Experimentelle Untersuchung, numerische Modellierung und modellbasierte Analyse des reibungsbehafteten Klinge-Schnittgut-Kontaktes beim Trennen von Naturstoffen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Kästner; Professorin Dr. Anja Maria Wagemans
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Bioverfahrenstechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420422342

Das Prinzip, Naturstoffe mit Messerklingen in kleinere Einheiten vorgegebener Geometrie zu zerteilen, wird in der Lebensmittelindustrie für zahlreiche Produkte angewandt - z. B. Käsescheiben oder Karamell-Kaubonbons. Die Qualität des Schnittgutes und die Prozessstabilität hängen dabei signifikant von Parametern wie Schneidgeschwindigkeit und Temperatur ab. Den Schneidprozessen immanent ist eine komplexe Kopplung von drei dissipativen Mechanismen: inelastische Deformation, Materialtrennung sowie Reibung zwischen Klinge und Schnittgut. Während die erstgenannten Aspekte im abgeschlossenen Vorhaben untersucht wurden, sind Mechanismen und Einflussparameter, welche der Reibung zugrunde liegen, bisher noch nicht verstanden - obwohl Experimente nahelegen, dass die Reibung bis zu 50 % der im Schneidprozess zu leistenden Arbeit ausmachen kann, und die Klinge-Naturstoff-Adhäsion entscheidend für die Qualität der generierten Trennflächen ist. Bisher werden i. A. sehr grobe Näherungen getroffen - z. B. trotz gegensätzlicher experimenteller Daten Coulomb-Reibung unterstellt. Im abgeschlossenen Projekt stand der geschwindigkeits- und temperaturabhängige Duktil-spröd-Übergang von Karamell im Fokus. Mit dem entwickelten Rissphasenfeldmodell wurde gezeigt, dass der Effekt aus einer Kopplung von viskoplastischem Deformationsverhalten und geschwindigkeitsabhängigem Risswiderstand resultiert; je nach Geschwindigkeit bzw. Temperatur kommt es so entweder zu massiver inelastischer Deformation oder Sprödversagen. Das beantragte Vorhaben soll die bisherigen Arbeiten konsequent fortsetzen. Ziel ist, in einer kontinuumsmechanischen Analyse des Schneidprozesses erstmals die Reibung im Naturstoff-Klinge-Kontakt gekoppelt mit allen weiteren dissipativen Mechanismen zu berücksichtigen. So soll die Grundlage für eine physikalisch fundierte Optimierung von Produktionsprozessen gelegt werden, um qualitativ hochwertige Trennflächen zeit- und energieeffizient zu erreichen. Dazu wird die Kontaktreibung experimentell analysiert, kontinuumsmechanisch modelliert und das vorliegende Phasenfeldmodell so weiterentwickelt, dass reibungsbehafteter Kontakt mit versagendem Material abgebildet werden kann. Zusätzlich soll ein Verständnis der Adhäsionsmechanismen erzielt werden, die der makroskopisch beobachteten Reibung auf kleinen Skalen zugrunde liegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen