Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung der Spanerfassung beim Nutsägen bzw.

-fräsen von Holzwerkstoffen als Grundlage für deren Optimierung (Modellierung Nutsägen)

Zerspanungsprozesse an Holz und Holzwerkstoffen führen zu großen Span- und Staubmengen, die zumeist durch Absauganlagen aus dem Fertigungsprozess zielgerichtet entfernt werden müssen. Diese Erfassungsprozesse erfordern aktuell sehr hohe energetische Aufwendungen und trotzdem sind die Spanerfassungsraten oft unbefriedigend. Das Versagen überbeanspruchter Erfassungselemente, die zumeist intuitiv und empirisch konzipiert wurden, führt zu unkontrollierten Span- und Staubemissionen in das Maschinenumfeld, die u. a. die Gesundheit der Beschäftigten, die Qualität der Werkstücke und den Maschinen- und Werkzeugverschleiß negativ beeinflussen.

Vor diesem Hintergrund wird das Ziel verfolgt, eine modellbasierte und numerisch fundierte Gestaltung der Strömungsverhältnisse beim Nutsägen zu erreichen. Eine darauf aufbauende Simulation bietet die Chance, Span- und Stauberfassungsszenarien gezielt zu entwickeln und den heute zumeist intuitiven Charakter durch wissenschaftlich fundiertes Vorgehen u. a. bei der Konstruktion und Dimensionierung von Erfassungssystemen zu ersetzen. Aufgrund der Komplexität des Prozesses wird eine experimentell-numerische Lösungsstrategie verfolgt.

Die angestrebte Modellierung soll beispielhaft für das Nutsägen bzw. -fräsen von Holzwerkstoffen entwickelt und erprobt werden. Durch das physikalisch begründete numerische Prozessmodell entstehen auch darüber hinaus verallgemeinerungsfähige Lösungsansätze für andere spanende Verfahren der Holzbearbeitung.

Entlang der Werkschöpfungskette agierende KMU profitieren von vereinfachten Berechnungsansätzen sowie optimierten Späneerfassungssystemen u. a. durch Energieeinsparung, Steigerung der Produktqualität, Senkung der Ausschussrate und Reinigungskosten sowie Verminderung gesundheitlicher Beeinträchtigungen der Beschäftigten. Die Verfügbarkeit allgemein gültiger Strömungsmodelle führt zu einer deutlichen Erweiterung des Prozesswissens und erleichtert die betriebsinternen Abläufe.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die im Forschungsvorhaben erprobte Kopplung von CFD-Methoden zur Berechnung des Strömungsfelds mit DEM-Methoden zur Simulation der Spanbewegung und -kollisionen konnte ein wesentlicher Fortschritt in numerischen der Untersuchung von Systemen zur Spanerfassung erreicht werden. Weitere wichtige Ergebnisse sind die Erprobung der experimentellen Form- und Größenanalyse der beim Nutsägen erzeugten Späne unter Nutzung der digitalen Bildverarbeitung und von Klassifizierungsmethoden sowie die Analyse der Spanbewegung durch Partikeltracking aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Damit können DEM-Modelle geeignet parametriert und Simulationsergebnisse validiert werden.

Durch die durchgeführten Modelluntersuchungen und Parameterstudien werden Forschungseinrichtungen und Unternehmen in die Lage versetzt, deutlich schneller zu realistischen Simulationen der Spanerfassung zu gelangen. Die untersuchten Spanerfassungssysteme können außerdem von den Unternehmen als Beispiele benutzt werden, anhand derer Entwicklungsingenieure ihr Problemverständnis zur Spanerfassung erweitern können. Die vorgelegten Ergebnisse sind zudem unmittelbar zur Optimierung oder Neuentwicklung von Erfassungselementen nutzbar.

Die Ergebnisse aus der experimentellen Untersuchung und numerischen Simulation der Spanfreisetzung zeigen die besondere Bedeutung der Spanraumgestaltung von Werkzeugen für die Spanerfassung. Werkzeughersteller können die DEM-Simulation nutzen und den Spanraum von Werkzeugen gezielt auf den Spanauswurf und an eine bestimmte Spanerfassungslösung anzupassen. Die Ergebnisse des Vorhabens sind damit eine gute Grundlage für Innovationen in diesem Bereich und bieten ein klares wirtschaftliches Potential.