Description
Description (CS): Velká část procesů v dřevozpracujícím průmyslu je založená na mechanické dezintegraci dřeva; od zpracování kulatiny do výsledného řeziva až po dokončování povrchů. Avšak i vedlejší produkt dezintegrace, třísky, vlákna aj. musejí vykazovat specifické vlastnosti aby mohly být použity jako surový materiál pro následnou výrobu (třískové desky, OSB, MDF, papír aj.). Z tohoto důvodu je mechanická dezintegrace (řezání, frézování, zjemňování) jedním z klíčových procesů dřevařského průmyslu. Znalost dezintegrace dřeva rovněž posílí možnost kaskádovitého vyžívání dřeva, tj. využití dřeva již využitého nebo tepelně modifikovaného apod. Z důvodu klimatických změn a následných změn lesní politiky se význam listnaté suroviny v blízké budoucnosti podstatně zesílí. Jelikož je v našich regionech dřevařský průmysl především zaměřen na zpracování jehličnaté suroviny, bude tento průmysl čelit velké výzvě. Z důvodu velké komplexity materiálu (dřeva) a chybějících základních znalostí o něm, jsou inovace postaveny na přístupu pokus-omyl. Dřevozpracující průmysl a SME tak čelí velkým výzvám, aby se adaptoval na změněné vlastnosti nové suroviny (vyšší hustota, křivější kulatina, kratší výřezy, horší slepitelnost, horší slepitelnost, vyšší bobtnání a sesýchání). Proto je nutné na tyto výzvy reagovat s předstihem a rozšířit možný tržní potenciál. Tyto výzvy především ovlivní programové regiony, protože mají podobné složení lesů a protože budou čelit podobným klimatickým změnám, které v důsledku povedou k vyššímu podílu listnatých dřevin, a to v blízké budoucnosti. Tento projekt reaguje na tyto změny tak, že poskytne fundamentální poznatky které jsou nezbytné pro řešení problémů při obrábění listnatých evin.
Interdisciplinární přístup KPLUS (materiálový a procesní výzkum) a MENDELU (simulace a mechanika) umožní ucelené porozumění dezintegračního procesu, což povede k získání fyzikálního modelu obrábění. Dříve iterativní optimalizační přístup bude nahrazen ucelenými poznatky, které dále povedou k vývoji praktického modelu. Systém pokus-omyl může být zredukován na minimum a optimalizován pomocí Metody konečných prvků. Krom tohoto, společný výzkumný projekt povede k rozšíření a posílení obou výzkumných institucí. Protože dřevo může být popsáno jako přírodní vlákny vyztužený kompozit, generované poznatky mohou sloužit jako pevný základ pro popis dezintegrace synteticky vyráběných, tzv. high-end, materiálů jako jsou uhlíkové a skelné kompozity.
Read more Description (DE): In der Holzindustrie basiert ein Großteil der Verarbeitungsprozesse auf der mechanischen Zerteilung; Rundholzverarbeitung bis Oberflächenveredelung. Neben den Hauptprodukten müssen auch die anfallenden Späne gewisse Eigenschaften aufweisen um als Rohstoff für die Holzwerkstoffindustrie (Spanplatte, OSB, MDF,…) Verwendung finden zu können. Das Ziel der verstärkten kaskadischen Nutzung macht es zwingend notwendig, die großteils thermisch verwerteten Laubhölzer vor deren thermischer Verwertung einer stofflichen Nutzung zuzuführen. Aufgrund klimatischer Veränderungen aber auch aufgrund des bereits begonnen Umbaus des Waldes ist zusätzlich mit einem verstärkten Laubholzangebot zu rechnen. Sämtliche Prozesse sind aufgrund des bislang vorherrschenden Rohstoffangebotes jedoch auf die Nadelholzverarbeitung ausgelegt. Aufgrund der Komplexität des Werkstoffes beruht der bisherige Entwicklungsprozess vornehmlich auf Versuch und Irrtum. Es ist daher nur bedingt möglich sich auf vorhandenes Wissen zu berufen. Somit stehen Holzindustrie sowie holzverarbeitendes Gewerbe vor der großen Herausforderung, den sich ändernden Werkstoffeigenschaften (höhere Dichte, fehlende Geradschaftigkeit, kürzere Stammabschnitte, schwierige Verleimbarkeit, stärkeres Quell- und Schwindverhalten...) rechtzeitig entgegenzutreten um die Marktführerschaft auf diesem Gebiet weiter aufrecht zu erhalten und sowie ausbauen zu können. Dies gilt speziell für die Programmregionen, die, mit einer vergleichbaren Waldzusammensetzung, bedingt durch klimatische Veränderungen in naher Zukunft mit einem erhöhten Laubholzanteil zu rechnen haben. Um diese Herausforderungen lösen zu können muss mit dieser Forschungsarbeit eine Grundlage für die späteren Fragestellungen im Zerspanungsbereich von Laubholz geschaffen werden.
Der interdisziplinäre Ansatz von KPLUS (Material- und Prozesswissenschaften) und MENDELU (Simulationswissenschaft, Mechanik) liefert ein ganzheitliches Verständnis des Zerspanungsprozess und ermöglicht es diesen mittels physikalisch determinierter Modelle beschreibbar zu machen. Dies ermöglicht es den bisher iterativen Prozess der Technologieentwicklung auf eine wissensbasierte Ebene zu heben und ist die Grundlage für die Entwicklung eines praxistauglichen Modelles. Versuch und Irrtum sind somit kaum mehr erforderlich, neue Werkzeuggeometrien können mittels Finite Element Modellierung getestet und optimiert werden. Zusätzlich führt das gemeinsame Projekt zu einem Ausbau und damit zu einer Stärkung der beiden regionalen Forschungszentren im Bereich der Verarbeitung bzw. Zerspanung von Nachwachsenden Rohstoffen. Da Holz als natürlicher, faserverstärkter Verbundwerkstoff angesehen werden kann, dienen die gewonnenen Erkenntnisse in weiterer Folge auch als wertvolle Grundlage zur Beschreibung des Zerteilungsverhaltens von synthetisch hergestellten, sogenannten „High-End“ Werkstoffen wie etwa Carbon- oder Glasfaserverbundwerkstoffen.
Read more Description (EN): In the wood industry, much of the processing is based on mechanical machining; processing logs into finished surface products. In addition to the primary products, the resulting chips must also have certain properties to be used as raw material for the wood-based products industry (chipboard, OSB, MDF, ...). The goal of the increased cascading use makes it absolutely necessary to insert a material utilisation for the largely thermally utilised deciduous trees before their thermal utilisation. Due to climatic changes, and the conversion of the forest that has already begun, additional hardwood offers can be expected. However, all processes are based on the so far predominant raw material supply, namely on the processing of softwood. Due to the complexity of the material (hardwood processing), the previous development process is mainly based on trial and error. It is therefore only conditionally possible to rely on existing knowledge. Thus, the wood industry and the wood processing industry are faced with the great challenge of countering the changing material properties (higher density, lack of straightness, shorter trunk sections, difficult gluing properties, more pronounced swelling and contraction behaviour ...) in time in order to maintain the market leadership in this field as well as expand. This applies in particular to the programme regions which, with a comparable forest composition, are expected to have an increased hardwood share due to climatic changes in the near future. In order to solve these challenges, this research must provide a basis for the later questions in the field of hardwood machining.
The interdisciplinary approach of KPLUS (material and process sciences) and MENDELU (simulation science, mechanics) provides a holistic understanding of the cutting process and makes it possible to describe it by means of physically determined models. This enables the, thus far, iterative process of technology development to be raised to a knowledge-based level and is the basis for the development of a practical model. Trial and error are therefore hardly necessary, new tool geometries can be tested and optimised using finite element modeling. In addition, the joint project will lead to an expansion and strengthening of the two regional research centres in the processing and machining of renewable raw materials. Since wood can be regarded as a natural, fibre-reinforced composite material, the knowledge gained subsequently also serves as a valuable basis for the description of the machining behaviour of synthetically produced, so-called "high-end" materials, such as carbon or glass fibre composite materials.
Read more Achievements (DE): Schnittkraftanalyse:
Für die Schnittkraftmessung wurde eine neue Korrekturmethode entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, den Einfluss des Versuchsaufbaus zu eliminieren. Im Zuge der Messungen soll jeder einzelne Schnittvorgang mit einer möglichst hohen Anzahl an Messwerten charakterisiert werden.
Versuchsaufbau:
Der von Wood K plus (Tulln) entwickelte Versuchsaufbau ermöglicht die Untersuchung von linearen Schnittprozessen bei Schnittgeschwindigkeiten von 100 m/s. Zu diesem Zweck wird ein „Werkzeug“ (eine einzelne Schneide) auf einem dreidimensionalen Piezokraftsensor montiert, welcher wiederum auf einem Maschinentisch befestigt ist. Der Probekörper, welcher auf einem rotierenden Arm befestigt ist, wird am Messer vorbeigeführt, wodurch der eigentliche Schnittprozess stattfindet. Im Zuge dessen wird der Schnittprozess mittels Kraftsensor und Hochgeschwindigkeitskameras simultan aufgenommen und hinsichtlich auf die Schneide wirkender Schnittkräfte, sowie im Werkstück auftretender Deformationen analysiert.
Finite-Elemente-Methode (FEM):
Holz ist ein zelluläres heterogenes Material mit einem hohen Grad an Anisotropie. Sein Verhalten ist nichtlinear, insbesondere bei Druckbelastung. Das homogene, orthotrope, elastische oder elastisch-plastische Materialmodell wird in den meisten Fällen für Spannungs-Dehnungsanalysen von Holz verwendet. Die Heterogenität dieses Materials ist zufällig, es wäre daher schwierig, es in die Analyse mit einzubeziehen. Aus diesem Grund wird Berechnungsmodell homogenisiert. Die Orthotropie bedeutet, dass sie ein unterschiedliches Verhalten in drei zueinander senkrechten Richtungen zeigt. Es ist in unserem Fall die axiale Richtung L, die radiale Richtung R und die Umfangsrichtung T .
Für die Vorhersage der Auslösung und der anschließenden Ausbreitung eines Fehlers können zwei Grundtypen von Modellen verwendet werden. Eines davon ist das gekoppelte Modell, bei dem sich die Schädigung und die elastische oder elastisch-plastische Verformung gegenseitig beeinflussen. Ein anderer Typ ist das entkoppelte Modell, bei dem der Schaden nur von der Verformung abhängt, wobei die Verformung durch den Schaden nicht beeinflusst wird. Das Versagen wird am häufigsten mit der expliziten FEM modelliert, wobei das Risswachstum durch das Löschen der Elemente realisiert wird (siehe Abbildung).
Read more Achievements (EN): Cutting force analysis:
For cutting force measurement, a new correction method has been developed, with the help of which it is possible to eliminate the influence of the experimental setup. In the course of the measurements, each individual cutting process should be characterised with the highest possible number of measured values.
Test setup:
The experimental setup developed by Wood K plus (Tulln) enables the investigation of linear cutting processes at cutting speeds of 100 m/s. For this purpose, a “tool” (a single cutting edge) is mounted on a three-dimensional piezo force sensor, which in turn is attached to a machine table. The specimen, which is attached to a rotating arm, is passed by the knife, which means that the actual cutting process takes place. In the course of this, the cutting process is recorded simultaneously by means of force sensor and high-speed cameras and analysed in terms of cutting forces acting on the cutting edge, as well as deformations occurring in the workpiece.
Finite Element Method (FEM):
Wood is a cellular heterogeneous material with a high degree of anisotropy. Its behavior is nonlinear, especially in the case of pressure loads. The homogeneous, orthotropic, elastic or elastic-plastic material model is used in most cases for stress-strain analyses of wood. The heterogeneity of this material is random, so it would be difficult to include it in the analysis. For this reason, calculation model is homogenised. Orthotropy means that it shows different behaviors in three directions perpendicular to each other. In our case it is the axial direction L, the radial direction R and the circumference direction T.
Two basic types of models can be used for predicting the triggering and subsequent propagation of an error. One of them is the coupled model, in which the damage and the elastic or elastic-plastic deformation affect each other. Another type is the decoupled model, where the damage depends only on deformation, with the damage not affected by the deformation. Failure is most often modeled with the explicit FEM, where crack growth is realised by deleting the elements (see Figure).
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Website: http://www.at-cz.eu/
Expected Results (CS): RI1 - Výzkumná kvóta
Expected Results (DE): RI1 – Forschungsquote
Expected Outputs (CS): Interdisciplinární přístup a vytvoření měřícího zařízení umožní vznik základních poznatků v oblasti dezintegračního procesu tvrdých (listnatých) dřev. Takovéto uchopení problematiky poskytne žádanou optimalizaci řezných procesů s ohledem na požadovanou kvalitu povrchu, na použitý materiál, nástroje a procesní parametry. Kromě toho, řezné nástroje budou analyzovány simulací MKP (metodou konečných prvků), jež umožní jejich optimalizaci. Spolupráce dvou partnerů (OP2) nabídne spojenou infrastrukturu, díky níž bude vytvořen MKP model dezintegračního procesu. Dále se získají fundamenty pro obecný popis dezitengračního procesu (OP1). Výsledky projektu budou prezentovány v příslušných vědecko-populárních časopisech (Holzkurier, Homag News aj.), stejně jako na webových stránkách projektu v obou jazycích. Projekt výrazně přispěje ke standardizaci procesu a ke zvýšení mezinárodního povědomí zúčastněných výzkumných institucí.
Read more Expected Outputs (DE): Der Schnittkraftmesstand sowie der interdisziplinäre Ansatz ermöglichen die Schaffung eines grundlegenden Verständnisses des Zerteilungsprozesses von Laubholz. Dieses ermöglicht eine zielgerichtete Prozessoptimierung mit einer optimierten Ausbeute und der erforderlichen Oberflächenqualität in Abhängigkeit von Werkstoff-, Werkzeug- und Prozessparametern. Die Kooperation von 2 Partnern (OP2) liefert eine gemeinsame Infrastruktur (OP1) anhand derer ein FEM Modell des Zerteilungsprozesses entwickelt zur Vorabuntersuchung von Werkzeugkonzepten (OP1) und allgemein gültige Grundlagen zur Beschreibung von Zerteilungsvorgängen (OP1) geschaffen werden. Das Projekt und das generierte Wissen werden in populärwissenschaftlichen Fachzeitschriften (Holzkurier, Homag News, …), auf der Projekthomepage und in wissenschaftlichen Journalen veröffentlicht. Vorgaben für ein mögliches Standardisierungsverfahren führen zu einer Erhöhung der internationalen Wahrnehmung der beteiligten Forschungseinrichtungen
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