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Beschreibung

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.

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.

Das Forschungsvorhaben IGF Nr. 20598 „Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung der Spanerfassung beim Nutsägen bzw. -fräsen von Holzwerkstoffen als Grundlage für deren Optimierung“ wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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).