Experimentelle Untersuchung, numerische Modellierung und modellbasierte Analyse des reibungsbehafteten Klinge-Schnittgut-Kontaktes beim Trennen von Naturstoffen

In der Lebensmittelindustrie werden zahlreiche Produkte durch Schneidprozesse mit Messerklingen in kleinere Einheiten definierter Geometrie zerteilt, etwa Käsescheiben oder Karamell-Kaubonbons. Die Qualität der Schnittflächen sowie die Prozessstabilität werden dabei maßgeblich von Parametern wie Schneidgeschwindigkeit und Temperatur beeinflusst. Der Schneidvorgang selbst ist durch eine komplexe Wechselwirkung dreier dissipativer Mechanismen gekennzeichnet: inelastische Deformation, Materialtrennung sowie die Reibung zwischen Klinge und Schnittgut.

Während im Vorgängerprojekt bereits die ersten beiden Mechanismen umfassend untersucht wurden, bleibt der Einfluss der Reibung bislang unzureichend verstanden. Dabei legen experimentelle Ergebnisse nahe, dass die Reibung bis zu 50 % der aufzubringenden Schneidarbeit ausmachen kann und die Adhäsion zwischen Klinge und Schnittgut einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Trennflächen hat. Ziel dieses Projektes ist es daher, den Schneidprozess durch eine experimentelle und modellbasierte Analyse der Reibungsmechanismen physikalisch fundiert zu beschreiben.

Hierzu wird ein hybrider Ansatz verfolgt, der experimentelle Untersuchungen mit einer kontinuumsmechanischen Modellierung kombiniert. Die experimentelle Analyse konzentriert sich auf die systematische Untersuchung der Reibspannungen in Abhängigkeit von Kontaktparametern wie Druck und Relativgeschwindigkeit. Parallel dazu wird das bestehende Rissphasenfeldmodell weiterentwickelt, um den reibungsbehafteten Kontakt mit versagendem Material abzubilden. Ergänzend werden die kleinskaligen Adhäsionsmechanismen analysiert, um ihre makroskopischen Auswirkungen auf die Reibung zu quantifizieren.

Das Forschungsvorhaben leistet einen wesentlichen Beitrag zur physikalischen Modellierung und Optimierung industrieller Schneidprozesse. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen eine gezielte Anpassung von Prozessparametern ermöglichen, um energieeffiziente Schneidprozesse mit hoher Produktqualität und Stabilität zu realisieren.

Kooperationspartner:

Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik (Professor Markus Kästner)

Projektfinanzierung: