Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

Holz ist und bleibt ein wichtiger Roh- und Werkstoff. Die Holzwirtschaft in Deutschland weist in der Statistik 2010 insgesamt 93.451 Unternehmen mit einem Umsatz von 165,4 Mrd. Euro aus. 2012 wurden mehr als 37 Mio. m3 Holz in deutschen Sägewerken weiterverarbeitet. Dabei entstehen Späne und Stäube. Gerade der Staub bei der Verarbeitung 20 Mio. m3 Holz pro Jahr für die Herstellung von Holzwerkstoffen bereitet große Probleme. Alleine die Branche der Tischler und Schreiner mit mehr als 42.000 Betrieben und knapp 185.000 Beschäftigten erwirtschaften in Deutschland einen Jahresumsatz von mehr als 17 Mrd. Euro. Gut 80 % der Betriebe haben zwischen einem und neun Mitarbeitern, weniger als 3 % der Betriebe haben mehr als 20 Beschäftigte. Die Analyse des Spanentstehungsprozesses schafft ganz grundlegende, essentiell wichtige Kenntnisse zum Austrittsverhalten von Spänen und Stäuben aus der Schnittfuge und dem Spanraum. Erst dadurch können die spanerzeugenden und die Dynamik bestimmenden Eigenschaften optimiert und besser konditioniert den Absauganlagen bereitgestellt werden. Durch die Kenntnis der realen Prozesse der Spanentstehung und Prozessergebnisse lassen sich Simulationen umsetzen, zielgerichtet effektivere Absauganlagen realisieren und die Staub- und Spänebelastung reduzieren. Weniger unkontrollierte Spanprodukte bedeuten weniger Doppelzerspanung, Standzeiten der Werkzeuge werden heraufgesetzt, weniger Wartungsarbeiten an Maschinen, unproduktive Nebenzeiten verringert, geringere gesundheitsschädliche Arbeitsplatzkontamination mit lungengängigen, krebserregenden Stäuben und eine erhebliche Energieeinsparung, da vorhandene Absauganlagen enorme Leistungsaufnahmen haben. Entlang dieser Vorteile ist auch der Nutzerkreis: Werkzeughersteller, die neue, innovative Produkte auf den Markt bringen, Anwender, die ihre Prozesse effektiver und bedienerfreundlicher gestalten und Maschinenhersteller, die effizientere und energiesparende Aggregate zur Verfügung stellen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde die reale Spanentstehung und Dynamik sowie deren Optimierung zur ganzheitlichen Spanerfassung untersucht. Es konnte ein Messverfahren entwickelt und validiert werden, welches die individuelle Span- und Staubentstehung und die hochdynamischen Prozesse im Spanraum, aber auch außerhalb des Spanraums und der Schnittfuge optisch kontinuierlich abbilden kann. Hierzu wurde eine Hochgeschwindigkeitskamera an eine optische Einheit adaptiert, welche durch ein mitrotierendes Dove-Prisma die schnelldrehenden Kreissägeblätter optisch in den Stillstand versetzt. Erst hierdurch wurde es möglich die hochdynamischen Prozesse der Spanbildung und des Spänefluges auch bei realen Schnittgeschwindigkeiten von 80 m/s zu untersuchen. Um den realen Prozess beim Sägen abbilden zu können, wurde eine Vorschubeinheit für den Versuchsstand entwickelt, welche das Werkstück mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 200 m/min dem Sägeprozess zuführen kann. So konnten unterschiedliche Spanentstehungsszenarien auch unter verschiedenen Prozessparametern beobachtbar gemacht werden und zeigten, welche Faktoren, wie z. B. die Zahngeometrie und die Spanraumgestaltung Einfluss auf die Spanentstehung, sowie den Spanabflug aus dem Werkzeug und der Schnittfuge nehmen. In Abhängigkeit der Zahnformtypen und der Prozessparameter wurden die Spanentstehung, die Flugtrajektorien und Austrittswinkel sowie deren Geschwindigkeiten bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden helfen, eine ganzheitliche Spanerfassung zu realisieren. Die ermittelten kinematischen Daten des Spanabfluges liefern zusätzliche Eingangsdaten für die rechnerische Simulation des nachgelagerten Spanfluges zur Optimierung von Absauganlagen.