilt, sondern nur in gewis sen Bereichen angebracht. Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurden die verwende ten Metamaterialien zur Schwingungsreduktion jeweils am Beispiel eines Sä geblatts 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 Vibrati-
onen und dadurch zu Schallemissionen kommt. Dies soll in Fig. 7 bis 9 ver deutlicht werden.
Fig. 7 zeigt eine Trennschreibe 14 zur Verwendung in einem Trenn- oder Win kelschleifer. Solche Trennscheiben werden mit einer hohen Drehzahl betrie ben und bestehen in der Regel aus Stahl oder Kunstharzverbunden. Die darge stellte Anordnung der lokalen Resonatoren 2 entspricht dabei der in Fig. 1 gezeigten. Da Trennscheiben oft in Sandwichbauweise produziert werden, bietet sich für sie auch Anordnung von lokalen Resonatoren in Sandwichstruk tur wie in Fig. 5a oder 5b an.
Fig. 8 zeigt ein Sägeblatt 15 einer Säbel- oder Stichsäge. Ein solches Sägeblatt 15 wird in der Regel durch einen Elektromotor zu einer oszillierenden Bewe gung 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 geschlosse nes Bandsägeblatt könnte mit lokalen Resonatoren versehen sein.
Fig. 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 Topf bürsten anwenden.
Das Prinzip eines Metamaterial bestehend aus einer Anordnung lokaler Re sonatoren zur Schwingungsdämpfung lässt sich also auf eine Vielzahl ver schiedener Werkzeugteile anwenden, um an diesen entstehende Schallemis sion zu reduzieren und weitere Vorteile, wie ein verbessertes Schnittbild, ver ringerte Materialbelastung oder verbesserte Betriebssicherheit durch die Re duktion von störenden Schwingungen zu erreichen.
Ebenso ist zu erwähnen, dass dieses Prinzip nicht nur auf die sich bewegenden Werkzeugteile angewendet werden kann, sondern auch auf weitere Werk zeugteile, 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
Fig. 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 Material ermüdung im zweiten Werkzeugteil, zu zusätzlichen Schallemissionen, zu ei ner unangenehmen Handhabung für den Nutzer oder sogar zu Sicherheitsrisi ken führen können. Daher kann es durchaus sinnvoll sein, ein solches zweites Werkzeugteil ebenfalls mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren zu ver sehen, um die relevanten Schwingungen zu dämpfen.
In Fig. 10a ist eine Tisch kreissäge 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 Resonato ren versehen. Dadurch kann die Schallemission verringert und das Schnittbild der Tischkreissäge 17 verbessert werden. In Fig. 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 verbes sern lässt. In Fig. 10c ist ein Winkelschleifer 22 dargestellt. Dieser umfasst eine Trennscheibe 14, die mit einer Anordnung von lokalen Resonatoren 2 verse hen 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.
Durch die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien auf der Basis von lokalen Resonatoren lassen sich somit im Allgemeinen Werkzeuge kon struieren, die eine reduzierte Schallabstrahlung aufweisen und dennoch den Anforderungen vielfältiger Einsatzzwecke genügen.
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 offensicht lich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen wer- den können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser
Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.
Claims
1. Werkzeug, umfassend ein erstes Werkzeugteil (1, 14, 15, 16), das dazu ausgelegt ist zu rotieren, zu oszillieren oder eine andere periodische Bewegung auszu führen, ein zweites Werkzeugteil (18, 20, 21, 23), 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 Resona toren (2) versehen ist, die jeweils mindestens eine schwingende Masse (3) und ein Federelement (4), das die schwingfähige Masse (3) mit dem Werkzeug verbindet, umfassen und darauf abgestimmt sind, mindes tens eine Resonanz in einem relevanten Frequenzbereich um eine ers te relevante Frequenz aufzuweisen, wobei die Anordnung der lokalen Resonatoren (2) mindestens ein Stoppband für elastische Wellenausbreitung in dem Werkzeug um mindestens die erste relevante Frequenz erzeugt.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (1, 14, 15, 16) ein Sägeblatt (1, 15), eine Trennscheibe (14), eine Bohrkrone (16), einen Schleiftopf, eine Trommel, eine Klinge oder Borsten umfasst.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der lokalen Resonatoren (2) periodisch ist.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der lokalen Resonatoren (2) zueinander kleiner als eine halbe Wellen länge der ersten relevanten Frequenz ist.
5. Werkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die periodische Anordnung der lokalen Resonatoren (2) auf-
grund von Bragg-Streuung mindestens ein weiteres Stoppband für elastische Wellenausbreitung um mindestens eine weitere Frequenz ausbildet.
6. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Anordnung von lokalen Resonatoren (2) so be schaffen ist und/oder die lokalen Resonatoren (2) so ausgebildet sind, dass mehrere Stoppbänder für die elastische Wellenausbreitung in dem Werkzeug erzeugt werden.
7. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die einzelnen Resonatoren eine geringfügig unter schiedliche Frequenzabstimmung aufweisen, so dass das mindestens eine Stoppband verbreitert wird.
8. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Federelement und/oder die schwingende Mas se jedes lokalen Resonators jeweils auf eine Position des lokalen Re sonators in der Anordnung von lokalen Resonatoren abgestimmt ist, sodass die lokalen Resonatoren unabhängig von der Position und an dieser Position wirkenden Kräften eine annähernd gleiche Frequenzab stimmung aufweisen.
9. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die lokalen Resonatoren zusätzlich ein Dämpfungs element (7) umfassen.
10. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (1, 14, 15, 16) mit der An ordnung von lokalen Resonatoren (2) versehen ist.
11. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Resonatoren (2) einteilig mit dem ersten Werkzeugteil (1, 14, 15, 16) ausgebildet sind.
12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingenden Massen (3) Bereiche des ersten Werkzeugteils (1, 14,
15, 16) sind, die durch Aussparungen (5) im Werkzeugteil definiert sind und dass die Federelemente (4) Stege sind, die diese Bereiche mit dem Werkzeugteil (1, 14, 15, 16) verbinden.
13. Werkzeug nach Anspruch 12, dadurch definiert, dass die Aussparungen (5) mit einem dämpfenden Material (7) gefüllt sind.
14. Werkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich net, dass die schwingenden Massen (3) Bereiche des ersten Werkzeug teils (1, 14, 15 ,16) sind, die von Bereichen verminderter Steifigkeit (8) umgeben sind und dass die Federelemente (4) durch diese Bereiche verminderter Steifigkeit (8) ausgebildet sind.
15. Werkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Berei che verminderter Steifigkeit (8) als Sicken oder Prägungen ausgebildet sind.
16. Werkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich net, dass die lokalen Resonatoren (2) als Teilkreissegmente ausgeführt sind.
17. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Resonatoren (2) in Aussparungen des ersten Werkzeugteils angeord net sind.
18. Werkzeug nach Anspruch 10, wobei das erste Werkzeugteil (1, 14, 15 ,16) eine Sandwichstruktur aus mindestens drei Schichten aufweist und die lokalen Resonatoren in einer inneren Schicht der Sandwich struktur angeordnet sind.
19. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Resonatoren (2) auf eine Oberfläche des ersten Werkzeugteils (1, 14,
15 ,16) aufgesetzt sind.
20. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das erste Werkzeugteil (1, 14, 15 ,16) Bereiche verminderter oder erhöhter Steifigkeit (8) aufweist.
21. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das zweite Werkzeugteil (18, 20, 21, 23) mit der Anordnung von lokalen Resonatoren (2) versehen ist.
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JPH069765Y2 (ja) * | 1987-06-18 | 1994-03-16 | 株式会社オリオン工具製作所 | 回 転 鋸 |
DE8915764U1 (de) * | 1989-06-10 | 1991-04-25 | Fa. Joh. Wilh. Arntz, 5630 Remscheid | Kreissägeblatt mit Dämpfungselementen |
JPH0453701A (ja) * | 1990-06-22 | 1992-02-21 | Tani Seikiyo Kk | 丸鋸体金属基板 |
EP1166935A1 (de) | 2000-06-23 | 2002-01-02 | Sewon Tech Co., Ltd. | Sägeblatt mit Geräuschunterdrückungsmitteln und Verfahren zur deren Herstellung |
US6405575B1 (en) * | 2001-06-22 | 2002-06-18 | Ford Global Technologies, Inc. | Vibration absorbing reed forming process |
KR20030089192A (ko) * | 2002-05-17 | 2003-11-21 | (주) 제일금속열처리 | 저소음 원판 톱 |
EP1570936A1 (de) * | 2004-03-05 | 2005-09-07 | Shinhan Diamond Industrial Co., Ltd. | Trennscheibe mit Sägeblattrohling und zugehöriges Herstellungsverfahren |
JP4526933B2 (ja) * | 2004-11-22 | 2010-08-18 | 天龍製鋸株式会社 | ディスクカッター |
DE102006007679A1 (de) | 2006-01-30 | 2007-08-02 | Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Coburg | Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen und Schallabstrahlungen von Systembauteilen eines Kraftfahrzeugs |
DE102010043606A1 (de) * | 2010-11-09 | 2012-05-10 | Robert Bosch Gmbh | Drehoszillationssägeblatt für eine Werkzeugmaschine |
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US8857563B1 (en) | 2013-07-29 | 2014-10-14 | The Boeing Company | Hybrid acoustic barrier and absorber |
CN104057144A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-09-24 | 何利荣 | 一种手持式圆锯机 |
CN209096160U (zh) | 2018-10-26 | 2019-07-12 | 西南交通大学 | 一种多频带选控的中低频吸隔振超颖材料 |
CN110725471B (zh) | 2019-10-22 | 2021-04-20 | 哈尔滨工程大学 | 一种具有双自由度局域共振单元的变截面声学超材料梁 |
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