Ob im Möbelbau, im Innenausbau oder im konstruktiven Holzbau – das Material hat sich in den letzten Jahren geändert. Neben klassischen Span- und MDF-Platten kommen heute hochverdichtete Varianten ebenso zum Einsatz wie Leichtbauwerkstoffe, Sandwichstrukturen und Hybridmaterialien. Diese Vielfalt ist unter anderem das Ergebnis von steigenden Ansprüchen an Gewicht, Nachhaltigkeit, Funktionalität und Design.
Alte Kennwerte für neue Produkte
Jedoch verschärft diese Vielfalt ein Problem: Viele verfügbare spezifische Schnittkräfte, sogenannte kc-Werte, beruhen auf Werkstoffen, die mit heutigen Produkten nur bedingt vergleichbar sind. So unterscheidet sich eine Spanplatte aus den 1960ern deutlich von einer heutigen, etwa hinsichtlich Dichteprofil, Partikelgeometrie und Bindemittel. Damit beziehen sich viele Werkzeuge, Maschinen und Abläufe auf Kennwerte, die nicht zum Werkstoffverhalten passen.
Ressourcen schonen mit Schnittkräften
Für Maschinenhersteller bedeutet das oft Sicherheitszuschläge beim Auslegen der Antriebe. Werkzeugherstellern wiederum erschwert es das gezielte Anpassen von Grundkörpern und Schneidengeometrien. Zugleich müssen Hersteller Material und Energie ergiebiger einsetzen sowie den Einsatz kritischer Rohstoffe für Schneidstoffe niedrig halten, darunter Kobalt und Wolfram. Die tatsächlichen Schnittkräfte zu kennen, wird damit zur Voraussetzung für eine ressourcenschonende, wirtschaftliche Holzbearbeitung.
Schnittprozesse eindeutig auswerten
Vor diesem Hintergrund hat das Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart kürzlich einen Versuchsstand entwickelt. Er ermöglicht es, systematisch und reproduzierbar die Schnittkräfte heutiger Holzwerkstoffe zu ermitteln. Ziel: eine methodische Versuchsumgebung, die sowohl die Besonderheiten der Holzbearbeitung berücksichtigt als auch eine eindeutige Auswertung der gemessenen Kräfte im Schnittprozess erlaubt.
Besondere Ansprüche an das Zerspanen
Jedoch stellt die Holzbearbeitung besondere Ansprüche an das Zerspanen: Holz und Holzwerkstoffe sind anisotrop, inhomogen und verhalten sich stark richtungsabhängig. Während für Metallwerkstoffe umfangreiche und standardisierte Daten vorliegen, fehlen für Holz aktuelle, systematisch ermittelte Werte. Um die spezifische Schnittkraft unter definierter Lage der Faserrichtung bei Holz und Holzwerkstoffen zu ermitteln, entwickelte das IfW diese Versuchseinrichtung. Kern der Versuche ist es, einen freien orthogonalen Schnitt bei definierter Faserrichtung abzubilden.
Was ist ein orthogonaler Schnitt?
Nur unter diesen Bedingungen lassen sich Schnittkräfte eindeutig bestimmen und zwischen verschiedenen Werkstoffgruppen sowie Prozessparametern vergleichen, darunter Schnittgeschwindigkeit, Spanwinkel oder Achswinkel. Dabei dient der sogenannte orthogonale Schnitt als Referenz, um die materialabhängigen Einflüsse einzeln zu untersuchen. Ein solcher orthogonaler Schnitt zeichnet sich dadurch aus, dass die Schneide senkrecht zur Vorschubrichtung steht und die Spanbildung ohne seitliche Spanabklenkung in einer Ebene erfolgt.
Rotierendes Werkstück, feste Schneide
Grundsätzlich lässt sich ein orthogonaler Schnitt entweder durch ein bewegtes Werkstück bei feststehendem Werkzeug erzielen oder durch ein bewegtes Werkzeug bei feststehendem Werkstück. Beide Varianten lassen sich wiederum rotatorisch oder linear ausführen. Jeder dieser Ansätze birgt Vor- und Nachteile. Die galt es, zu vergleichen – hinsichtlich Schnittgeschwindigkeit, Kraftfluss zur Schneide, messtechnischer Zugänglichkeit sowie dynamischer Steifigkeitsanforderungen. Darum entschied man sich für ein rotierendes Werkstück bei feststehender Schneide. Dieser Aufbau erlaubt es, die in der Holzbearbeitung üblichen hohen Schnittgeschwindigkeiten umsetzen. Zugleich ist so ein definierter Kraftfluss von der Schneide in die Messkette möglich.
Reproduzierbar spezifische Schnittkräfte
Diesen Versuchsaufbau fügte das IfW in eine Hochgeschwindigkeits-Drehmaschine vom Typ Gildemeister HSC 420 CTX. Durch den Einsatz dieser Maschine lassen sich die Drehzahl und der Vorschub in Y-Richtung konstant wählen. Das ermöglicht eine konstante Spandicke während des Zahneingriffs. Die kontinuierliche Aufnahme der Prozesskräfte erfolgt über eine piezobasierte Kraftmessplattform. Zusammen mit den bekannten Schnittgrößen lassen sich so reproduzierbar spezifische Schnittkräfte berechnen, und zwar für die jeweiligen Schnittgeschwindigkeiten und Spanwinkel.
Modularer Aufbau für Anpassungen
Der Aufbau gliedert sich in mehrere Baugruppen. Dazu zählt der rotierende Grundkörper, an dem das Probenträgersystem für die Werkstoffe angebracht ist, sowie die Schneiden- und Kraftmessbaugruppe. Dieser modulare Aufbau ermöglicht es, funktional zwischen Zerspanprozess und Kraftmessung zu trennen. Zugleich erleichtert er es, die Versuche an verschiedene Werkstoffe und Versuchsparameter anzupassen.
Mit Schrauben Umwuchten ausgleichen
Wegen der Rotation des Werkstücks und der hohen Schnittgeschwindigkeiten ist die Massensymmetrie der rotierenden Baugruppen wichtig. Bereits geringe Umwuchten würden dynamische Belastungen erzeugen. Das würde das Schwingungsverhalten des Systems beeinflussen und könnte die Qualität der Kraftmessung beeinträchtigen. Alle rotierenden Komponenten sind daher auf minimale Umwucht ausgelegt und mit Ausgleichschrauben ausgewuchtet.
Planbar und effizient zerspanen
Mit dem Versuchsstand ist nun eine methodische Grundlage verfügbar, um die spezifischen Schnittkräfte moderner Holzwerkstoffe systematisch zu bestimmen. Damit lassen sich Maschinen und Anlagen erstmals werkstoffspezifisch auslegen. Maschinenhersteller können Antriebssysteme leistungsgerecht auslegen, Werkzeughersteller erhalten Daten, um ihre Werkzeuge anzupassen. Auch die Bewertung neuer Werkstoffe kann nun auf zuverlässigen Daten erfolgen. Langfristig trägt dieser Ansatz so dazu bei, das Zerspanen in der Holzbearbeitung transparenter, planbarer und ressourceneffizienter zu gestalten. Zugleich bildet der Versuchsstand eine Grundlage für weitere Untersuchungen.
