Trennen statt fügen Was Sie mit Ultraschall schneiden können

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Wittmann Battenfeld GmbH

In der Automobilindustrie wird die Ultraschalltechnologie nicht nur zum Fügen, sondern auch zum Trennen von Materialien eingesetzt. Doch auch über das bekannte Schneiden von Reifengummi hinaus, wird die Technologie aufgrund ihrer Schnittqualität genutzt. Eine Auswahl der häufigsten Anwendungsfälle, lesen Sie in diesem Beitrag.

Beim Produzieren von Lebensmitteln ist ein effizienter, präziser Schnitt ebenso wichtig wie beim Herstellen von Reifen. Die Materialien unterscheiden sich grundsätzlich in ihrer Textur und Konsistenzen, dennoch wird in beiden Fällen ein sauberer Schnitt ohne Verformungen oder Beschädigung benötigt. Beim Schneiden mit Ultraschall wird wenig Kraft benötigt, es erfolgt keine Temperaturbeaufschlagung, der Verschleiß sowie die Verschmutzung des Schneidwerkzeugs sind gering und die Schneidgeschwindigkeit ist hoch.

Deshalb ist das Verfahren energieeffizient

In der Automotive-Branche hat sich das Ultraschallschneiden von unvulkanisiertem Reifengummi seit Jahrzehnten bewährt. Die Technologie wird vor allem für das Ablängen des Laufstreifens, des Innerliners und der Seitenwand eingesetzt. Der größte Vorteil des Ultraschalls besteht darin, dass das Verfahren nicht nur auf rein mechanischen Druck angewiesen ist, wie beispielsweise das Schneiden mit Messern. Stattdessen nutzt die Technologie die Vibrationen des Ultraschalls als Unterstützung, sodass signifikant weniger Kraft aufgewendet werden muss. Das führt zu einer geringeren Belastung des Materials und beugt Verformungen vor. Dadurch wird auch das Schneidwerkzeug selbst nur gering belastet, wodurch die Klinge langfristig scharf bleibt und nur selten ein Austausch nötig wird. Die Technologie arbeitet energie- und kosteneffizient, da die Klinge unbeheizt ist. Auch wenn die Schneidtechnologie selbst keine Wärme benötigt, können während des Prozesses hohe Temperaturen entstehen, die das Werkzeug beschädigen können. Die Beschaffenheit der Messersonotrode ist daher entscheidend für einen wirtschaftlichen Schneidprozess mit Ultraschall.

Entscheidender Faktor: Der Sonotrodenwerkstoff

Bisher wurden Sonotroden hauptsächlich aus Aluminium oder Titan gefertigt. Allerdings ist Aluminium für den langfristigen Einsatz nicht hart genug. Titan ist zwar härter, aber die Hitze des Schneidprozesses staut sich und führt neben Beeinträchtigung der Robustheit der Sonotrode dazu, dass sich das Gummi durch die gestaute Hitze erwärmt. Das kann unter Umständen dazu führen, dass Schmutzpartikel am Werkzeug haften bleiben und so das Schneidergebnis negativ beeinflussen. Das würde eine manuelle Reinigung notwendig machen, wofür die Produktion gestoppt werden müsste. Schneidwerkzeuge mit einer speziellen Stahllegierung weisen die besten Materialeigenschaften auf und leiten die entstehende Wärme während des Schneidprozesses zuverlässig ab. Ohne Hitzeeinfluss bleibt die Sonotrode von Verunreinigungen verschont, wodurch Reinigungsarbeiten entfallen. Gleichzeitig sorgt der Stahl dafür, dass die Sonotrode selbst bei dauerhaftem Einsatz langfristig scharf bleibt. Auch das Schneiden von Kunststofflaminat oder von Materialien für Transportbänder funktioniert nach demselben Prinzip. Genau wie beim Schneiden von Reifengummi ist dabei immer eine äußerst präzise Schnittkante entscheidend, damit die Materialien in den folgenden Prozessschritten optisch einwandfrei und sicher zusammengeführt werden können.

Wie funktioniert das Schneiden mit Ultraschall?

Genau wie beim Schweißen mit Ultraschall erzeugt ein Generator eine elektrische Spannung. Diese wird im Konverter in mechanische Schwingung umgewandelt. Typischerweise werden dabei Frequenzen im Bereich von 20 bis 35 kHz genutzt. Diese Schwingungen werden auf das Schneidwerkzeug – die Sonotrode – übertragen. Kommt die Sonotrode in Kontakt mit dem zu schneidenden Material, wird dieses mit Hilfe der Vielzahl an winzigen Vibrationen im µm-Bereich durchtrennt.

Warum der Schneidprozess überwacht werden sollte

Neben der Effizienz und Präzision bietet die Nutzung von Ultraschall als Schneidtechnologie noch einen weiteren Vorteil: Während des Vorgangs kann der Generator wichtige Prozessparameter wie Amplitude oder Energie messen und die Daten speichern. Anhand dieser Daten kann der Prozess visualisiert und optimiert werden, um eine gleichbleibend hohe Schnittqualität und Effizienz zu gewährleisten. Durch die Prozessüberwachung wird außerdem das Risiko von Fehlschnitten und Materialverlust minimiert. Die richtigen Parameter für einen Schneidvorgang werden durch den Ultraschall-Partner in enger Abstimmung definiert und im Generator hinterlegt. Dadurch ist das komplette System auch nach dem Tausch einzelner Komponenten in kürzester Zeit wieder einsatzbereit.

Saubere Schnitte für Kuchen, Torten und Co.

Als Alternative zum klassischen, mechanischen Schneiden in technischen Bereichen, wird Ultraschall auch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Da die Technologie weniger Kraft als mechanische Schneidprozesse benötigt, kommt es beim Schneiden nicht zu Deformationen des Produkts. Daher findet Ultraschall vor allem bei fragilen Produkten Anwendung, die eine besonders präzise Schnittkante aufweisen sollen. Dazu gehören beispielsweise Eis, Kuchen, Biskuitrollen oder sonstige Bäckereiprodukte. Neben einem konstanten Schneidergebnis trägt Ultraschall dazu bei, den Ausschuss zu reduzieren – vor allem, wenn damit Draht als Schneidinstrument ersetzt wird. Dieser kommt in der Regel in automatisierten Produktionsanlagen mit hohen Geschwindigkeiten zum Einsatz, wie beispielsweise für Müsliriegel. Reißt der Draht, entsteht hoher Ausschuss, bis die Anlage angehalten und der Draht ersetzt werden kann. Und auch beim Schneiden von Lebensmitteln bleiben aufgrund der Ultraschallvibrationen weniger Produktreste an der Klinge haften als an mechanischen Schneidmessern. Die Ultraschall-Werkzeuge müssen daher seltener gereinigt werden, wodurch sich Stillstandzeiten reduzieren.

Schneiden und siegeln in einem Schritt

Weniger verbreitet, aber dennoch überaus effizient zeigt sich der Ultraschall bei Stanzanwendungen. Der größte Unterschied zum Schneiden von Lebensmitteln und Elastomeren liegt in den Schneidwerkzeugen. Die Sonotrode ist nicht als Messer geformt, das horizontal durch das Material schneidet. Stattdessen bildet sie eine Art Block mit flacher Ebene und drückt das Material senkrecht auf die Werkstückaufnahme, die mit scharfen Kanten versehen ist. Unter Einfluss der Ultraschallvibrationen und gleichzeitiger Krafteinwirkung entsteht so eine saubere Schnittkante. Bei dieser Art von Schneidprozess können die Kanten gleichzeitig mit Hilfe von Ultraschallvibrationen versiegelt werden. Durch das sogenannte „Trennschweißen“ sparen Hersteller einen Prozessschritt und damit wertvolle Zeit. Anwendung findet diese Art des Schneidvorgangs unter anderem in der Produktion von Atemschutzmasken.

Deshalb sind Versuchsreihen wichtig

Damit Unternehmen von den Vorteilen der Schneidtechnologie profitieren können, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein: die Auswahl des richtigen Materials für die Schneidwerkzeuge sowie die Definition der richtigen Prozessparameter. Bei beiden Faktoren ist eine eingehende Beratung des Ultraschall-Partners notwendig. Denn erst durch Versuchsreihen ist es möglich, die Werkzeuge und Parameter genau auf die Anwendung und das Material anzupassen, sodass ein langfristig optimaler Schneidprozess sichergestellt werden kann. Auch die Prüfung der Systeme in eigenen Anlagen unter Produktionsbedingungen kann zusätzliche Sicherheit bieten und sollte in enger Abstimmung mit dem Ultraschall-Partner erfolgen.

Quelle:  Herrmann Ultraschall, Karlsbad