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.


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
IGF-Forschungsvorhaben 11956/16

Ausgangssituation

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 müssen aber die Maschinenkapselungen an den Bearbeitungszentren immer größer dimensioniert werden, um die Vielzahl von Aggregaten (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 Massen. Um diesem Trend entgegen zu wirken, wird der Einsatz von Leichtbaumaterialien für die Maschinenkapselung interessant, wobei aber diese Materialien in der aktuellen Norm EN 848-3 für die Rückhaltefähigkeit nicht berücksichtigt werden.

Zielsetzung

Das Ziel des Forschungsprojekts ist es geeignete Leichtbauwerkstoffe zu finden, die sich zur Anwendung als trennende Schutzeinrichtungen als Alternative zu bestehenden Lösungen, welche meist aus Stahlblech gefertigt sind, eignen. Dazu sollen die sicherheitstechnischen Eigenschaften (u.a. Rückhaltefähigkeit) dieser gewichtsreduzierten Materialien ermittelt werden. Zusätzlich wird auch eine Verbesserung des akustischen Verhaltens durch das neue Material angestrebt, da die Maschinekapselung die markanten Schallquellen (Spindel, Zerspanstelle) abschirmt.

Durch systematische Untersuchung und Festlegung alternativer Kapselwerkstoffe wird es möglich, diese Werkstoffe später ohne zusätzliche umfangreiche und teure Sicherheitsprüfungen von den Herstellern bereits in der Konstruktionsphase einzusetzen. Dadurch werden die großen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile gegenüber bestehenden Lösungen aufgezeigt und dokumentiert.

Durch die Ergebnisse können die 40.000 Beschäftigten der Holzbe- und -verarbeitung in Deutschland von der verbesserten Maschinensicherheit und den besseren Arbeitsbedingungen sowie die 498 Werkzeugmaschinenhersteller (55% KMU) durch die Steigerung der Leistungsfähigkeit, Verringerung der Schallemission und Verbesserung der Energieeffizienz der Werkzeugmaschinen bei gleicher Rückhaltefähigkeit profitieren.

Abbildung 1: trennende Schutzeinrichtungen bei Holzbearbeitungsmaschinen

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 FlexiCAM GmbH, HEMA Maschinen- und Apparateschutz GmbH, HOLZ-HER GmbH, Homag GmbH, IMA Klessmann GmbH, Keck GmbH, Oechsle GmbH, Reichenbacher Hamuel GmbH, Stadur Produktions GmbH & Co KG, studio LTA GbR sowie des Instituts für Arbeitsschutz der DGUV und der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.


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
IGF-Forschungsvorhaben 19575 BR

Ausgangssituation

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.

Zielsetzung

Das Forschungsprojekt beabsichtigt die Entwicklung eines Fügeverfahrens für Schmalflächen an Holzwerkstoffplatten mittels keramischer Heizelemente (kurz: Strahlungswärme-Fügen). 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. Dabei werden 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. Das Strahlungswärme-Fügen kann im Gegensatz zum Laser auch flächig hohe Energiemengen wirkstellennah deponieren.

Weiterhin kann durch die Realisierung vieler einzeln steuerbarer Heizzonen der zu erwärmende Bereich werkstoffspezifisch und formatspezifisch angepasst und somit eine unerwünschte Überhitzung umliegender Bereiche vermieden werden. Vor allem die Inhomogenität der Holzwerkstoffe z. B. bei den Dichteunterschieden zwischen Deck- und Mittelschicht wird dadurch berücksichtigt. Für Anwendungsfälle an Kantenanleimmaschinen (KAM) mit sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten können mehrere Strahlungsheizer modular hintereinander eingesetzt werden.

Abbildung: Im Projekt angestrebte, sehr wirkstellennahe Integration der kompakten, keramischen Heizstrahler bei der Schmalflächenbeschichtung

Veröffentlichungen

Anonymous
Bekanten per Strahlungswärme-Fügen.
HOB Die Holzbearbeitung 06/2017 S. 53
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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.

Das Forschungsvorhaben wird von einem Industrie-Arbeitskreis unter Beteiligung der Firmen HIB Gesellschaft für Industrieautomation mbH, Holz-Her GmbH, Homag Group AG, IMA Klessmann 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.


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
IGF-Forschungsvorhaben 19422 N

Ausgangssituation

Das Zerspanen von Holz ist eine der meistgenutzten Anwendungen für Kreissägeblätter. Die verarbeitete Menge übertrifft aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten andere Bereiche wie das Zerspanen von Metall oder Steinzeug bei weitem. Holz wird in großen Sägewerken zur Bearbeitung von Holzstämmen ebenso eingesetzt wie bei kleinen holzverarbeitenden Betrieben. Der Kreissäge als Werkzeug kommt eine wesentliche Rolle hinsichtlich der Produktivität eines holzverarbeitenden Betriebs zu.

Bei der Holzzerspanung 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 hinunterreicht. Die entstandenen Späne und Stäube müssen mittels aufwendiger Absauganlagen und Filter entfernt werden.

Seitens der Verarbeiter und der Kunden steigen die Ansprüche hinsichtlich der Bearbeitungsqualität, aber auch hinsichtlich der Energieeffizienz. Ein Großteil der Energie wird durch die Absauganlagen verbraucht. 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 Anlagen und Werkzeuge.

Zielsetzung

Erstes Ziel des Forschungsprojektes ist 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. Hierzu wird erstmalig die individuelle Spanentstehung sichtbar. Durch eine optische Einheit, welches ein drehendes Objekt optisch in den Stillstand versetzt und einer Hochgeschwindigkeitskamera ist es an der Forschungsstelle erstmals möglich, die hochdynamischen Prozesse beim Trennvorgang am eingreifenden Zahn und im Spanraum optisch kontinuierlich abzubilden. Die Messungen werden 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. Die Erkenntnisse aus den Messungen tragen dazu bei, ein Systemverständnis aufzubauen und bilden die wissenschaftlich fundierte Grundlage zur Optimierung des Gesamtprozesses.

Abbildung 1: Rotierendes Werkzeug (links) optisch in den Stillstand versetzt (rechts)

Abbildung 2: Entstehung der Späne im Spanraum und deren Dynamik

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.

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


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
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, 2mg/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 das Werkstück und sorgen auch für eine schlechtere Bearbeitungsqualität. Die Werkstücke müssen nach der Bearbeitung von Staub und Späne gesäubert werden, dieser zusätzliche Arbeitsgang erhöht die Staubbelastung am Arbeitsplatz.

Zielsetzung

Das grundlegende Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens besteht in der deutlichen Senkung des Energiebedarfs der Absaugsysteme an Maschinen zur Holzbearbeitung wie auch zur Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen und Kunststoffen. Zur Steigerung der Energieeffizienz bei Absauganlagen werden zwei Wege eingeschlagen:

Für eine energieeffiziente Staub- und Späneerfassung an spanenden Werkzeugmaschinen sind daher beide Lösungsansätze, die werkzeugnahe Spanerfassungseinrichtung und die dezentrale Absauganlage, zu verbinden.

Abbildung1: Späneproblematik bei der Bearbeitung in einem Bearbeitungszentrum

Zwischenergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein Musterprozess zur Beurteilung von Erfassungsgraden für CNC-Bearbeitungszentren entwickelt. 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.

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

Untersuchungen mit dem Musterwerkstück zeigen, dass der Erfassungsgrad neben der Luftgeschwindigkeit innerhalb der Haube auch von den zu bearbeitenden Werkstoffen beeinflusst wurde, da bei der Bearbeitung unterschiedliche Größenverteilungen bei den Späne- und Staubfraktionen vorlagen.

In Abbildung 3 ist erkennbar, dass bei abnehmender Luftgeschwindigkeit am Anschlussstutzen der Erfassungsgrad bei den hier beispielhaft untersuchten Werkstoffen (Spanplatte, MDF-Platte) zurückging. Bei der geforderten Luftgeschwindigkeit (TRGS 553) von 20 m/s lag der Erfassungsgrad für Spanplatten bei 82,1 % und bei MDF bei 91,5 %.

Abbildung 3: Visualisierte Messergebnisse einer Parameterstudie bezüglich der erreichten Erfassungsgrade in Abhängigkeit der Luftgeschwindigkeit am Anschlussstutzen der Absaughaube

Der Unterschied im Erfassungsgrad beim Zerspanen von Spanplatte ist visuell bei den beiden gewählten Extrema der Luftgeschwindigkeit (11 m/s bzw. 30 m/s) erkennbar. Der Anteil der auf dem Werkstück und rund um das Bearbeitungszentrum liegenden Späne nahm bei zunehmenden Luftgeschwindigkeiten zwar stetig ab, d.h. der Erfassungsgrad der Absaughaube nahm zu. Da aber die eingestellte Luftgeschwindigkeit im direkten Zusammenhang zur Energieeffizienz der Absauganlage steht, ist daher ein Optimum zwischen der Luftgeschwindigkeit und des gewünschten Erfassungsgrads zu suchen.

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.

Das Forschungsvorhaben wird von einem Industrie-Arbeitskreis unter Beteiligung der Firmen EiMa Maschinenbau GmbH, ESTA Apparatebau GmbH & Co. KG, Holz-Her GmbH, Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, IMA Klessmann 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 Wilhelm Altendorf GmbH & Co. KG sowie der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) im projektbegleitenden Ausschuss begleitet und unterstützt.

 


Bildnachweis: C. Wyrwa, BMWi, IfW der Universität Stuttgart, INT der TU Dresden, FGW