Abgeschlossene Forschungsvorhaben


Auf dieser Seite stellen wir Ihnen die abgeschlossenen Forschungsvorhaben der FPH kurz vor.

Weitere abgeschlossene Forschungsvorhaben finden Sie jeweils auf den Seiten der Forschungseinrichtungen:

 


 

Werkstoffe für trennende Schutzeinrichtungen

Titel: Steigerung der Arbeitssicherheit an stationären Holzbearbeitungsmaschinen durch Maschinenumhausungen aus Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen

Forschungsstelle: IfW der Universität Stuttgart

Laufzeit: 01.10.2017 – 30.09.2019 (verlängert bis 31.12.2019)
IGF-Forschungsvorhaben 11956/16

Ausgangssituation und Zielsetzung

Entsprechend dem allgemeinen Trend nach Komplettbearbeitung durch Verfahrensintegration zeigt sich auch für den Markt der Bearbeitungszentren für die Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung eine zunehmende Nachfrage nach weiteren Zusatzaggregaten. Durch diese Forderungen werden die Maschinenkapselungen an den Bearbeitungszentren zunehmend größer dimensioniert, um die Vielzahl von Aggregaten (z.B. Bohraggregate mit bis zu 28 Werkzeugplätzen, Säge-, Schmalflächenbeschichtungs- und Postformingaggregate) unterbringen zu können. Des Weiteren führen diese Aggregate zwangsläufig zu einer Zunahme der zu bewegenden Gewichtsmassen. Um diesem Trend entgegen zu wirken, wird der Einsatz von Leichtbaumaterialien für mitfahrende Maschinenkapselung interessant, wobei diese neuen Materialien in der aktuellen Norm EN 848-3 für die Aufprallfestigkeit nicht berücksichtigt werden. In diesem Forschungsvorhaben wurden neuartige Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen für den Einsatz als Maschinenkapslung charakterisiert und qualifiziert, um deren Nutzung als Maschinenumhausung realisieren zu können.

Ergebnisse

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Anforderungen an Werkstoffe für trennende Schutzeinrichtungen aus den Blickwinkeln der Maschinenhersteller, des Bedieners, des Gesetzgebers und der Entsorgungskonzepte erarbeitet. Hinsichtlich diesen Anforderungskriterien wurden die Werkstoffe untersucht und charakterisiert.

Neben der Reduktion der Gewichtsmasse gibt es für die Maschinenkapselung die Pflichtanforderung, dass bei einem Werkzeugbruch oder einer Crash-Situation im Betrieb die dabei auftretenden Bruchstücke zurückgehalten werden, um den Bediener zu schützen. Die sicherheitstechnischen Eigenschaften werden in der Norm DIN EN ISO 19085-1 und DIN EN 848-3 dargestellt. Ein Prüfprojektil mit einer Masse von 100 g muss bei einer Prüfgeschwindigkeit von 70 m/s von der trennenden Schutzeinrichtung zurückgehalten werden. In Abbildung 1 sind exemplarisch drei Materialproben aus dem Projektverlauf nach der Prüfung der Aufprallfestigkeit dargestellt, die das Prüfprojektil zurückgehalten haben. Der Werkstoff Polycarbonat als bekannter Referenzwerkstoff und zwei weitere Leichtbauwerkstoffe haben die Aufprallprüfung bestanden und wurden hinsichtlich weiteren Anforderungen untersucht.

Abbildung 1: Ergebnisse der Normprüfung zur Rückhaltefähigkeit

Durch den Einsatz neuer leichter Werkstoffe wird außerdem eine Lärmreduzierung bzw. Verbesserung des akustischen Verhaltens der Bearbeitungsmaschine durch die Maschinenkapselung angestrebt. Die Maschinenkapselung schirmt die markanten Schallquellen (Hauptspindel, Zerspanstelle, …) gegenüber dem Bediener ab. Zur Bestimmung der Lärmreduzierung, die durch die zu untersuchenden Werkstoffe erreicht werden, wurde ein Versuchsstand aufgebaut, der eine Prüfung unter realen Bedingung mit Versuchsproben zulässt. Als Messverfahren wurde das Hüllflächenverfahren nach DIN EN ISO 3744 und eine Schallquellenlokalisation mit einer akustischen Kamera angewendet. Ergebnis der Messungen ist das Einfügungsdämmmaß DE der jeweiligen Werkstoffe (Abbildung 2). Aus den Untersuchungen der akustischen Eigenschaften geht hervor, dass bei der Werkstoffauswahl die dämmende Absorptionsschicht bei einer Teilkapselung eine untergeordnete Rolle spielt. Ein entscheidender Faktor ist das Öffnungsverhältnis der Kapsel (offene Flächen zur Gesamtfläche der Umhausung). Die Bearbeitungszentren in der Holzbearbeitung haben häufig große Öffnungen in den Maschinenkapselungen. Diese Öffnungen sollten so klein wie möglich gehalten werden, um dann in einem zweiten Schritt schallabsorbierende Materialien in eine Maschinenkapselung einzubringen und die Innenflächen mit Absorptionsmaterialien auszukleiden.

Abbildung 2: Ergebnisse der Untersuchung zum Einfügungsdämmmaß DE mittels Hüllflächenverfahren

Für den Aufbau einer Maschinenkapselung wurden die Verbindungstechniken der einzelnen Elemente betrachtet. Beispielsweise wurde hierbei das Anbinden von Sichtelementen an die Maschinenumhausungen untersucht. Dabei wurde eine Klebeverbindung zwischen Sichtscheibe und Metallrahmen erarbeitet und als Alternative zu den herkömmlichen Klemmverbindungen qualifiziert und zur Verfügung gestellt.

Mit den erarbeiteten Ergebnissen aus dem Forschungsvorhaben können neue Konzepte und Materialentscheidungen für Maschinenumhausungen durch die Maschinenhersteller umgesetzt werden. Auch können bestehende Konzeptionen durch die hinzugewonnenen Erkenntnisse nachgebessert werden. Die Anzahl von geeigneten Werkstoffen als Maschinenkapselung wurde erhöht und Alternativen zu den in der Norm beschriebenen Materialien aufgezeigt.

Veröffentlichungen

Schneider, M.:
Kunststoffe und Verbundwerkstoffe als moderner Werkstoff für den Werkzeugmaschinenbau.
LIGNA 2017 Vortragsreihe: Processing of Plastics and Composites, Hannover, 24.05.2017.

N.N.:
Leichte Werkstoffe für trennende Schutzeinrichtungen.
In: HOB - Die Holzbearbeitung 65 (2018) Nr. 1/2, S. 74.

Möhring; H.-C.; Eschelbacher, S.; Kimmelmann, Menze, C.; Schneider, M. Zizelmann, C.:
En route to intelligent wood machining Current situation and future perspectives:
30. CIRP sponsored Conference on Supervising and Diagnostics of Machining Systems.
Karpacz, Polen, 11.03.2019.

Möhring; H.-C.; Stehle, T.; Schneider, M:
Lightweight machine housings for dynamic and efficient production processes:
30. CIRP sponsored Conference on Supervising and Diagnostics of Machining Systems.
Karpacz, Polen, 12.03.2019

Schneider, M.:
Sicheres Betreiben von Holzbearbeitungsmaschinen: Staubprüfungen.
LIGNA Forum 2019, Hannover, 30.05.2019.

Hinweise

Das IGF-Vorhaben wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Das Forschungsvorhaben wurde von einem Industrie-Arbeitskreis unter Beteiligung der Firmen FlexiCAM GmbH, Hamuel Reichenbacher GmbH, HEMA Maschinen- und Apparateschutz GmbH, Holz-Her GmbH, Homag GmbH, IMA Schelling Deutschland GmbH, Keck GmbH, Oechsle GmbH, Stadur Produktions GmbH & Co KG, Studio LTA GbR sowie der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) und Institut für Arbeitsschutz der DGUV im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

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Spänedynamik am Kreissägewerkzeug

Titel: Detektion und Auswertung der realen Spanentstehung und Dynamik bei der Holzbearbeitung mittels Kreissägewerkzeugen und deren Optimierung als Konditionierung zur ganzheitlichen Späneerfassung

Forschungsstelle: IFW Remscheid

Laufzeit: 01.04.2017 – 31.03.2019 (verlängert bis 30.9.2019)
IGF-Forschungsvorhaben 19422 N

Ausgangssituation

Bei der Holzbearbeitung mittels Kreissägewerkzeugen entstehen Holzspäne und -stäube, die energieaufwendig mittels Absauganlagen entfernt werden müssen. In dem Forschugsvorhaben wurden die reale Spanentstehung und Dynamik sowie deren Optimierung zur ganzheitlichen Spanerfassung untersucht.

Holz aus nachhaltiger Produktion ist ein nachwachsender Rohstoff mit zunehmender Bedeutung als Werkstoff und Energieträger. Ein Bestandteil eines jeden Verarbeitungsprozesses von Holz ist das Zerspanen mittels Kreissägeblättern. Hierbei kommen verschiedene Zahngeometrien mit entsprechend unterschiedlichen Spanräumen zum Einsatz. Bei der spanabhebenden Bearbeitung entstehen dabei, je nach Anwendung, Werkzeugauslegung und Prozessparametern Späne in unterschiedlichster Größe, die bis zum feinen Holzstaub hinunter reicht. Die entstandenen Späne und Stäube müssen mittels aufwendiger Absauganlagen und Filter entfernt werden.

Die Anwendungsvielfalt des Kreissägeprozesses durchdringt dabei viele verarbeitende Anwendungsfelder der unterschiedlichsten Branchen. Neben der holzver- und der holzbearbeitenden Industrie sind bspw. auch die Verarbeiter von modernen Leichtbauwerkstoffe adressiert. Holzstäube belasten nicht nur die Lebensdauer der Maschinen, CFK-Stäube können elektrisch leitend sein und so in elektrischen Schaltschränken zu gefährlichen Kurzschlüssen führen. Verbleiben Späne in der Schnittfuge, weil sie nicht direkt durch den Spanraum abtransportiert werden, kommt es zur sogenannten „Doppeltzerspanung“, welche die Werkzeugschneide belastet und die Standzeit der Werkzeuge reduziert. Zudem reduzieren verbleibende Späne durch Reibung die erzeugten Schnittqualitäten an den Werkstückoberflächen. Holzstäube unterliegen einer hohen Explosionsgefahr, lungengängige Stäube bergen zusätzlich für den Anwender ein hohes Gesundheitsgefährdungspotential. Aber auch sozio-ökologisch und -ökonomisch stellt die ganzheitliche Span- und Stauberfassung eine deutliche Herausforderung dar; etwa 45 % des Energiebedarfs in der Holz- und Möbelindustrie werden für die Erfassung und Filterung von Staub und Spänen aufgewandt.

Seitens der Verarbeiter und der Kunden steigen die Ansprüche hinsichtlich der Bearbeitungsqualität, Werkzeugstandzeit, aber auch hinsichtlich der Energieeffizienz. Hier hat die Branche der Holzindustrie erkannt, dass die werkzeug- und maschinenseitige Optimierung der Späne- und Stauberfassung ein sehr hohes Potential liefert. Die ganzheitliche Erfassung von lungengängigen und damit gesundheitsschädlichen Stäuben und Spänen schonen zudem Mensch, Anlagen und Werkzeuge. Um hier Ansätze zu finden, bedarf es der Kenntnis der dynamischen Prozesse bei der Spanentstehung und der nachfolgenden Kinematik.

Zielsetzung

Erstes Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung und Validierung eines Messverfahrens, welches die Span- und Staubentstehung und die hochdynamischen Prozesse im Spanraum, aber auch außerhalb des Spanraums und der Schnittfuge optisch abbilden kann. Die Messungen sollen die unterschiedlichen Spanentstehungsszenarien auch unter verschiedenen Prozessparametern beobachtbar machen, und zeigen, welche Faktoren wie z.B. die Zahngeometrie und die Spanraumgestaltung Einfluss auf die Spanentstehung, sowie den Spanabflug aus dem Werkzeug und der Schnittfuge nehmen.

Der Spanbildungsprozess ist sehr eng mit den bruchmechanischen Eigenschaften und der Materialmatrix des Bear­beitungs­materials verknüpft. Aufgrund der ausgeprägten Anisotropie von Naturholz bestehen richtungsabhängige Trenn- bzw. Spanentstehungseigenschaften. Weitere Einflussgrößen ergeben sich aus den kinematischen, kinetischen und geometrischen Verhältnissen.

Die Erkenntnisse aus den Messungen sollen dazu beitragen, ein Systemverständnis aufzubauen und bilden die wissenschaftlich fundierte Grundlage zur Optimierung des Gesamtprozesses.

Ergebnisse

Im Projekt wurde erstmalig die individuelle Spanentstehung unter realistischen Prozessparametern kontinuierlich sichtbar und messbar gemacht. Durch die Kombination einer optischen Einheit, welches ein drehendes Objekt optisch in den Stillstand versetzt (Bild 1) und einer Hochgeschwindigkeitskamera (Bild 2) ist es in der Forschungseinrichtung erstmals möglich, die hochdynamischen Prozesse beim Trennvorgang am eingreifenden Zahn und im Spanraum unter Einsatzdrehzahl optisch abzubilden (Bild 3).

Bild 1: Links: rotierendes Werkzeug. Rechts: Beim Blick durch ein mitrotierendes Dove-Prisma wird das Werkzeug optisch in den Stillstand versetzt.

Bild 2: Links: Optische Einheit zum Mitführen eines Messgitters (Derotator) und Hochgeschwindigkeitskamera. Rechts: Beleuchtungssystem und Vorschubeinheit für die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.

Bild 3: Spanentstehung bei einer Versuchssäge mit Wechselzahn. Die Bildfolge zeigt die Entstehung des Spans und das Einrollen im Spanraum bei einer Schnittgeschwindigkeit von 80 m/s und einer Vorschubgeschwindigkeit von 120 m/min. Die Aufnahmen wurden mit der Hochgeschwindigkeitskamera mit 70.000 fps und Blick durch den Derotator aufgenommen.

Das durch die optische Einheit betrachtete stillstehende Werkzeug ermöglicht es, den Spanraum und damit die Spanentstehung erstmals kontinuierlich während der gesamten Spanbogenlänge zu beobachten. Bei einer alleinigen Betrachtung mit der Hochgeschwindigkeitskamera würde der beobachtete Spanraum sich im Bildausschnitt bewegen und wegen des grundsätzlich begrenzten Auflösungsvermögens der Kamera bei hohen Aufnahmegeschwindigkeiten, schließlich aus dem Bild hinauslaufen. So konnten im Projekt Messungen mit Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s und Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 200 m/min realisiert werden.

Im Vorhaben wurden unterschiedliche Versuchskreissägen mit Variationen der Zahnform, Zähneanzahl und Spanwinkeln mit entsprechenden Spanräumen untersucht.

Bild 4: Abflugtrajektorien einzelner Späne eines Spanraumes. Hier beispielhaft für ein Werkzeug mit Wechselzahn, Spanwinkel positiv (15°). Werkstück Buchenholz, Längsschnitt. Prozessparameter: Vorschub 1 m/s; Schnittgeschwindigkeit 85 m/s; Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera 70.000 fps, Bild oben rechts zeigt den Spanraum mit den 5 betrachteten Spänen.

Es wurden jeweils für die untersuchten Zahnformtypen die Prozessparameter Schnitt-geschwindigkeit und Vorschub sowie das Schnittgut variiert. Dadurch wird die geometrische Form des Spans, wie beispielsweise die Mittenspandicke, variiert und die Einflüsse der Prozessparameter bei der Spanentstehung untersucht. Die unterschiedliche Kinematik (Winkelbereiche, Geschwindigkeiten, Flugrichtungen) sind eine wichtige Eingangsvoraussetzung, um eine definierte Konditionierung der Spandynamik für nachgelagerte Absaugkonzepte in nachfolgenden Projekten entwickeln zu können.

Hinweise

Das IGF-Vorhaben wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Das Forschungsvorhaben wurde von einem Industrie-Arbeitskreis unter Beteiligung der Firmen Altendorf GmbH, Blecher KG, Ceratizit S.A., Grasche GmbH, Guhdo GmbH, Leitz GmbH & Co. KG, Leuco Ledermann GmbH & Co KG, MAK Bildtechnik GmbH und Michael Weinig AG im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

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Strahlungswärme-Fügen

Titel: Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zum effizienten, schnellen, kontaktfreien und lokal definierten Fügen von Schmalflächen an Holzwerkstoffplatten

Forschungsstelle 1: INT der TU Dresden
Forschungsstelle 2: Fraunhofer IVV Dresden

Laufzeit: 01.06.2017 – 31.05.2019 (verlängert bis 30.9.2019)
IGF-Forschungsvorhaben 19575 BR

Ausgangssituation und Zielsetzung

Das Beschichten der Schmalflächen ist im Bereich der Bauteilherstellung des Möbel- und Innenausbaus ein sehr wichtiger Arbeitsschritt. Die derzeit am Markt verfügbaren Fügeverfahren weisen entweder aus technologischer Sicht oder aus Kostengründen Nachteile auf. Beispielsweise beim Schmelzklebstoffverfahren sind hohe Energieaufwendungen zur thermischen Aktivierung des Schmelzklebstoffes erforderlich und es gelten vergleichsweise lange Prozesszeiten und Vorbereitungszeiträume sowie ein erhöhter Handlingsaufwand. Bei den Heißluftverfahren erfolgt z.T. eine starke Aufheizung von Maschinenteilen durch Gebläse und es besteht eine Unfallgefahr durch heiße Maschinenteile. Zudem treten immer wieder Mängel in der Qualität der Verklebung sowie optische Einschränkungen bei der Ausprägung des Fugenbildes auf. Bei modernen lasergestützten Verfahren kommen Aggregate zum Einsatz, die neben hohen Investitionskosten ebenfalls hohe Energieaufwendungen während des Betriebes und Mehrkosten für die Erarbeitung und Einhaltung eines Sicherheitskonzeptes (Lasersicherheitsklassen) verursachen. Die Zielstellung des Forschungsprojekts war die Entwicklung eines Fügeverfahrens für Schmalflächen an Holzwerkstoffplatten mittels keramischer Heizelemente. Dabei wird das Schmalflächenbeschichtungsmaterial (SFBM, oder auch: Kante) dem Holzwerkstoff zugeführt und durch Einwirkung extrem wirkstellennaher Wärmeerzeugung der Strahler-Heizer mit dem Bauteil stoffschlüssig gefügt. Durch die thermische Aktivierung unmittelbar im Bereich der Fügestelle wird unnötiger zeitlicher und lokaler Versatz vermieden. Das hochdynamische Ein-/ Ausschaltverhalten der Heizer begünstigt ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur und trägt zur Verkürzung der Maschinenanfahrzeiträume bei. Es wurden SFBM verwendet, die auf der Innenseite eine Funktionsschicht haben, die bei Wärmeeintrag zur Verklebung aktiviert wird. Solche SFBM können kostengünstig hergestellt werden, da sie im Gegensatz zu Laser-SFBM keine teuren optischen Absorber benötigen.

Abbildung 1: Darstellung der konstruktiven Integration der entwickelten, keramischen Heizstrahler in den Fügespalt zwischen Schmalflächenbeschichtung und Werkstück

Ergebnisse

Zur thermischen Charakterisierung der Funktionsschichten der Schmalflächenbeschichtungen wurden die dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry „DSC“) und die Nahinfrarot-Spektroskopie durchgeführt. Mit Hilfe der Messmethoden wurden u. a. die spezifische Wärmekapazität, Phasenübergänge und Transmissionsspektren sowie besonders für Kunststoffe die Schmelz- und Glasübergangstemperaturen ermittelt (Eyerer P et al, 2005). Grundsätzlich kann bezüglich der Position der Absorptionspeaks von einem ähnlichen Absorptionsverhalten zwischen laserfähigen Funktionsschichten und einer Funktionsschicht/ Klebstoffschicht aus EVA ausgegangen werden. Im Hinblick auf eine Implementierung der Strahlertechnologie in eine industrielle Kantenanleimmaschine wurde eine Experimentalumgebung aufgebaut, die eine automatisierte zeitliche und ortsaufgelöste Erfassung der Erwärmung der Funktionsschicht ermöglicht. Es konnten sowohl Aufheiz- und Abkühlszenarien der Strahlerbaugruppe sowie Versuche zum Erwärmen ausgewählter SFBM mit unterschiedlichen Funktionsschichten durchgeführt werden. Dabei wurden die Prozessparameter der elektrischen Leistung der Strahlerheizer, der Abstand dieser zur Funktionsschicht sowie die Vorschubgeschwindigkeit variiert. In Abbildung 2 ist zu erkennen, dass alle ausgewählten SFBM der Nullfugentechnologien durch die keramischen Heizelemente erwärmt werden können. Darüber hinaus besteht ein linearer Zusammenhang zwischen vordefinierter, spezifischer Leistungsaufnahme der Strahler Pspez (in W/mm²) und der resultierenden Oberflächentemperatur ϑ (in °C). Zwischen dem Abstand der Heizelemente zur Funktionsschicht besteht in etwa eine quadratische Abhängigkeit. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass sowohl homogene als auch exakt konturierte Temperaturprofile auf der Funktionsschicht mit den matrixähnlichen Heizelementen erzeugt werden können.

Abbildung 2: Oberflächentemperatur mehrerer SFBM (Nahinfrarot-SFBM, laserfähiges SFBM) bei variierenden Leistungsaufnahmen der Strahlerheizer und einem Abstand der Heizer von 2 mm

Basierend auf den Voruntersuchungen und der Modellbildung des Erwärmungsverhaltens der Funktionsschicht der SFBM wurde eine optimierte Heizerstruktur erarbeitet, die sich durch geringere Eigenspannungen, einem homogeneren Temperaturprofil mit geringen Temperaturabweichungen (∆ϑ < 15 K) um den Sollwert auszeichnet und zudem ein hochdynamisches Ansprechverhalten mit sehr hohen Aufheizraten aufweist. Die modifizierte Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt. Darüber hinaus findet die elektrische Kontaktierung der Einzel-Elemente mittig statt.

Abbildung 3: Optimiertes Heizerlayout durch Laborversuche und Modellbildung mit geringen Eigenspannungen und minimierten Temperaturdifferenzen (∆ϑ < 15 K)

Die Implementierung eines Funktionsmusters zur Verfahrensvalidierung erfolgte in eine konventionelle Kantenanleimmaschine (KAM). Hierfür wurden konstruktive Anpassungen vorgenommen, welche hauptsächlich dadurch bedingt waren, nicht in die periphere Maschinenstruktur einzugreifen. Mit einer gesonderten Leistungselektronik für die Regelung der Strahlerbaugruppe (Abbildung 4) sowie einer separaten Werkstückerkennung, einer Zuführung des SFBM und einer modifizierten Kappschere konnte eine Versuchsumgebung geschaffen werden, mit der die Validierung des Verfahrens durchgeführt wurde. Hierzu gehören insbesondere Untersuchungen zum Einsatzspektrum des neuartigen Verfahrens, der Temperaturstabilität, dem Ansprechverhalten sowie der Dauerhaftigkeit der Strahlerbaugruppe(n) und der Verbundfestigkeit des gefügten Produkts aus SFBM und Holzwerkstoff.

Abbildung 4: In eine KAM eingebaute Strahlerbaugruppen mit jeweils fünf übereinanderliegenden Einzelstrahlern

Die Untersuchungen zur Verbundfestigkeit der hergestellten Prüfkörper hatten zwei wesentliche Ziele. Einerseits sollten parameterbedingte Abhängigkeiten identifiziert und andererseits ein Bezug zu bereits am Markt etablierten sowie ausoptimierten Verfahren hergestellt werden. Hierfür wurde der Trommelschältest nach DIN 53 295 eingesetzt. Die normativ beschriebene Vorrichtung wird hauptsächlich für die Prüfung von Sandwich-Kernverbunden im Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt. In Abbildung 5 ist entsprechend eine Übersicht der Prüfergebnisse dargestellt. Jede einzelne Box stellt eine Parametervariation innerhalb eines Verfahrens bzw. ein Verfahren selbst dar. Die linken drei Spalten repräsentieren das konventionelle Schmelzklebstoffauftragsverfahren (HM), womit auf der gleichen KAM wie das neuartige Strahlungswärme-Fügen die zugehörigen Werkstoffproben hergestellt wurden. In der weiteren Folge sind die Werte für das lasergestützte Fügen, eine PU-Verklebung, das Nahinfrarot-Fügen (NIR) und in den vier rechten Spalten das neue „Strahlungswärme-Fügen“ (SWF, orangefarbener Rahmen) aufgeführt. Die Werte für das lasergestützte Fügen, die PU-Verklebung und das NIR-Verfahren sind auf Vergleichsproben zurückzuführen, welche von industriellen Produzenten stammen. Demzufolge konnten für diese Verfahren keine gleichen Holzwerkstoffe als Substrat gewährleistet werden. Es ist grundsätzlich zu erkennen, dass für das vorwettbewerbliche „Strahlungswärme-Fügen“ konkurrenzfähige Schälmomente erreicht werden können. Die drei linken Boxen für das SWF-Verfahren sind mit steigender Vorschubgeschwindigkeit von 5; 7,5 und 10 m/min von links nach rechts sortiert. Die geringfügige Abnahme der Verbundfestigkeit ist darauf zurückzuführen, dass ansonsten gleichbleibende Prozessparameter (z.B. Strahlertemperatur) vorlagen. Würde eine geschwindigkeitsbereinigte Leistungseinstellung zugrunde gelegt werden, könnten konstante Werte für das Schälmoment erreicht werden. Dies war jedoch zunächst nicht die Zielstellung. Darüber hinaus ist weiterhin zu erkennen, dass die etablierten Verfahren ebenfalls einen ähnlichen Streubereich der Schälmomente aufweisen. Bei einem gleichen Holzwerkstoff erreicht eine Verklebung mit Polyurethan (PU) die höchsten Werte. Für eine umfassendere Bewertung der Verbundfestigkeit sind jedoch weitere Prüfmethoden durchzuführen, welche insbesondere Aussagen zur klimatischen Beständigkeit (z.B. Feuchtklimabeständigkeit) ermöglichen.

Abbildung 5: Darstellung des Schälmoments M als quantitative Vergleichsgröße für die Verbundfestigkeit von Referenzproben des konventionellen Schmelzklebstoffauftrags (HM), des Laserfügens, einer PU-Verklebung, des Nahinfrarot-Verfahrens und dem Entwicklungsstand des „Strahlungswärme-Fügens“ (SWF) mit den Holzwerkstoffen Spanplatte (PB) und Faserplatte (FB)

Veröffentlichungen

Anonymous:
Bekanten per Strahlungswärme-Fügen.
HOB Die Holzbearbeitung 06/2017, S. 53.
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Anonymous:
Kantenanleimen morgen.
DDS Februar 2018, S. 60.
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Herzberg, M.; Korn, C.; Wagenführ, A.:
Energieeffiziente Schmalflächenbeschichtung mit keramischen Heizelementen.
In: holztechnologie 60 (3), 2019, S. 30-36

Herzberg, M.; Wagenführ, A.:
Energy Efficient and Controlled Narrow Surface Coating Process with Multi-layer Ceramic Materials.
In: Proceedings of the 24th International Wood Machining Seminar (IWMS-24), Corvallis, Oregon, USA, 2019, S. 165-172

Herzberg, M.; Wagenführ, A.:
Energy Efficient and Controlled Narrow Surface Coating Process with Multi-layer Ceramic Materials - Presentation.
24th International Wood Machining Seminar (IWMS-24), Corvallis, Oregon, USA, 2019

Hinweise

Das IGF-Vorhaben wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Das Forschungsvorhaben wurde von einem Industrie-Arbeitskreis unter Beteiligung der Firmen HIB Gesellschaft für Industrieautomation mbH, Holz-Her GmbH, Homag Group AG, IMA Schelling Deutschland GmbH, Jakob Schmid GmbH + Co. KG, Leitz GmbH & Co. KG, Leuco Ledermann GmbH & Co KG, Moderne Kunststoff-Technik | Gebrüder Eschbach GmbH, SACHSENKÜCHEN H.-J. Ebert GmbH, SGE Spezialgeräteentwicklung GmbH und watttron GmbH im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

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Effiziente Späneerfassung

Titel: Effizienzsteigerung der Späneerfassung bei der spanenden Bearbeitung von Verbund- und Holzwerkstoffen sowie Kunststoffen

Forschungsstelle 1: IfW der Universität Stuttgart
Forschungsstelle 2: Fraunhofer IPA Stuttgart

Laufzeit: 01.12.2016 – 30.11.2018 (verlängert bis 31.3.2019)
IGF-Forschungsvorhaben 19163 N

Ausgangssituation

Mit durchschnittlich 45 % hat die Absauganlage den mit Abstand größten Bedarf an elektrischer Energie in einem holzverarbeitenden Betrieb bei der spanenden Bearbeitung von Holz und Holzwerkstoffen. In der Vergangenheit stand primär die Steigerung der Erfassungsraten im Vordergrund, um die gesetzlichen Grenzwerte für die Konzentration für Holzstaub in der Luft am Arbeitsplatz, 2 mg/m³ Holzstaub-Konzentration, einzuhalten. Heute rückt aus wirtschaftlichen wie auch politischen Gründen die Energieeffizienz in der Produktion immer weiter in den Vordergrund.

Die durch die Absaugung nicht erfassten Späne und Stäube verschmutzen nicht nur das Werkstück, sondern führen auch zu einer schlechteren Bearbeitungsqualität (Abbildung 1). Die Werkstücke müssen nach der Bearbeitung von Staub und Späne gesäubert werden. Dieser zusätzliche Arbeitsgang erhöht nochmals die Staubbelastung am Arbeitsplatz.

Abbildung 1: Späneproblematik bei der Bearbeitung in einem Bearbeitungszentrum

Ergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Ist-Situation bei der Erfassung von Späne und Stäuben durch Absaugeinrichtungen ermittelt. Für die Holzbearbeitung wurde ein Musterprozess zur Beurteilung von Erfassungsgraden für CNC-Bearbeitungszentren entwickelt (Abbildung 2). Dieser orientiert sich dabei an für die Holzbearbeitung typischen Bearbeitungsoperationen bei der Plattenbearbeitung zur Herstellung von Möbelstücken. Der Musterprozess berücksichtigt Bearbeitungsprozesse, die in Voruntersuchungen einen geringen Erfassungsgrad durch das Absaugsystem offenbarten. Untersuchungen mit dem Musterwerkstück zeigen, dass der Erfassungsgrad neben der Luftgeschwindigkeit innerhalb der Absaughaube auch von den zu bearbeitenden Werkstoffen beeinflusst wird, da bei den Bearbeitungsoperationen unterschiedliche Größenverteilungen bei den Späne- und Staubfraktionen vorliegen.

Abbildung 2: Musterprozess zur Ermittlung des Erfassungsgrads eines CNC-Bearbeitungszentrums

Zur Erfassung des Ist-Zustandes der Zerspanung und Absaugung von Faserverbundkunststoffen wurde eine Markstudie durchgeführt. Hierbei wurden 14 Unternehmen in Deutschland aus den Branchen Automotiv, Luftfahrt und Maschinenbau vor Ort befragt. Dabei wurden 48 Maschinen betrachtet und die darauf ablaufenden Zerspanprozesse analysiert und bewertet.

Es zeigte sich, dass im Durchschnitt nur etwa 58 % der anfallenden Partikel durch die installierten Absaugsysteme erfasst werden. Dies führt zu einem hohen manuellen Reinigungsaufwand, der im Mittel etwa 43 min je Schicht und Maschine beträgt. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass die im Spangut anfallenden Feinstäube von den Absaugsystemen deutlich besser erfasst werden, als die größeren Partikel. Um eine hohe Mitarbeiterakzeptanz für die Arbeitsplätze zu schaffen ist es allen befragten Unternehmen „sehr wichtig“ oder „wichtig“, die Arbeitsplatzgrenzwerte einzuhalten.

Aufbauend auf dem Musterprozess wurde, in Abhängigkeit der Spanform, je nach Werkstoff und Prozess ein Regelkonzept für die minimalen Absauggeschwindigkeiten erarbeitet. Dadurch wurden die theoretisch maximal möglichen Geschwindigkeitsreduzierungen der Absaugung aufgezeigt.

Im Projekt wurde zudem ein energetischer Vergleich von zentraler und dezentraler Absaugung unter Einstellung vergleichbarer Betriebspunkte durchgeführt. Hierbei wurden Produktionsstätten-Szenarien kleinerer und mittlerer Größe (Anzahl an abzusaugenden Maschinen) miteinander verglichen.

Dabei ist eine Energieeinsparung der dezentralen gegenüber der zentralen Absaugung von bis zu 25 % gemessen worden. Es ist anzumerken, dass durch eine prozessabhängige Reduzierung der Absauggeschwindigkeiten weitere Einsparungen realisierbar sind. Demgegenüber stehen höhere Anschaffungskosten bei mehreren Entstaubern sowie höhere Wartungskosten.

Zudem führt ein dezentrales Sammeln der abgesaugten Partikel zu weiteren Herausforderungen hinsichtlich einer zentralen Entsorgung. Dazu wurden im Forschungsprojekt verschieden Entsorgungs- bzw. Abtransportsysteme untersucht.

Ein Einsatz bestand in der werkzeugnahen Absaugung des Spanguts durch ein adaptives Absaugsystem, das anhand von Sensoren den beim Fräsen auftretenden Partikelstrahl detektiert und zielgerichtet absaugt. Hierzu wurden thermo-optische Sensoren qualifiziert und in einer ringförmigen Anordnung in dem Absaugsystem installiert. Dieses besitzt ein frei um die Werkzeugachse rotierbares Absaugrohr, das mittels eines Schrittmotors und anhand der Sensordaten gesteuert wird.

Tests des Absaugsystems zeigten hohe Erfassungsraten bei der 3-Achs-Bearbeitung, auch bei hohen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten. Hierbei konnte der Energieverbrauch durch den werkzeugnahen Einsatz stark reduziert werden. Bei schnellen Richtungswechseln, Eintauchbewegungen oder der 5-Achs-Bearbeitung konnten jedoch nicht alle Partikel prozesssicher erfasst werden, sodass eine zusätzliche Raumabsaugung für einen Luftwechsel vor dem Betreten der Maschine sinnvoll erscheint.

Abbildung 3: Absaugsystem ADExSys für eine werkzeugnahe Absaugung, Erfassung der Späne bei unterschiedlichen Absaugeinstellungen

Zur Optimierung der Luftführung im Arbeitsraum der Maschine und zur Optimierung des Absaugrüssels wurde ein Strömungsmodell auf Basis einer CFD-Simulation mit einer gekoppelten DEM-Partikelsimulation entworfen. Dieses ermöglichte die Simulation einer Vielzahl von Einzelpartikeln in einem Luftstrom, wobei die Partikelform und Größenverteilungen an die tatsächlich auftretenden Holz- und Faserverbundwerkstoffpartikel angelehnt sind.

Mit der werkzeugnahen Absaugung ADExSys in Kombination mit einer regelbaren dezentralen Absaugung konnte eine Energieeinsparung aufgezeigt werden.

Veröffentlichungen

Schneider, M.; Stehle, T.; Möhring, H.-C.:
Absaugung von Span- und Staubpartikeln, Entwicklung eines Prozesses zur Bewertung des Erfassungsgrades bei Absaugeinrichtungen.
wt Werkstattstechnik online 108 (2018) Nr. 1/2, S. 95-99.
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Möhring, H.-C.; Schneider, M.; Kimmelmann, M.:
Reduktion des Energieverbrauchs von Absauganlagen durch adaptive Rohrquerschnitte.
HOB - Die Holzbearbeitung 65 (2018) Nr. 7/8, S. 32-33.

Möhring, H.-C.; Stehle, T.; Schneider, M.:
Holzstaubemissionen an CNC-Bearbeitungszentren.
Holz Energie Tagung Baden Württemberg, ALS Kolloquium 2018 Rottenburg, 22.11.2018.

Hinweise

Das IGF-Vorhaben wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Das Forschungsvorhaben wurde von einem Industrie-Arbeitskreis unter Beteiligung der Firmen Altendorf GmbH, EiMa Maschinenbau GmbH, ESTA Apparatebau GmbH & Co. KG, Holz-Her GmbH, Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, IMA Schelling Deutschland GmbH, Jakob Schmid GmbH + Co. KG, LEUKA, Inh. Karlheinz Leuze e.K., Reichenbacher Hamuel GmbH, Schuko Bad Saulgau GmbH & Co. KG, SPÄNEX GmbH, TBH GmbH und der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

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Bildnachweis: IfW der Universität Stuttgart, INT der TU Dresden