Methode zur Charakterisierung der Bearbeitbarkeit von sprödhartem Verbundwerkstoff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der vorliegende Bericht legt die Ergebnisse des zweiten Förderungszeitraums zum Forschungsvorhaben „Methode zur Charakterisierung der Bearbeitbarkeit von sprödhartem Verbundwerkstoff“ dar. Das Ziel des gesamten Vorhabens war die Entwicklung einer Methode, mit der auf Basis der aus dem Trennschleifprozess von sprödhartem Verbundwerkstoff gewonnenen Schallsignale eine Aussage über die Bearbeitungseigenschaften getroffen werden kann. Der zweite Antragszeitraum umfasste eine Ausdehnung der Untersuchungen auf den in der Bauindustrie überwiegend eingesetzten Werkstoff Stahlbeton sowie eine darauf aufbauende Erweiterung und Validierung des Modells. In den technologischen Untersuchungen zum Trennschleifverhalten der unterschiedlichen Stahlbetonwerkstoffe wurde eine konzentrationsabhängige stetige Verschleißzunahme mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit festgestellt. Der Werkzeugradialverschleiß ist um den Faktor 2-3 größer als für die Bearbeitung nicht armierten Betons. Ein verschleißoptimaler Betriebspunkt tritt nicht auf. Bereits geringe Stahlkonzentrationen bewirken eine Anflachungsneigung der Diamantkörner durch Diffusionsverschleiß. Diese sind bei geringen Zeitspanflächen und damit erhöhter Korneingriffsanzahl im Bereich der Mindestspanungsdicke besonders ausgeprägt. Bei hohen Zeitspanflächen führt eine Vielzahl von Stahlaufschweißungen zu einer Zunahme der Normalkräfte. In Verbindung mit verdoppelten Kraftmaxima im duktilen Stahl besteht insbesondere im Anschnittbereich von Stahllitzen die Gefahr der Werkzeugdestabilisierung durch seitliche Ablenkung und folglich einer mechanischen Werkzeugschädigung. Das prozesssichere Schnittparameterfeld schränkt sich im Vergleich zur Bearbeitung nicht armierten Betons daher nach unten und oben ein. Die Zusammenhänge zum Einfluss des Werkstoffgefüges und der Schnittparameter auf den Luft- und Körperschallpegel belegen ebenfalls unterschiedliche Effekte. Beim Werkzeugeingriff in die Stahlarmierungen bewirkt der duktile Trennmechanismus eine breitbandige Dämpfung des Körperschallspektrums. Im Luftschallspektrum dominiert die erste Segmenteingriffsfrequenz durch die erhöhte Reibung von Schleifsegment und Stahllitze und bietet somit ein diagnostisches Kriterium für den Eingriff in Stahl. Systematische Einflüsse des Stahlanteils und der Vorschubgeschwindigkeit auf den Luftschallpegel sind nicht festzustellen. Die Erkenntnisse der technologischen Untersuchungen wurden im Folgenden für die Erweiterung des Modells zur Beschreibung der Betonbearbeitbarkeit auf Basis einer kombinierten Betrachtung des Luft- und Körperschallpegels genutzt. Mit der Einführung der Parameter Schallpegelverhältnis r und Gesamtschallpegel D stehen zwei Größen zur Verfügung, mit denen die Bearbeitbarkeit des Betongefüges allein auf Basis einer Korrelation der Luft- und Körperschallpegel abschätzbar ist. Das Schallpegelverhältnis r drückt als Verhältnis von Körper- zu Luftschallpegel die Werkzeugbelastung aus, welche sich aus der Reaktionskraft bedingt durch Gesteinsbruchprozesse (Körperschall) und der axialen Schwingungsenergie des Werkzeugs (Luftschall) zusammensetzt. Für homogene Betongefüge ist dieser Wert unbeeinflusst von der Vorschubgeschwindigkeit und proportional zu der mittleren Gefügehärte, wodurch eine zweifelsfreie Unterscheidbarkeit der untersuchten Betongefüge möglich ist. Die Größe D bildet ein Maß für den Gesamtschallpegel im Schleifprozess und eignet sich für die empirische Abgrenzung unterschiedlicher Werkzeugbelastungsbereiche. Weiterhin wurden aus den Erkenntnissen der Zusammenhänge zwischen schallbasiertem Modell und den technologischen Trennschleifuntersuchungen Handlungsanweisungen für unterschiedliche Bearbeitungssituationen definiert. Hierdurch ist ein Hilfsmittel gegeben, mit welchem die Bearbeitungseigenschaften des Betongefüges bewertet und gegebenenfalls eine Stellgrößenänderung erfolgen kann. Somit kann die Prozesssicherheit des Trennschleifprozesses dieser Werkstoffgruppe deutlich erhöht werden. Durch die einfache Anbringungsmöglichkeit von Luft- und Körperschallsensoren an Schleifmaschinen bietet die vorgestellte Methode eine praktikable Möglichkeit zur Erfassung der Gefügeeigenschaften und der Werkzeugbelastung. Die Projektergebnisse zeigen das Potenzial der Schallsignalanalyse zur Bewertung der Bearbeitbarkeit von Stahlbetonverbunden auf. Ziel weiterführender Arbeiten sollte sein, die Gültigkeit des erstellten Modells für die Anwendung mit anderen Werkzeugen zu überprüfen und das Modell gegebenenfalls zu erweitern. In der Praxis werden unterschiedliche Stammblattwerkstoffe und –geometrien mit dem Ziel einer Geräuschemissionsminderung eingesetzt. Von diesen Modifizierungen der Werkzeugstruktur geht eine Beeinflussung der Luftund möglicherweise auch der Körperschallsignale aus, welche durch Untersuchungen zu systematisieren wären. Ein weiterer Ansatz besteht darin, den Einsatz der entwickelten Methodik unter realen Bedingungen an einer mobilen Trennschleifmaschine zu testen. Im Gegensatz zur Versuchsumgebung im Labor treten in der Praxis vielerlei Störquellen wie Umgebungsgeräusche und Maschinenschwingungen auf, welche einen Sensoreinsatz erschweren können. Hierfür gilt es, angepasste Strategien der Signalverarbeitung zu entwickeln. Ein anwendungsbezogenes Forschungsvorhaben mit dem Fokus einer sensorischen Erkennung der Schnittbedingungen an einer mobilen Wandsäge wird unter Beteiligung eines Maschinen- und Werkzeugherstellers aktuell vorbereitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Akustische Prozessanalyse bei der Bearbeitung von Beton. 6. IFW-Steinkolloquium: Entwicklungen in der Naturstein- und Bauwerkstoffbearbeitung, 12.-13.11.2008. In: Berend Denkena (Hg.), Berichte aus dem IFW, Band 09/2008, S. 79-89
Denkena, B.; Rahman, S.; Robben, L.; Konopatzki, B.
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Schallemissionsanalyse beim Trennschleifen von Beton. (2008) In: Industrie Diamanten Rundschau (IDR), 42 (2008) I/08, S. 52-58
Denkena, B.; Boehnke, D.; Konopatzki, B.; Rahman, S.; Buhl, J.-C.; Robben, L.
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Sonic analysis in cut-off grinding of concrete. Production Engineering – Research and Development. 2 (2008), S. 209-218
Denkena, B.; Boehnke, D.; Konopatzki, B.; Buhl, J.-C.; Rahman, S.; Robben, L.
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Einfluss der Werkstoffzusammensetzung auf die Luftschallemission beim Trennschleifen von Beton - Prozessüberwachung beim Trennschleifen mineralischer Verbundwerkstoffe. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2009
Robben, L.
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Einfluss der Werkstoffzusammensetzung auf die Prozesssignale beim Trennschleifen von Beton. DMG-Jahrestagung, 2009. Hallesches Jahrbuch für Geowissenschaften 31 (2009) 203
Robben, L.; Denkena, B.; Konopatzki, B.; Rahman, S.; Buhl, J.-C.
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Airborne sound emission as a process monitoring tool in the cut-off grinding of concrete. Applied Acoustics, 71 (2010) 52-60
Robben, L.; Rahman, S.; Buhl, J.-C.; Denkena, B.; Konopatzki, B.
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Process Analysis in Cut-Off Grinding of Stone Compound Material. (2010) In: Global Stone Congress 2010, 3rd March 2010, Alicante, Spain, 13 Seiten
Denkena, B.; Konopatzki, B.; Rahman, S.; Robben, L.
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Trennschleifen von Beton und Stahlbeton - Einfluss der Gefügebestandteile auf die Bearbeitungseigenschaften. Diamant Hochleistungswerkzeuge - dihw, 2, 4/2010, S. 42-53
Denkena, B.; Köhler, J.; Konopatzki, B.; Buhl, J.-C.; Rahman, S.; Robben, L.
