Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWUCotto4Cut untersucht Schneidtechnologien für den bio-basierten Werkstoff Cottonid und ermittelt geeignete Prozessparameter für eine hohe Schnittflächenqualität, geringe Risskantenempfindlichkeit und hohe Ermüdungsfestigkeit. Im Fokus stehen homogenes und laminiertes Cottonid sowie die Eignung verschiedener Trennverfahren für die industrielle Fertigung.
Cotto4Cut: Wirtschaftliche Schneidtechnologien für Cottonid
Was ist Cottonid?
Cottonid, auch bekannt als Vulkanfiber, ist ein faserbasierter Werkstoff, der vollständig aus Cellulose besteht, in seiner homogenen Form sogar ohne Bindemittel. Durch ein spezielles Behandlungsverfahren werden die mechanischen Eigenschaften von Papier deutlich gesteigert, sodass die Festigkeiten mit denen von konventionellen Kunststoffen vergleichbar sind. Cottonid ist ein mehrlagiger Werkstoff, der bis 20 mm Dicke verfügbar ist. Am Markt haben sich zwei wesentliche Varianten etabliert: das homogene Material, das zu 100 % aus Cellulose besteht, und das Laminat, bei dem mehrere Cottonid-Platten mit einem Bindemittel verbunden werden.
Dank seiner nachhaltigen Rohstoffe, seiner biologischen Abbaubarkeit und seiner guten mechanischen Eigenschaften eignet sich Cottonid hervorragend als Substitutionswerkstoff für konventionelle und teilweise technische Kunststoffe.
Ziel des Forschungsprojekts Cotto4Cut
Das Forschungsprojekt Cotto4Cut untersuchte, wie verschiedene Schneidverfahren die Bauteilqualität, Ermüdungsfestigkeit und Wirtschaftlichkeit von Cottonid beeinflussen. Da das Fräsen in der Industrie das am weitesten verbreitete Verfahren zur Bearbeitung von Cottonid ist, dient es als Referenz für den Vergleich mit anderen Schneidverfahren.
Zentrale Fragestellungen waren:
- Welches Schneidverfahren erzeugt die beste Schneidkantenqualität?
- Wie lassen sich Delaminationen und Faserschäden reduzieren?
- Welche Verfahren erhöhen die Ermüdungsfestigkeit von Cottonid-Bauteilen?
- Welche Schneidtechnologie bietet das beste Verhältnis aus Kosten und Bauteilqualität?
Untersuchte Schneidverfahren
| Schneidverfahren | Bewertete Kriterien |
|---|---|
Scherschneiden |
|
Fräsen (Referenzverfahren) |
|
Wasserstrahlschneiden |
|
Laserschneiden |
|
Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) |
Vorgehensweise im Projekt
Die Untersuchung umfasste folgende Schritte:
- Materialcharakterisierung
Ermittlung von Fließkurven und Dehnratenempfindlichkeiten durch durch Zug- und zyklische Biegeversuche sowie mikrostrukturelle Analysen mittels Computertomographie und Rasterelektronenmikroskopie - FEM-Simulation
Modellierung des Scherschneidens mit LS-Dyna und dem Johnson-Cook-Modell, um geeignete Prozessparameter zu bestimmen - Herstellung von Probekörpern
Untersuchung von Fräsen, Scherschneiden, Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS), Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden bei unterschiedlichen Prozessparametern - Kanten- und Bauteilprüfung
Bewertung der Geometrie und Mikrostruktur der Schnittkanten sowie Prüfung von Kantenrissempfindlichkeit und Ermüdungsverhalten - Handlungsempfehlung für KMU
Ableiten von Handlungsempfehlungenzum Schneiden von Cottonid, Bewertung der Schnittkantenqulität und -eigenschaften in Abhängigkeit des Schneidverfahrens sowie Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Im Forschungsprojekt Cotto4Cut wurden Scherschneiden, Wasserstrahlschneiden, Fräsen, Laserschneiden und Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) hinsichtlich Schnittkantenqualität, Delamination und Ermüdungsverhalten von Cottonid untersucht.
Welche Schneidtechnologie eignet sich für Cottonid?
Bestes Verfahren für laminiertes Cottonid
In der Gesamtbewertung erwies sich Scherschneiden mit einem Schneidspalt von 0,83 % als bestes Schneidverfahren für laminiertes Cottonid.
Ergebnisse:
- +28 % höhere Ermüdungsfestigkeit gegenüber gefrästen Proben
- geringe Prozesskosten
- hohe Ermüdungsfestigkeit
- geringe geometrische Formabweichung
Bestes Verfahren für homogenes Cottonid
Beim homogenen Cottonid sind die Ergebnisse differenzierter. Abhängig vom gewünschten Ergebnis sind verschiedene Schneidverfahren zu bevorzugen.
| Verfahren | Ergebnis |
|---|---|
| Wasserstrahlschneiden | höchste Ermüdungsfestigkeit (+31 %) |
| Scherschneiden (0,83 % Schnittspalt) | nahezu gleiche Bauteilperformance bei deutlich geringeren Kosten |
| Fräsen | geringste Risskantenempfindlichkeit, jedoch niedrigste Ermüdungsfestigkeit |
Vergleich der Schneidverfahren
| Kriterium | Scherschneiden | Wasserstrahl | Fräsen |
|---|---|---|---|
| Wirtschaftlichkeit | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
| Ermüdungsfestigkeit | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
| Risskantenempfindlichkeit | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
Fazit: Für die industrielle Bearbeitung von Cottonid bietet das Scherschneiden mit einem Schnittspalt von 0,83 % den besten Gesamtkompromiss aus Kosten, Schnittflächenqualität und Ermüdungs- bzw. Kantenrissverhalten.
Nutzen für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)
Die Projektergebnisse schaffen eine Grundlage für die industrielle Verarbeitung von Cottonid und unterstützen KMU bei der Auswahl geeigneter Schneidtechnologien und Prozessparameter. Dadurch lassen sich Fertigungsprozesse wirtschaftlich optimieren und Bauteilqualität sowie Lebensdauer gezielt verbessern.
Die bessere Verarbeitbarkeit von Cottonid unterstützt zudem den Einsatz bio-basierter Materialien in der industriellen Fertigung und damit ressourceneffiziente und kreislauforientierte Produktionsansätze.
Eckdaten zum Projekt
Laufzeit
März 2024 bis August 2028
Koordination
TU Dortmund, Fakultät Maschinenbau, Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik (WPT)
Fördermittelgeber
BMWE
Projektpartner
- TU Dortmund, Fakultät Maschinenbau, Lehrstuhl für Werkstoffprüftechnik (WPT)
- Kocaeli University, Türkei
