Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung der Spanerfassung beim Nutsägen bzw. -fräsen von Holzwerkstoffen als Grundlage für deren Optimierung
Die Holzbearbeitung unterscheidet sich in mehreren Aspekten von traditionellen spanenden Bearbeitungsverfahren, bei denen das Sammeln und Entfernen von Spänen und Staub das größte Problem darstellt. Kühlflüssigkeiten können aufgrund der Materialeigenschaften von Holz nicht verwendet werden. Kombiniert mit den hohen Energiekosten für die Spanerfassung und der Gefahr, die Späne für den Bediener und den Arbeitsplatz darstellen, motiviert dies die Entwicklung von speziellen Lösungen zur Spanerfassung. Diese sind jedoch sehr spezifisch für die Maschine, das Schneidwerkzeug und den Prozess und erfordern daher eine lange Entwicklungszeit, was kleinere Unternehmen nicht bewerkstelligen können.
Für die Erstellung des Modells wird ein besonders anspruchsvoller Bearbeitungsprozess betrachtet, das Nuten. Dabei wird ein Kanal in eine Platte gefräst, der später für entsprechenden Montageschritten notwendig ist. Das Nuten erweist sich nicht nur bei der Entfernung der Späne aus der Luft und der gefrästen Nut als problematisch, sondern auch bei der Modellierung. Es muss ein rotierendes Werkzeug modelliert werden, welches das Material durch Schneiden von einer sich unter ihm bewegenden Platte abträgt und dabei eine breite Größen- und Formverteilung von Holzspänen erzeugt und auswirft. Um die Entwicklungsphase zu verkürzen, wird ein Modellierungsansatz vorgeschlagen, der vereinfachte Berechnungen mit empirischen Modellen aus der Kombination von vollständig aufgelösten Simulationen und Experimenten ermöglicht.
Förderperiode 1
Für eine im industriellen Umfeld praktikable Simulationsmethode wird eine kommerzielle Software verwendet, um den Spanauswurf und die Spanerfassung mit vereinfachten Punkt-Partikel-Trajektorien vom Schneidwerkzeug zu simulieren. Die Abschätzung der erforderlichen empirischen Koeffizienten für nicht-sphärische Partikel, die von diesem vereinfachten Modell verwendet werden, wurde durch vollständig aufgelöste Simulationen unterstützt. Als Abgleich kann auf eigene experimentell ermittelte Daten zurückgegriffen werden.
Ziel des Projekts war es, einen Modellierungsansatz zu präsentieren, indem aufwandsminimale Modelle identifiziert und die damit verbundenen Abweichungen abgeschätzt werden. Mit der Entkopplung der Simulation der werkzeuginduzierten Strömung von der Simulation des Spanflugs und der Spanerfassung sowie durch die Kombination von CFD-Simulation für das Strömungsfeld mit der DEM-Simulation der Bewegung und Kollisionen der größeren Späne wurde ein guter Kompromiss zwischen Aufwand und Genauigkeit gefunden. Mit dieser Methodik konnte expemplarisch eine modifizierte Lösung zur Spanerfassung entworfen werden.
Simulation des Spangflugs bei dem Nutsägen.
Der Schlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de, Tel.: +49 69 6603 1352).
Förderperiode 2
Als erfolgversprechender Ansatz zur Modellierung und Simulation der spanenden Holzbearbeitung wird aufgrund des breiten Größen- und Formenspektrums der Späne die Kopplung zwischen Fluid- und Partikelsimulation (CFD-DEM-Kopplung) weiter verfolgt.
Die Untersuchung praktischer Anwendungsfälle mit der zu entwickelnden Simulationsmethodik in Kombination mit entsprechenden experimentellen Untersuchungen dient der Demonstration der Gültigkeit der Modelle und der Praktikabilität der Methodik. Aus diesen Untersuchungen sollen außerdem konkrete Konstruktionsempfehlungen und reduzierte Simulationsmodelle abgeleitet und den insbesondere KMU der Branche bereitgestellt werden.
| Kooperation |
Professur für Holztechnik und Faserwerkstofftechnik. TU Dresden |
| Finanzierung |
BMWK |
| Kontakt |