Holzbearbeitung mit Überlagerung einer Ultraschall-Wechselbeanspruchung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Der wirtschaftliche Erfolg eines holzbearbeitenden Unternehmens hängt zu einem wesentlichen Teil von der Effizienz der eingesetzten Maschinen und Werkzeuge und von der Güte der entstehenden Holzprodukte ab. Sowohl gute Bearbeitungsqualität mit niedrigem Materialverlust und Werkzeugverschleiß (Materialeffizienz) als auch hohe Oberflächengüte der bearbeiteten Holzflächen sind neben der Nutzung von Energiesparpotentialen (Energieeffizienz) von Bedeutung. Die technische Entwicklung und Innovation geht somit in die Richtung handlichere (leichtere, kleinere), effizientere und schneller arbeitende Maschinen mit hohem Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer. In diesem Projekt soll Leistungs-Ultraschall für die Holzbearbeitung eingesetzt werden, um die notwendigen Trennkräfte beim Schneiden, Sägen und Spalten von Holz und Holzwerkstoffen markant zu reduzieren, definierte Trennflächen zu erhalten und die Trennenergie zu minimieren. Das zu bearbeitende Holzstück erfährt eine kombinierte Belastung aus einer Trennkraft (Sägen, Schneiden oder Spalten) und einer Ultraschall-Resonanzschwingung, sodaß sich die für die Bearbeitung notwendige Trennkraft signifikant reduziert. Verminderte Kräfte führen zu kleineren Deformationen der Holzoberfläche, wodurch eine entscheidende Verbesserung der Oberflächenqualität der entstehenden Holzprodukte auch bei dünneren Schnitten möglich ist. Weitere damit verbundene Vorteile sind die Reduktion der Abfälle (Holz), die Verminderung der Abnutzung der Maschine und der Werkzeuge und folglich die Erhöhung der Maschinenlebensdauer.

Voruntersuchungen am Institut für Meteorologie und Physik zeigten bereits, daß hochfrequente Vibrationen (20.000 Hz) die beim Trennen von Holz notwendigen Kräfte signifikant reduzieren können. Dabei wurde der statischen Kraft zum Trennen des Holzes eine Ultraschallschwingung überlagert, indem das Werkzeug in resonante Schwingung versetzt wurde. Im Rahmen dieses Projektes sollen nun folgende Schwerpunkte behandelt werden:

• Entwicklung und Optimierung einer Ultraschallanlage und Entwicklung eines Schneide- oder Sägeverfahrens für Holz, welches eine faktorielle Verminderung der Trennkräfte, effiziente Einsetzung elektrischer Energie durch Minimierung des beim Trennen irreversibel verformten Materialvolumens, bessere Bearbeitungsqualität, kontrolliertere und definiertere Bearbeitungsprozesse, kleineren Holzverlust und Werkzeugverschleiß und höhere Oberflächengüte gegenüber konventionellen Trennmethoden mit sich bringt.
  
• Erforschung der Deformationsprozesse im Holz während der Holzbearbeitung mit Ultraschallüberlagerung und Charakterisierung der grundlegenden Verformungs-mechanismen. Parameter sind: Amplitude der Ultraschallschwingung, Vorschub-geschwindigkeit, Form und Material des Trennwerkzeuges, Schneiderichtung in Bezug auf die Holzfaserrichtung und Holzart. Diese sollen aufeinander abgestimmt werden, um eine Minimierung der Trennkraft und der Trennenergie, der Verformung und Schädigung der Trennflächen, ein Minimum der Reibung, kleineren Holzverlust, niedrigeren Werkzeugverschleiß und bessere Oberflächengüte der Trennflächen als bei konventionellen Methoden zu erzielen.

Für die Verfahrensentwicklung bzw. Optimierung und die Wahl der geeigneten Parameter sind Kenntnisse der Schädigungsprozesse bei der Holzbearbeitung durch Ultraschallüberlagerung und Kennwerte des zu bearbeitenden Holzstücks wichtig. Die Methoden diese zu ermitteln sind:

• Bestimmung der Bruchenergie, Trennkraft und der Reibungskräfte
  Kraft-Weg Aufnahme während der Holzbearbeitung mit und ohne Ultraschallüberlagerung
  Messung der Ultraschall-Leistungsaufnahme
  
• Charakterisierung des Bruchbildes von Holztrennflächen
  Untersuchung der Bruchflächen im Raster-Elektronenmikroskop
  
• Oberflächencharakterisierung der Holzflächen
  Bestimmung der Oberflächenenergie mit einem Kontaktwinkelmeßgerät
  Bestimmung der Rauhigkeit mit Rauhigkeitsmeßgerät und ESEM (stereographisch)
  Vergleich der Holzbearbeitung ohne / mit Ultraschallüberlagerung

Bruchenergie und Oberflächenenergie sowie Oberflächenrauhigkeit, Bruchflächenrauhigkeit und Bruchflächenprofil sind im Falle der Holzbearbeitung zur Charakterisierung der Qualität der Trenn- und Spaltflächen sehr wichtig und dienen zur Optimierung des Holzbearbeitungsverfahrens und der Holzbearbeitungseinrichtung.

Nach diesen grundlegenden Untersuchungen sollen konkrete Anwendungen des entwickelten Verfahrens in der holzverarbeitenden Industrie gefunden werden. Dazu einige Beispiele:

Als möglicher Anwendungsbereich, in dem das Ultraschallschneiden zu einer deutlichen Verbesserung der Bearbeitungsprozesse führen könnte, ist die Herstellung von Furnieren zu nennen. Die zu erwartende Verminderung der notwendigen Schneidkräfte auf ein Zehntel würde sich äußerst positiv auf die Oberfläche der so erhaltenen Furniere auswirken, da die Entstehung von Mikrorissen zu einem Gutteil unterbunden würde.

Weiters könnte im Bereich des Zuschnittes von Spanplatten eine bessere Kantenqualität erreicht werden, da durch die Ultraschallvibration eine glattere Schnittoberfläche entsteht.

Schließlich ergibt sich durch die Verbesserung der Schnittqualität und durch die Reduktion der Schneidkräfte eine Fülle von Anwendungen im Bereich der Endbearbeitung von Holz bis hin zur Kunsttischlerei.

• Azade, T.: "Wood Vibrations", Industriemagazin 6, 2003.
• Sinn, G., Beer, P., Zettl, B., Mayer, H.: "Influence of Ultrasonic Vibrations on Low Speed Cutting of Spruce Wood", Proceedings of the 16th Intern. Wood Machining Seminar, August 24.-26. 2003, Matsue, Japan

Projektleiter:

Ao. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Herwig Mayer
Institut für Meteorologie und Physik

Kontakt

Dipl.-Ing. Gerhard Sinn
Institut für Meteorologie und Physik
Türkenschanzstraße 18
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Tel.: +43 1 4705820 DW48
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E-Mail: gerhard.sinn@boku.ac.at