Laufende Forschungsvorhaben


Auf dieser Seite stellen wir Ihnen die derzeit laufenden Forschungsvorhaben kurz vor.

Weitere Informationen zu den Vorhaben erhalten Sie von den jeweiligen Forschungsstellen.

Bei Interesse an der Mitarbeit an einem Vorhaben wenden Sie sich bitte an die FPH-Geschäftsstelle.

 


 

Strömungsmodell Nutsägen

Titel: Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung der Spanerfassung beim Nutsägen bzw. -fräsen von Holzwerkstoffen als Grundlage für deren Optimierung

Forschungsstelle 1: INT der TU Dresden

Forschungsstelle 2: ISM der TU Dresden

Laufzeit: 01.02.2020 bis 31.01.2022
IGF-Forschungsvorhaben: 20598 BR

Ausgangssituation

Maschinelle Zerspanungsprozesse von Holz und Holzwerkstoffen führen immer zur Bildung von Stäuben und Spänen, die kontinuierlich entfernt werden müssen. Eine unvollständige Erfassung der anfallenden Holzpartikel ist in vielerlei Hinsicht problematisch. Der anfallende Holzstaub ist ein schwebfähiger Gefahrstoff, der die Atmungsorgane des Menschen schädigen und zu Explosionen führen kann. Neben diesem Gefahrenpotential, zieht eine unvollständige Erfassung der Holzpartikel auch klare wirtschaftliche Nachteile im Fertigungsprozess nach sich. Beispielsweise entstehen während des Abstapelns von Werkstücken Qualitätseinbußen durch Spanabdrücke auf der Werkstückoberfläche. Darüber hinaus können liegengebliebene Späne den Verschleiß der Werkzeugschneiden durch sogenannte Doppelzerspanung erhöhen. Herzberg (2018) stellt die Probleme durch nicht erfasste Späne speziell für Kantenbearbeitungsanlagen der Möbelindustrie dar.

Viele der heute anzutreffenden Absauglösungen zur Spanerfassung sind ineffizient. Lachenmayr & Kreimes (2006) stellen heraus, dass bis zu 45 Prozent der für den Fertigungsprozess benötigten Energie nur für die Absauganlage anfällt. Der eigentliche Energieanteil zum Zerspanen (der Gesamtmaschine) liegt nur bei etwa 25 Prozent. Die Energiekosten für die kontinuierliche Absaugung sind also hoch. Gleichzeitig liegen die erzielten Erfassungsgrade meist deutlich unter 90 Prozent. Aktuelle Ansätze zur Verbesserung der Spanerfassung beruhen meist auf experimentellen Untersuchungen. Die heutigen Möglichkeiten der numerischen Strömungssimulation zur Auslegung und Optimierung von Spanerfassungselementen können nicht ausgeschöpft werden, da es sich um einen komplexen Gesamtprozess handelt, für dessen Beschreibung bis heute keine validierten Modelle existieren. Die beschriebenen Unzulänglichkeiten der heutigen Lösungen zur Spanerfassung zeigen ein lohnenswertes Forschungsfeld zur Verbesserung der Gesamtsituation in der Holz- und Möbelindustrie auf.

Zielsetzung

Ziel des Vorhabens ist es, durch zweckmäßige Kombination experimenteller und numerischer Untersuchungen und die Fokussierung auf die Prozessbereiche Spanemission, Spanflug, Spanerfassung und Spanabtransport am Beispiel des Nutsägens der simulationsgestützten Entwicklung von Spanerfassungssystemen den Weg in die industrielle Anwendung zu bereiten. Die numerische Strömungssimulation soll zukünftig als ein kostengünstiges Werkzeug und als Alternative zur experimentellen Optimierung von Absauglösungen für eine breite Anwendung zur Verfügung stehen. Die Untersuchungen orientieren sich am Beispiel des Nutsägens bzw. -fräsens, da dieser Prozess bis heute als besonders problematisch bezüglich einer umfassenden Spanerfassung angesehen wird.

Die Implementierung und erfolgreiche Abbildung der komplexen Prozesse während des Nutfräsens erfordert ein hohes Maß an Fachkompetenz und Erfahrung mit der Simulation von dispersen Mehrphasenströmungen. Deshalb wird das Forschungsprojekt in interdisziplinärer Kooperation zwischen der Professur für Holztechnik und Faserwerkstofftechnik und der Professur für Strömungsmechanik an der Technischen Universität Dresden durchgeführt.

Abbildung: Analyse des Späneflugsektors beim Nutsägen von Spanplatten (Foto: INT der TU Dresden)

Hinweise

Das o.g. IGF-Vorhaben wird 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.

Dieses Forschungsvorhaben wird unter Beteiligung der Firmen Crottendorfer Tischlerhandwerk GmbH, Holz-Her GmbH, HOMAG Group AG, Infratec GmbH, Kohnle GmbH, Ledermann GmbH & Co. KG, Mafell AG, REISS Büromöbel GmbH, Schiffler-Möbel GmbH sowie Spänex GmbH im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

Literaturquellen

Herzberg M (2018) Entwicklung eines Verfahrens zum Beschichten der Schmalflächen von Holzwerkstoffen mittels rotierender Ultraschallsonotrode. Dissertation, Technische Universität Dresden

Lachenmayr G, Kreimes H (2006) Energietechnik für die Holzindustrie. Retru-Verlag, Weyarn

 


 

Adaptronischer Blocksauger

Titel: Entwicklung eines sensorintegrierten, adaptronischen Blocksaugers zur aktiven Schwingungs- und Schallreduktion beim Fräsen von Holzwerkstoffen

Forschungsstelle: IWF der TU Braunschweig

Laufzeit: 01.09.2019 – 31.12.2021
IGF-Forschungsvorhaben: 20369 N

Ausgangssituation

In der Holzbearbeitung werden plattenförmige Werkstücke bei der Zerspanung auf stationären Bearbeitungszentren häufig mit Hilfe von mehreren Vakuumblocksaugern gespannt. Durch diese Art der Aufspannung ist zwar eine gute Zugänglichkeit des Werkstücks sowie ein schneller Spannvorgang gewährleistet. Allerdings neigt das Werkstück durch die punktuelle Aufspannung insbesondere beim Fräsen durch die Prozesskräfte zu Schwingungen. Zum einen können die Schwingungen Beschädigungen an den Werkstückoberflächen, z. B. durch Ausbrüche in der Deckschicht beschichteter Holzwerkstoffplatten, verursachen sowie die Lebensdauer der Fräswerkzeuge negativ beeinflussen. Zum anderen führen die Werkstückschwingungen zu einer Lärmabstrahlung vom Werkstück, die bei der Fräsbearbeitung die dominante Schallquelle darstellt.

Innerhalb des Schwerpunktprogramms 1156 „Adaptronik für Werkzeugmaschinen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft wurde daher am IWF bereits ein Spannsystem aufgebaut, das aus vier adaptronischen Vakuumblocksaugern besteht. In jedem dieser Blocksauger ist ein Piezoaktor verbaut, über den eine Gegenschwingung in das Werkstück eingebracht werden kann, welche die Schwingungen aus dem Zerspanprozess kompensiert. Mit diesem Spannsystem konnte eine deutliche Schwingungs- und Schallreduktion, jedoch nur bei einzelnen Schwingungsfrequenzen, erzielt werden. Bei der Schwingungsreduktion war diese zudem auf die für die Regelung verwendeten Sensorpositionen beschränkt. Allerdings musste für jede Werkstückgeometrie zunächst die Regelstrecke aufwendig bestimmt werden, was eine industrielle Anwendung bei einem heterogenen Teilestrom unmöglich machte. Zudem sind die Kosten für ein System mit vier adaptronischen Blocksaugern hoch, was eine Umsetzbarkeit im industriellen Umfeld ebenfalls erschwert.

Zielsetzung

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, auf der Grundlage der Ergebnisse des Schwerpunktprogramms 1156 der Deutschen Forschungsgemeinschaft ein Vakuumspannsystem für plattenförmige Werkstücke, bestehend aus mehreren konventionellen und einem adaptronischen Vakuumblocksauger, zu entwickeln. Durch die Verwendung eines einzelnen adaptronischen Vakuumblocksaugers können die Kosten für das System gegenüber der bestehenden Lösung deutlich reduziert werden.

Außerdem soll der neu zu entwickelnde, adaptronische Blocksauger durch integrierte Kraft- und Schwingungssensoren in der Lage sein, die für die Regelung notwendige Regelstreckenidentifikation automatisiert und ohne zusätzliche Messaufbauten bestimmen zu können. Auf diese Weise soll eine Anpassung der Regelung an unterschiedliche Werkstückgeometrien und Werkstückmaterialien erfolgen können. Zudem wird durch die Verwendung eines einzelnen adaptronischen Blocksaugers der Regelungsaufwand reduziert. Zusätzlich soll die Positionierung der Sensoren zur Schwingungs- und Schallregelung optimiert werden.

Abbildung 1: Konzeptbild des adaptronischen Blocksaugers

Hinweise

Das o.g. IGF-Vorhaben wird 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.

Dieses Forschungsvorhaben wird unter Beteiligung der Firmen 3D ICOM GmbH & Co. KG, BDW - BINKA Diamantwerkzeug GmbH, HOMAG Group AG, ifm diagnostic GmbH, IMA Schelling Deutschland GmbH, Jakob Schmid GmbH & Co. KG, J. Schmalz GmbH, LEUCO Ledermann GmbH & Co. KG, pro-micron GmbH & Co. KG und Treppenbau Plath GmbH im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

 


 

Reduzierung des Schneidstoffverschleißes

Titel: Klebfugeninduzierter Schneidstoffverschleiß bei der spanenden Bearbeitung von geklebten Lagenwerkstoffen (AdhWear)

Forschungsstelle: Hochschule für Nachhaltige Entwicklung Eberswalde

Laufzeit: 01.11.2018 – 30.04.2021
IGF-Forschungsvorhaben 20247 BR

Ausgangssituation

Flächig verklebte Holzwerkstoffe lassen sich leicht mit allen konventionellen spanenden Werkzeugen bearbeiten. Allerdings führen die spezifischen Eigenschaften der eingesetzten Substrate (Holz, Beschichtungsstoff) sowie der Klebstoffsysteme zu ungleichmäßigem Verschleiß der Schneidstoffe. Dabei verursacht die Klebstofffuge schon nach kurzem Vorschubweg einen deutlich höheren, lokalen Verschleiß an den Werkzeugschneiden und sorgt somit für mehr Material- bzw. Fertigungskosten als die reine Massivholzbearbeitung (z.B. höhere Kosten bei der Oberflächenbearbeitung durch Ausbildung einer Wulst im Bereich der Klebefuge, siehe Abbildung 1). Verschiedene zusätzliche Arbeitsschritte sowie eine im Einzelfall optimierte Schneidstoffauswahl (in einem aufwändigen Ausschlussverfahren) werden aktuell zur Löung der Herausforderunegn eingesetzt. Insbesondere bei variierenden Fugenpositionen und profilierten Fräsungen können diese nicht eingesetzt werden. Daher sind für die spanende Bearbeitung dieser Verbunde neue Konzepte zur Auswahl des optimalen Klebstoffs nötig. Nur wenn die Einflussparameter der Klebefuge (Klebstoffart, Füllstoffart und –gehalt, Breite, Alter) auf den Schneidenverschleiß sowie deren Wechselwirkungen richtig identifiziert und bewertet werden, ist es möglich, den Klebstoff für die jeweilige Anwendung zu optimieren.

Zielsetzung

Ziel des Forschungsprojektes ist es, klebstoffspezifische verschleißverursachende Faktoren bei der spanenden Bearbeitung hölzerner Lagenwerkstoffe zu identifizieren und zu charakterisieren. Aufbauend auf dieser Analyse der Wirkzusammenhänge von Füllstoffen und Schneidenverschleiß und einer darauf aufbauenden Änderung der notwendigen Füllstoffe soll eine Reduzierung des durch Klebstoff lokal erhöhten Schneidenverschleißes ermöglicht werden. Daraus soll die Entwicklung entsprechend angepasster Klebstoffsysteme abgeleitet bzw. Vorschläge für verschleißmindernde Zuschlagstoffe gegeben werden. Eine in diesem Rahmen abgeleitete Kennzahl für die klebstoffspezifische Verschleißwirkung soll auch für eine bessere Klebstoffauswahl des individuellen Prozesses dienen und Produktionskosten relevant reduzieren.

Eine Reduzierung des klebstoffinduzierten Schneidstoffverschleißes senkt die Kosten der Fertigung aller beteiligten Unternehmen (zum größten Teil KMU), da z.B. das Längs- und Formatfräsen (Vierkantprofile) als grundsätzlicher Bearbeitungsschritt vor der restlichen Fertigung durchgeführt wird. Nach Aussage der Industrie sind die Kosten daraus als sehr hoch zu bewerten. Erfahrungsgemäß können z.B. beim Bearbeiten/Fräsen unverklebter Materialien bis zum drei- bis fünffachen mehr Standweg erwartet werden als von Hölzern, die verklebt wurden.  

Abbildung 1: Streifenbildung durch partiellen Schneidenausbruch

Hinweise

Das IGF-Vorhaben wird 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.

Dieses Forschungsvorhaben wird unter Beteiligung der Firmen AKE Knebel GmbH & Co. KG, Certizit S.A., Hans Timm Fensterbau GmbH & Co. KG, Holz Schiller GmbH, Holzwerke Bullinger GmbH & Co. KG, Jowat SE, Leitz GmbH & Co. KG, Leuco AG, Süd-Fensterwerk GmbH & Co. KG, Tigra GmbH und Türmerleim GmbH im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

 

 


Bildnachweis: C. Wyrwa, INT der TU Dresden, IWF der TU Braunschweig, HNE Eberswalde, BMWi