Die Bearbeitung von Holz ist wie bei keinem zweiten Werkstoff mit dem Einsatz zerspanender Fertigungsverfahren verbunden. Angefangen von der Gewinnung der Rohholzsorten durch Schlagen oder Sägen über das Entasten und Zerlegen des Baumstammes in kommissionierbare Rohteile bis hin zur Endbearbeitung durch Fräsen oder Schleifen muss Holz spanabhebend verarbeitet werden.
Mit dem Holzzerspanungsprozess geht zwangsläufig die Erzeugung von Abfallprodukten in Form von Stäuben und Spänen einher, die aus Gründen des Gesundheitsschutzes, der Brand- und Explosionsgefahr, des Maschinen- und Werkzeugverschleißes sowie der Werkstückqualität beseitigt werden müssen [WOL02, EIN02, SEE99, HOF01b]. Da Holz und Holzwerkstoffe aufgrund ihrer hydrophilen Werkstoffeigenschaft fast ausschließlich trocken bearbeitet werden müssen, können die entstehenden Staub- und Spänepartikel nicht, wie beispielsweise in der Metallzerspanung üblich, mit Hilfe flüssiger Kühlschmierstoffe gebunden und abtransportiert werden.
Als die vielseitigste und einfachste Möglichkeit zur Beseitigung von Holzstäuben- und -spänen aus dem Zerspanungsbereich der Maschinen hat sich letztlich die pneumatische Förderung durchgesetzt. Die Strömungsfördertechnik ermöglicht nicht nur eine berührungslose Erfassung der Partikel in einem kontinuierlichen Luftstrom, sondern auch den gezielten Transport des Fördergutes an entsprechende Filter- und Siloanlagen [BUH89, WEB74].
Während in den vergangenen Jahren die Absauganlagentechnik im Bereich der Ventilatoren und Steuerungen spürbare Fortschritte gemacht hat, änderte sich wenig an der Gestaltung der Staub- und Späneerfassungseinrichtungen insbesondere an stationären Holzbearbeitungsmaschinen. Die dort eingesetzten Absaughauben bestehen heute unverändert aus strömungsungünstigen, kastenförmigen Stahlblechkonstruktionen, die zum Werkstück nur unzureichend mit Bürsten- oder Elastomerlammellen abgedichtet werden. Die ineffiziente Auslegung von Erfassungseinrichtungen an den immer leistungsfähigeren Holzbearbeitungsmaschinen hat jedoch eine ganze Reihe technischer und wirtschaftlicher Probleme zur Folge.
Der in den letzten Jahren anhaltende Trend zu einer steigenden Kundenorientierung zwingt nach wie vor auch die Hersteller der Holz- und Möbelindustrie zur Flexibilisierung ihrer Prozesse. Bezogen auf die zerspanende Fertigung ergeben sich daraus kleine Losgrößen, hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und eine große Vielfalt der zum Einsatz kommenden Werkzeuge.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung
2 Stand der Erkenntnisse
2.1 Staub- und Späneemissionen in der Holzbranche
2.1.1 Definition von Staub und Spänen
2.1.2 Gesundheitsgefährdung durch Holzstaub
2.1.3 Staubemissionen als Wirtschaftsfaktor
2.1.4 Gesetzliche Vorschriften und Richtlinien
2.1.5 Möglichkeiten zur Reduzierung der Holzstaubkonzentration
2.2 Absaugeinrichtungen an stationären Holzbearbeitungsmaschinen
2.3 Forschungsansätze
2.4 Fazit zum Stand der Erkenntnisse
3 Zielsetzung
4 Grundlagen
4.1 Kenngrößen zur Erfassung von Holzstäuben und -spänen
4.1.1 Schwebegeschwindigkeit
4.1.2 Arbeitsgeschwindigkeit
4.1.3 Erfassungsgrad
4.2 Kenngrößen zur Förderung von Holzstäuben und -spänen
4.2.1 Kritische Fördergeschwindigkeit
4.3 Numerische Optimierung von Absaugsystemen
5 Erfassungstechnische Untersuchungen zur Staub- und Späneerfassung
5.1 Siebanalyse der entstehenden Staub- und Spänepartikel
5.2 Untersuchung charakteristischer Kenngrößen im Strömungskanal
5.2.1 Aufbau des Strömungskanals
5.2.2 Partikelförderung in unbeeinflusster Strömung
5.2.3 Aktive und passive Beeinflussung der Partikelförderung
5.3 Einfluss der Zerspanung auf Staub- und Spänepartikel
5.3.1 Einfluss der Werkzeugumströmung auf Staub und Späne
5.3.2 Wirksamkeit ausgewählter Dichtprinzipien bei der Zerspanung
5.3.3 Vermeidung der Doppelzerspanung
5.3.4 Untersuchung von Staub- und Spänestreufeldern
5.3.5 Fazit der technologischen Untersuchungen
6 Entwicklung optimierter Absaughauben
6.1 Anforderungen an optimierte Absaugeinrichtungen
6.2 Vorgehensweise bei der Entwicklung
6.3 Konzept 1: Absaughauben mit aktiver und passiver Abdichtung
6.3.1 Entwicklung von Absaughauben nach Konzept 1
6.3.2 Erprobung und Optimierungsansätze bei Konzept 1
6.4 Konzept 2: Werkzeugangepasste Absaughaubenelemente
6.4.1 Entwicklung von Absaughauben nach Konzept 2
6.4.2 Erprobung und Optimierungsansätze bei Konzept 2
6.5 Konzept 3: Strömungs- und dichtungsoptimierte Universalhauben
6.5.1 Entwicklung von Absaughauben nach Konzept 3
6.5.2 Erprobung von Konzept 3 und Pilotanwendungen in der Industrie
6.5.3 Optimierungsansätze und Studie für die 5-achsige Bearbeitung
6.6 Fazit der Prototypenentwicklung
7 Zusammenfassung
8 Literatur
9 Anhang
9.1 Messmittel
9.2 Berechnung der notwendigen Leistung einer Absauganlage
9.3 Theoretische Verzögerung des Spanfluges durch einen Luftfreistrahl
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, die Erfassung von Holzstäuben und -spänen an stationären Holzbearbeitungsmaschinen so zu optimieren, dass während des Bearbeitungsprozesses eine stapelfähige, spänefreie Oberflächenqualität bei gleichzeitig reduziertem Absaugvolumenstrom erreicht wird.
- Analyse der strömungstechnischen Kenngrößen bei der Staub- und Späneerfassung.
- Experimentelle Untersuchung zur Beeinflussung der Partikelförderung in Strömungskanälen.
- Entwicklung und Erprobung optimierter Absaughaubenkonzepte (aktiv/passiv, werkzeugangepasst, strömungsoptimiert).
- Validierung der Forschungsergebnisse durch Prototypenentwicklung und Pilotanwendungen in der Industrie.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung und Problemstellung
Die Bearbeitung von Holz ist wie bei keinem zweiten Werkstoff mit dem Einsatz zerspanender Fertigungsverfahren verbunden. Angefangen von der Gewinnung der Rohholzsorten durch Schlagen oder Sägen über das Entasten und Zerlegen des Baumstammes in kommissionierbare Rohteile bis hin zur Endbearbeitung durch Fräsen oder Schleifen muss Holz spanabhebend verarbeitet werden.
Mit dem Holzzerspanungsprozess geht zwangsläufig die Erzeugung von Abfallprodukten in Form von Stäuben und Spänen einher, die aus Gründen des Gesundheitsschutzes, der Brand- und Explosionsgefahr, des Maschinen- und Werkzeugverschleißes sowie der Werkstückqualität beseitigt werden müssen [WOL02, EIN02, SEE99, HOF01b]. Da Holz und Holzwerkstoffe aufgrund ihrer hydrophilen Werkstoffeigenschaft fast ausschließlich trocken bearbeitet werden, können die entstehenden Staub- und Spänepartikel nicht, wie beispielsweise in der Metallzerspanung üblich, mit Hilfe flüssiger Kühlschmierstoffe gebunden und abtransportiert werden.
Als die vielseitigste und einfachste Möglichkeit zur Beseitigung von Holzstäuben- und -spänen aus dem Zerspanungsbereich der Maschinen hat sich letztlich die pneumatische Förderung durchgesetzt. Die Strömungsfördertechnik ermöglicht nicht nur eine berührungslose Erfassung der Partikel in einem kontinuierlichen Luftstrom, sondern auch den gezielten Transport des Fördergutes an entsprechende Filter- und Siloanlagen [BUH89, WEB74].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Problemstellung: Diese Einleitung beschreibt die Notwendigkeit der Staub- und Späneentsorgung bei der Holzbearbeitung und skizziert die Problematik unzureichender Absaugtechnologien an stationären Maschinen.
2 Stand der Erkenntnisse: Dieses Kapitel fasst bestehende wissenschaftliche Grundlagen, gesetzliche Vorgaben, gesundheitliche Aspekte sowie bekannte Absaugmethoden und Ansätze in der Holzbranche zusammen.
3 Zielsetzung: Hier wird das Hauptziel formuliert: Die Optimierung der Absaugung zur Erreichung hoher Werkstückqualität bei reduziertem Energiebedarf durch angepasste Absaughaubensysteme.
4 Grundlagen: Es werden die physikalischen Grundlagen der Strömungstechnik, Kenngrößen der Partikelerfassung und die numerische Simulation von Absaugsystemen detailliert erläutert.
5 Erfassungstechnische Untersuchungen zur Staub- und Späneerfassung: Dieses Kapitel präsentiert die experimentellen Untersuchungen im Strömungskanal, die Partikelanalyse sowie die Erprobung verschiedener Dicht- und Beeinflussungsprinzipien.
6 Entwicklung optimierter Absaughauben: Die Entwicklung, Konstruktion und industrielle Erprobung der drei erarbeiteten Konzepte zur Absaugoptimierung bilden den Kern dieses Kapitels.
7 Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer Bilanz der erzielten Ergebnisse und gibt Ausblicke auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der flexibilisierten Maschinenauslegung.
8 Literatur: Ein umfassendes Verzeichnis der in der Dissertation zitierten wissenschaftlichen Quellen.
9 Anhang: Dieser Teil enthält ergänzende technische Informationen zu Messmethoden, detaillierte mathematische Herleitungen sowie spezifische Berechnungsformeln für die Anlagenauslegung.
Schlüsselwörter
Holzbearbeitung, Staubabsaugung, Späneerfassung, Zerspanung, Absaughaube, Strömungslehre, pneumatische Förderung, Partikelerfassung, Luftstromoptimierung, Industrielle Fertigung, Absaugeinrichtung, numerische Simulation, Fertigungstechnik, Spanflug, Luftfreistrahl.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Absaugung von Holzstaub und -spänen an stationären Holzbearbeitungsmaschinen, um Gesundheit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Strömungsmechanik der Partikelförderung, die Entwicklung effizienter Absaughaubendesigns und die praktische Umsetzung in der industriellen Holzfertigung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist eine verbesserte Absaugwirkung bei geringerem Luftvolumenstrom, um stapelfähige Oberflächenqualität bei gleichzeitig reduzierten Betriebskosten zu erzielen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Die Arbeit kombiniert theoretische Analysen der Strömungstechnik, experimentelle Untersuchungen an Strömungskanälen und an Maschinen mit numerischen Simulationen (CFD).
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst Grundlagen der Partikelerfassung, die experimentelle Untersuchung technischer Beeinflussungsmethoden sowie die konkrete Entwicklung und Pilotierung dreier verschiedener Absaughaubenkonzepte.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den Kernbegriffen zählen Holzbearbeitung, Staubabsaugung, pneumatische Förderung, Partikelerfassung und Strömungsoptimierung.
Wie unterscheiden sich die drei entwickelten Konzepte?
Konzept 1 fokussiert auf aktive und passive Abdichtung durch Axialspiralen, Konzept 2 nutzt werkzeugspezifisch angepasste Haubenelemente, und Konzept 3 ist eine strömungs- und dichtungsoptimierte Universalhaube.
Warum spielt die Weichschaumdichtung eine wichtige Rolle?
Die Weichschaumdichtung mit zusätzlichem Oberflächenschutz ermöglicht eine hervorragende Anpassung an komplexe Werkstückgeometrien, was den Erfassungsgrad maßgeblich steigert und manuelle Reinigungsarbeiten überflüssig macht.
- Quote paper
- Jörn Blecken (Author), 2004, Optimierung der Staub- und Späneerfassung in stationären Holzbearbeitungsmaschinen (Werkzeugmaschinen), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/31961
