Technologische Innovation und Anwendungserweiterung von Schneidemaschinen unter den Herausforderungen neuer Materialien und neuer Prozesse

Als Kernausrüstung in der Materialverarbeitung werden Schneidemaschinen häufig in der Back-End-Prozessierung von Filmen, Folien, Papier, Faserverbundwerkstoffen, Batterieelektroden und anderen Industriezweigen eingesetzt. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die breite Hauptspule mit hoher Geschwindigkeit und Präzision in mehrere schmale kleine Spulen zu schneiden und dabei die Schnittqualität sicherzustellen. Mit der rasanten Entwicklung strategischer Zukunftsbranchen wie erneuerbarer Energie, elektronischer Information und flexibler Displays steigen die Anforderungen an die Materialleistung. Das Aufkommen einer Reihe neuer Materialien und Verfahren stellt die traditionelle Schneidetechnologie vor beispiellose Herausforderungen und treibt gleichzeitig tiefgreifende Innovationen und die breite Anwendung der Schneidemaschinentechnologie voran.

1. Die zentralen Herausforderungen neuer Materialien und Prozesse

Herkömmliche Schneidetechniken zielen in erster Linie auf homogene Materialien wie Papier und einfache Kunststofffolien ab, aber das Aufkommen neuer Materialien hat das Spiel revolutioniert.

1. Materialien mit extremer Ausdünnung und hoher Sprödigkeit:

◦ Herausforderungen: Beispielsweise sind Kupfer- und Aluminiumfolien für Lithiumbatterien nur 4–6 μm oder sogar noch dünner. Dieses Material ist extrem dünn, lässt sich leicht dehnen, knittern und brechen. Es erfordert eine extrem präzise und stabile Spannungsregelung, und schon kleine Schwankungen führen zu gebrochenen Bändern oder Falten.

◦ Neue Prozessanforderungen: Das Schlitzen nach der Elektrodenbeschichtung muss grat- und staubfrei sein, da es sonst zu einem Kurzschluss im Inneren der Batterie kommt.

2. Mehrschichtige laminierte und funktionalisierte Folien:

◦ Herausforderungen: wie mehrschichtige optische Filme in OLED-Bildschirmen, hochdichte Verpackungsfolien usw. Diese Materialien bestehen aus verschiedenen Materialien (PET/PA/AL/CPP usw.), und Reibungskoeffizient, Zugfestigkeit und Härte zwischen den einzelnen Schichten variieren stark. Beim Schneiden kann es leicht zu Delamination, Serpentinenbildung (Kräuselung) oder innerer Spannung aufgrund ungleichmäßiger Spannung kommen, was die nachfolgende Verarbeitung und Nutzungsleistung beeinträchtigt.

◦ Neue Prozessanforderungen: Es ist notwendig, Schäden an Funktionsschichten (wie optischem Kleber und Barriereschicht) durch thermische Spannungen beim Schlitzen zu vermeiden.

3. Klebstoffe mit hoher Haftung:

◦ Herausforderungen: wie z. B. verschiedene hochviskose Schutzfolien, doppelseitige Klebebänder, optische OCA-Klebstoffe usw. Beim Schneiden kann es leicht zu Klebstoffübertragungen (klebrige Messer) kommen, die die Kanten und Klingen des Materials verunreinigen, was zu einer schlechten Schneidqualität oder sogar zur Unfähigkeit zur kontinuierlichen Produktion führt. Die Reinigungsausfallzeiten sind lang und ineffizient.

◦ Neue Prozessanforderungen: Die Probleme der Antihaftwirkung und des präzisen Zuschnitts auf eine feste Länge müssen gelöst werden.

4. Hochfeste Faserverbundwerkstoffe:

◦ Herausforderungen: wie Kohlefaser, Glasfaser-Prepreg, Aramidpapier usw. Das Material weist eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf, und der Verschleiß der Klinge ist extrem stark. Gleichzeitig ist die Kontrolle von Faserspänen und Staub entscheidend, da sonst die Sauberkeit und Leistung des Produkts beeinträchtigt wird.

◦ Neue Prozessanforderungen: Die Schneidausrüstung muss eine extrem hohe Steifigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen und über ein effizientes Staubentfernungssystem verfügen.

5. Anforderungen an die Prozessintegration:

◦ Herausforderung: Der neue Prozess zielt auf hohe Effizienz und Konsistenz ab und soll das Schneiden nahtlos mit Online-Inspektion, Wickeln, Verpacken und anderen Prozessen zu einer intelligenten Produktionslinie verbinden. Dies stellt höhere Anforderungen an die Automatisierung, Informatisierung und kollaborative Steuerung der Schneidemaschine.

2. Systematische Innovation der Schneidemaschinentechnologie

Um den oben genannten Herausforderungen gerecht zu werden, wird die moderne Schneidemaschinentechnologie umfassend weiterentwickelt, was sich vor allem in den folgenden Aspekten widerspiegelt:

1. Ultrapräzises Spannungskontrollsystem:

◦ Innovation: Der Einsatz eines Servomotorantriebs ersetzt die herkömmliche Magnetpulverkupplung. Echtzeit-Feedback der Spulendurchmesseränderung durch einen hochauflösenden Encoder und adaptive Algorithmen (z. B. Fuzzy-PID-Regelung) ermöglichen eine vollständige Spannungsregelung vom Abwickeln über das Ziehen bis zum Aufwickeln. Die Spannungsregelgenauigkeit kann ±0,5 % oder sogar mehr erreichen und gewährleistet so die Stabilität ultradünner Materialien beim Hochgeschwindigkeitsschneiden.

2. Smart Blade-Technologie und Schneidlösungen:

◦ Innovation:

▪ Werkzeugmaterial: Ultraharte Beschichtung (z. B. Diamant DLC, Titannitrid TiN), Keramikeinsatz oder Einsatz aus polykristallinem Diamant (PCD) zum Schneiden von Verbundwerkstoffen und Materialien mit hohem Verschleiß, wodurch die Werkzeuglebensdauer erheblich verlängert wird.

▪ Messerdesign: Entwickeln Sie spezielle Klingen für unterschiedliche Materialien, wie z. B. antihaftbeschichtete Klingen für klebende Materialien, Rundmesser mit geringem Reibungswinkel.

▪ Antriebsmodus: Die Servo-Schneidachsensteuerung ist zum Standard geworden, wodurch ein „fliegender Schnitt“ (synchronisiertes Schneiden des Werkzeugs während des Materialvorgangs), eine präzise Schnitttiefensteuerung und eine Vibrationsunterdrückung erreicht werden können, um glatte und gratfreie Schnitte zu gewährleisten.

▪ Luftgestütztes Messer (Luftkissenmesser): Wird zum Schneiden extrem empfindlicher Materialien verwendet. Durch den Luftfilm wird ein berührungsloses „Schneiden“ von Material und Klinge erreicht, wodurch Kratzer und Staub vollständig vermieden werden.

3. Intelligentes Betriebs- und Zustandsüberwachungssystem:

◦ Innovation:

▪ Machine Vision (AOI): Integriertes Online-Oberflächendefekterkennungssystem zur Echtzeitüberwachung von Graten, Streifen, Flecken, Falten und anderen Defekten im Schneidprozess und zur automatischen Markierung oder Verknüpfung mit dem Sortiersystem.

▪ Intelligentes Wickeln (IRC/IBC): Verwendet eine vollständige Servowicklung mit erweitertem Wickelkurvenalgorithmus, berechnet und passt Druck, Drehmoment und Geschwindigkeit automatisch an, kontrolliert die Härte der Spule perfekt und vermeidet kollabierte Kerne, Chrysanthemenmuster und andere Nachteile.

▪ Vorausschauende Wartung: Sensoren überwachen Parameter wie Blattverschleiß, Lagervibration und Motorlast und verwenden Big-Data-Analysen, um den Zeitpunkt eines Ausfalls vorherzusagen, frühzeitig zu warnen und ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren.

4. Modulares und spezialisiertes Design:

◦ Innovation: Schneidemaschinen sind keine Allzweckmaschinen mehr, sondern werden auf Basis der Materialeigenschaften spezialisiert und modular aufgebaut. Zum Beispiel:

▪ Lithiumbatterie-Polschneidemaschine: betont staubfrei, metallfrei, explosionsgeschützt, ausgestattet mit Hochfrequenz-Vakuumsystem und antistatischen Maßnahmen.

▪ Schneidemaschine für optische Filme: legt Wert auf Reinraumumgebung, ultraniedrige Spannungsregelung und antistatische Wicklung.

▪ Bandschneidemaschine: ausgestattet mit speziellen Antihaft-Führungsrollen, Silikonrollen und Kaltmessersystemen.

3. Erweiterung der Anwendungsfelder

Technologische Innovationen treiben die Grenzen der Schneidemaschinenanwendungen unmittelbar voran:

1. Neue Energien: Dies ist derzeit der größte Wachstumsbereich. Das Schneiden von Elektrodenstücken (Anode/Kathode) für Lithiumbatterien ist der Kern der Fertigung, und die Schneidemaschine erfordert höchste Präzision, Sauberkeit und Zuverlässigkeit. Auch Protonenaustauschmembranen für Wasserstoff-Brennstoffzellen, Photovoltaik-Rückseitenmembranen usw. erfordern leistungsstarke Schneideanlagen.

2. Flexible Elektronik und Anzeigefelder: Flexible OLED-Anzeigesubstrate (PI-Film), Touchscreen-Sensoren (ITO-Film), transparente leitfähige Filme usw. müssen in einer staubfreien Umgebung der 100./1000. Ebene geschnitten werden, um Staub, Kratzer und statische Schäden zu vermeiden.

3. Hochwertige Verpackungsbereiche: Lebensmittelverpackungen mit hoher Barriere, pharmazeutische Verpackungen, antistatische Abschirmverpackungen für elektronische Produkte usw. müssen mehrschichtige Verbundfolien schneiden, ohne ihre strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

4. Neues Feld für Halbleitermaterialien: Präzisionsschneiden von Halbleiterhilfsmaterialien wie Wafer-Schleiffolie, Dicing Tape (Wafer-Schneidband), CMP-Polierpads usw.

5. Hochmoderne Materialfelder: Auch die Herstellung und Verarbeitung neuer Materialien wie Kohlenstoffnanoröhrenfilme, Graphenfilme und Aerogelmaterialien erfordert mittlerweile maßgeschneiderte Präzisions-Schneidlösungen.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Neue Materialien und Verfahren stellen sowohl Herausforderungen als auch zentrale Treiber der technologischen Entwicklung von Schneidemaschinen dar. Die Schneidemaschine der Zukunft wird kein einzelnes mechanisches Produkt mehr sein, sondern ein hochintelligentes System, das Präzisionsmaschinen, intelligente Steuerung, Sensortechnologie, Big Data und künstliche Intelligenz vereint.

Die Entwicklungstrends konzentrieren sich auf:

• Extrem: Herausforderung für höhere Geschwindigkeiten, geringere Breiten und höhere Präzision.

• Intelligent: Verwirklichung von Selbstwahrnehmung, Selbstentscheidung, Selbstausführung und adaptiver „unbemannter“ intelligenter Produktion.

• Integration: Tiefgreifende Integration mit vor- und nachgelagerten Prozessen, wodurch es zu einem unverzichtbaren digitalen Knotenpunkt für intelligente Fabriken wird.

Nur kontinuierliche technologische Innovationen können den immer anspruchsvolleren Anforderungen der Materialverarbeitung gerecht werden und so die dynamische Entwicklung strategischer aufstrebender Branchen unterstützen. Die Innovation der Schneidemaschinentechnologie ist ein mikroskopischer und tiefgreifender Mikrokosmos des Übergangs Chinas von einer „Produktionsmacht“ zu einer „intelligenten Produktionsmacht“.