Forschungsgruppe

Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung

Forschungsprojekte der Abteilung Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung

Forschungsprojekte Holz- und Verbundwerkstoffbearbeitung

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Musterwerkstück (c) IfW
Musterwerkstück
Effizienzsteigerung der Späneerfassung bei der spanenden Bearbeitung von Verbund- und Holzwerkstoffen sowie Kunststoffen

Mit durchschnittlich 45 % hat die Absauganlage den mit Abstand größten Bedarf an elektrischer Energie in einem holzverarbeitenden Betrieb. In der Vergangenheit stand primär die Steigerung der Erfassungsraten im Vordergrund, um die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten.Heute rückt die Energieeffizienz in der Produktion immer weiter in den Vordergrund.

Das grundlegende Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens besteht in der deutlichen Senkung des Energiebedarfs der Absaugsysteme an Maschinen zur Holzbearbeitung wie auch zur Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen und Kunststoffen. Zur Steigerung der Energieeffizienz bei Absauganlagen werden zwei Wege eingeschlagen:

  • selbstregelnde dezentrale Absauganlage
  • werkzeugnahen Spanerfassungseinrichtung

Für eine energieeffiziente Staub- und Späneerfassung an spanenden Werkzeugmaschinen sollen beide Lösungsansätze verbunden werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein Musterprozess nzw. Musterwerkstück zur Beurteilung von Erfassungsgraden für CNC-Bearbeitungszentren entwickelt. Untersuchungen mit dem Musterwerkstück zeigen, dass der Erfassungsgrad außer von der Luftgeschwindigkeit innerhalb der Haube auch von der Größenverteilungen der Späne- und Staubfraktionen abhängt.

Gefördert durch: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) 
aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) 
aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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Strömungssimulation (c) IfW
Strömungssimulation
Lärmarme Kreissägeblätter in der Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung

Lärm gehört nach wie vor zu den häufigsten Gesundheitsgefährdungen in der Holzbearbeitungsindustrie. Der Geräuschpegel von Kreissägen liegt nahezu immer an oder über den zulässigen Lärmgrenzwerten. Die bisher verfolgten Strategien zur Reduzierung der Schallemission verändern das akustische Verhalten eines Kreissägeblattes jedoch nicht wesentlich, denn sie bekämpfen eher die Folgen und weniger den Entstehungsmechanismus des Schalls bei rotierenden Kreissägeblättern.

Untersuchungen am IfW haben gezeigt, dass heutige Kreissägeblätter einen überdimensionierten Spanraum aufweisen, damit während der Zerspanung in jedem Fall ein sicherer Spanabtransport gewährleistet ist. Im Rahmen der Forschungsarbeiten sollen konstruktive Änderungen an der Stammblatt- und Zahnformgeometrie untersucht werden, die z.B. durch Reduzierung und Optimierung der Spanräume, weniger Luftturbulenzen verursachen. Im Fokus steht dabei die Erforschung des Einflusses verschiedener Geometrieparameter wie bspw. Zahnrückenlänge, Zahnform oder Spanraumradius auf das akustische Verhalten eines Kreissägeblattes. Ziel ist es, durch geeignete Maßnahmen in der Gestaltung der Kreissägeblätter, das Strömungsverhalten im Hinblick auf eine Reduzierung der Schallemissionen zu beeinflussen, ohne dabei die Zerspanfähigkeiten des Kreissägeblattes essentiell zu beinträchtigen. Das Vorhaben stützt sich dabei auf experimentelle Zerspanuntersuchungen, akustische Messanalysen sowie aeroakustische Simulationen.

Gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

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Trennende Schutzeinrichtung (c) IfW
Trennende Schutzeinrichtung
Steigerung der Arbeitssicherheit an stationären Holzbearbeitungsmaschinen durch Maschinenumhausungen aus Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen

Der Trend nach Komplettbearbeitung durch Verfahrensintegration bedingt eine zunehmende Nachfrage nach weiteren Zusatzaggregaten auf Holzbearbeitungsmaschinen. Durch diese Forderungen müssen aber die Maschinenkapselungen an den Bearbeitungszentren immer größer dimensioniert werden, um die Vielzahl von Aggregaten unterbringen zu können. Des Weiteren führen diese Aggregate zwangsläufig zu einer Zunahme der zu bewegenden Massen. Um diesem Trend entgegen zu wirken, wird der Einsatz von Leichtbaumaterialien für die Maschinenkapselung interessant, wobei aber diese Materialien in der aktuellen Norm EN 848-3 für die Rückhaltefähigkeit nicht berücksichtigt sind.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist es geeignete Leichtbauwerkstoffe zu finden, die sich zur Anwendung als trennende Schutzeinrichtungen als Alternative zu bestehenden Lösungen, welche meist aus Stahlblech gefertigt sind, eignen. Dazu sollen die sicherheitstechnischen Eigenschaften (u.a. Rückhaltefähigkeit) dieser gewichtsreduzierten Materialien ermittelt werden. Zusätzlich wird auch eine Verbesserung des akustischen Verhaltens durch das neue Material angestrebt, da die Maschinekapselung die markanten Schallquellen (Spindel, Zerspanstelle) abschirmt.

Durch systematische Untersuchung und Festlegung alternativer Kapselwerkstoffe wird es möglich, diese Werkstoffe später ohne zusätzliche umfangreiche und teure Sicherheitsprüfungen von den Herstellern bereits in der Konstruktionsphase einzusetzen. Dadurch werden die großen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile gegenüber bestehenden Lösungen aufgezeigt und dokumentiert.

Gefördert durch: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) 
aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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Konzept für ein Werkzeug mit Grundkörper aus CFK (c) IfW Uni Stuttgart
Konzept für ein Werkzeug mit Grundkörper aus CFK
Entwicklung hochdynamisch belastbarer leichter Werkzeuggrundkörper für die Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung

Der Trend zu immer höheren Schnittgeschwindigkeiten in der Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung erfordert immer größere Werkzeugdrehzahlen bzw. größer bauende Werkzeuge. Die Zunahme der geometrischen Abmessungen geht dabei stets mit einer Zunahme der Masse der Werkzeuge einher. Damit verbunden wird direkt das dynamische Verhalten der Werkzeugmaschine und der Werkzeugspindel beeinflusst. Bei bewegten Achsen (z.B. in CNC-Maschinen für die Fensterbearbeitung) treten durch schwere Werkzeuge mitunter hohe Beschleunigungskräfte auf. Auch sinken durch schwere Werkzeuge die kritischen Drehzahlen von Spindeln, wodurch die maximalen Drehzahlen begrenzt werden.

Um dem Trend zu immer höheren Drehzahlen gerecht zu werden, werden im Forschungsprojekt ein Werkzeug entwickelt, bei dem der Grundkörper aus Kohlenfaserverbundwerkstoff aufgebaut wird. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch hervorragende spezifische Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften aus, wie sie für den Einsatz von Werkzeugen in der Holzbearbeitung benötigt werden. Durch das im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten IGF-Projekts 20128N „Entwicklung hochdynamisch belastbarer leichter Werkzeug-grundkörper für die Holz- und Holzwerkstoffbearbeitung“ werden Lösungen erarbeitet, um diese Vorteile auf Werkzeuge zu applizieren. Im Projekt soll dabei stellvertretend ein Prototyp-Werkzeug mit Leichtbaugrundkörper für Hobelaufgaben entwickelt werden. Durch die vorwettbewerbliche Entwicklungsarbeit werden Fragestellungen zu geeigneten Herstellverfahren für den Grundkörper und die Anbindung von Schneid- und Schnittstellenelementen an diesen ausgearbeitet.

Die verfahrenstechnische Entwicklung von Prototypen für lastgerecht ausgelegte Werkzeuggrundkörper wird dabei von den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung (DITF) und die werkzeugseitigen Entwicklungen und Untersuchungen vom Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) durchgeführt. Durch die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wird die Eignung grundlegender Verfahren und Konzepte zur Herstellung von Werkzeugen mit Grundkörpern aus Faserverbundmaterial geschaffen, die anschließend von industrieller Seite durch den im Arbeitskreis vertretenen Mitgliedern umgesetzt werden können. Durch die weitgehend klein- und mittelständisch geprägten Branchen der textilverarbeitenden Unternehmen sowie den Holzbearbeitungsmaschinenbau werden auf diese Weise für alle beteiligten neue Absatzmärkte erschlossen. Gleichzeitig wird die Leistungsfähigkeit von Werkzeugen in der Holzbearbeitung durch leichtere Werkzeuge erhöht, sodass technologische Vorsprünge erschlossen werden.

Gefördert durch: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) 
aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
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Durchgängige Prozesskette (c) IfW
Durchgängige Prozesskette
Simplified Robotic Woodwork (SiRoWo)

Der Einsatz von Industrierobotern in der Produktion verbreitet sich immer mehr, wobei vor allem die Automatisierung von komplexen Montage- und Fügeprozessen im Vordergrund steht. Vereinzelt werden Roboter mittlerweile auch direkt für Produktionsprozesse wie Fräsen und Bohren eingesetzt. Es zeigt sich aber, dass die Einrichtung und die Programmierung dieser Prozesse in der Steuerung des Roboters sehr komplex und aufwändig sind. Deswegen hat der Roboter für diese Einsatzzwecke aktuell nur ein Randdasein. Darüber hinaus hat sich vor allem bei der Metallbearbeitung gezeigt, dass die Steifigkeit der Roboterkinematik häufig für diese Prozesse nicht ausreichend ist bzw. die auftretenden Bearbeitungskräfte zu hoch sind. Bei der Bearbeitung von Holz und holzähnlichen Werkstoffen, wie z.B. Faserverbundwerkstoffen oder Kunststoffen, reicht die kinematische Steifigkeit des Roboters dagegen häufig aus, da die benötigten Bearbeitungskräfte geringer sind. In den dortigen Anwendungen steht vielmehr die flexible Anpassung an komplexe Bauteile mit unterschiedlichsten Bearbeitungsverfahren im Fokus. Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens ist der Aufbau und die Inbetriebnahme einer prototypischen Bearbeitungszelle mit Industrierobotern, die es ermöglicht vollautomatisch komplexe Bauteile aus Holz oder holzähnlichen Werkstoffen herzustellen. Damit verbunden ist der Ansatz einer einfachen und anwenderfreundlichen Programmierumgebung umzusetzen.

Das IfW ist hierbei im Rahmen des Teilprojekts „Entwicklung und Integration von Strategien zur Bearbeitung von Holz- und Verbundwerkstoffen mit Robotern und einer Absauganlage für eine vollintegrierte Roboter-Bearbeitungszelle“ tätig. Das Ziel dieses Teilprojektes ist es, die technologischen Voraussetzungen für die unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren der Holz -und Verbundwerkstoffbearbeitung zu schaffen und die notwendige Peripherie für die Absaugung von Spänen und Stäuben sowie für die Aufspannung der Werkstücke zu entwickeln. Im Rahmen dieses Teilvorhabens werden die angedachten Bearbeitungsprozesse an die kinematischen Gegebenheiten eines Industrieroboters angepasst und mit Hilfe experimenteller Untersuchungen die benötigten Kenntnisse für eine intelligente Bahnplanung der Roboterbewegung und notwendige Indikatoren für die Prozessüberwachung ermittelt und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.

Gefördert durch die Förderinitiative „KMU-NetC“ aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

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Dieses Bild zeigt Güzel
Dipl.-Ing.

Kamil Güzel

Gruppenleiter Holzwerkstoffbearbeitung

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M. Sc.

Martin Kimmelmann

Gruppenleiter Verbundwerkstoffbearbeitung