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Fakultt Maschinenwesen Institut fr Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik Professur Lebensmitteltechnik Vorstudie zum Trennen hochviskoser Massen Bearbeitungszeitraum: Bearbeiter: 15.10.2012 bis 31.01.2013 Dipl.-Ing. Stefan Schuldt Dr.-Ing. Yvonne Schneider Prof. Dipl.-Ing. Dr. rer. nat. techn. habil Harald Rohm Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 6 Inhaltsverzeichnis .................................................................................. 2 Parametrierung existierender Trennprinzipien ....................................... 3 Erfassung der Lsungen von Theegarten-Pactec .................................. 3 Bercksichtigung zugnglicher Fremdlsungen .................................... 6 Formulierung von Zielgren ................................................................. 6 Festlegung von Qualittskriterien fr das Schnittergebnis .................... 6 Erfassung zwingender technischer Randbedingungen .......................... 7 Erfassung der den Trennvorgang betreffenden Einflussfaktoren ........ 11 Beschreibung und Parametrierung der relevanten Schnittgter .......... 11 Zusammensetzung von Zuckerwaren .................................................. 11 Textur und Phasenverhalten von Zuckerwaren.................................... 13 Parameterfelder der Verarbeitungsbedingungen ................................. 16 Klimatische Parameter ......................................................................... 16 Produktgeometrie ................................................................................ 17 Zusammenfassung der Problemstellung ............................................. 17 Potentiale und Grenzen alternativer Trennprinzipe .............................. 18 Trennprinzipe ....................................................................................... 18 Mechanisches Schneiden .................................................................... 18 Erodierendes Trennen ......................................................................... 19 Impulsartige Trennverfahren................................................................ 20 Strategien zur Erhhung der Schneidleistung ...................................... 22 Serielles Schneiden mit erhhter Relativgeschwindigkeit ................... 22 Parallelisiertes Schneiden .................................................................... 23 Sequenzierung des Trennvorganges.................................................... 24 Rahmenkonzept fr Forschungsprojekt ............................................... 24 Projektziel ............................................................................................ 24 Vorgehensweise/Strategischer Ansatz ................................................ 25 Beitrge der Projektpartner.................................................................. 26 Verarbeitungstechnik ........................................................................... 26 Lebensmitteltechnik ............................................................................ 26 Theegarten-Pactec............................................................................... 27 Evaluierung von Frdermglichkeiten .................................................. 28 Quellenbersicht.................................................................................. 30 2 Vorbemerkung Der vorliegende Bericht basiert auf persnlichen Gesprchen mit Thomas Nndel, Design Engineer bei Theegarten-Pactec, Andra Pernot-Barry, Technische Direktorin der Zentralfachschule der Deutschen Swarenwirtschaft (ZDS), auf von Theegarten-Pactec bereit gestellten Unterlagen sowie auf unabhngigen Recherchen des Instituts fr Lebensmittelund Bioverfahrenstechnik. 1 Parametrierung existierender Trennprinzipien 1.1 Erfassung der Lsungen von Theegarten-Pactec Grundstzlich werden im cut&wrap-Bereich zwei Arbeitsweisen zum Trennen der Massen angewendet. Zum einen erfolgt eine Trennung durch unter- und oberseitige Zufhrung zweier Messer (Guillotinenschnitt; z.B. bei Maschinentypreihe U1 und EW). Zwischen der Schnittausfhrung muss der Massestrang abgebremst und beschleunigt werden, so dass eine ausreichende Produktzufhrung und ein Stillstand der Massen whrend der Schnittausfhrung gewhrleistet ist. Zum anderen wird das Produkt bei konstantem Strangvorschub durch rotierende Messer (z.B. Maschinentyp WHD, WHF) bzw. mittels Guillotinenschnitt (FPW2) getrennt. Bei dieser Methode bewegt sich das Messer whrend des Schneidens in Strangrichtung. Bei allen Trennprinzipien muss gewhrleistet werden, dass auch bei sehr langsamen Schneidgeschwindigkeiten whrend des Anfahrens ein wirksames und strungsfreies Durchtrennen mglich ist. Im Folgenden werden Schneidvorgnge der Trennung mit intermittierendem Strangvorschub anhand der U1-Typreihe sowie der Trennung bei kontinuierlichem Strangvorschub anhand des Maschinentyps WHD beschrieben und erlutert. Als Schneidtakt wird die gleichzeitige Ausfhrung eines oder mehrerer Schnitte definiert Maschinentypreihe U1 Bei diesen Maschinentypen werden Guillotinenschnitte ausgefhrt durch ober- und unterseitige Zusammenfhrung zweier gerader Messer mit einer Versetzung von wenigen m zueinander. Die Messer einer Maschine des Typs U1-TR werden ber jeweils einen Schwinghebel bewegt mit einem Gesamthub von jeweils 12, wobei der Hub zum Schneiden eines Produktes mit 30 mm Querschnitt jeweils ca. 5,5 betrgt, bei einem Schneidweg von 15 mm zum Durchtrennen der halben Produkthhe. Bei dieser Schneidausfhrung kann in erster Nherung ein linearer Schneidvorschub und ein drckender Schnitt angenommen und eine Zgigkeit beim Schneiden vernachlssigt werden. Unter der theoretischen Annahme einer sinusgeprgten Messergeschwindigkeit und 1000 Schneidtakten in der Minute, also 60 ms pro Schneidtakt, wrde sich an der Mittelposition der Klinge eine maximale Klingengeschwindigkeit von ca. 1,75 m/s ergeben. Whrend eines Schnittes verringert sich die Schneidgeschwindigkeit bis auf 0 m/s im Wendepunkt des Messervorschubs (Abbildung 1.1). Bezieht man die Zeitdauer auf den zugehrigen Messervorschub von 15 mm erhlt man eine mittlere Schneidgeschwindigkeit von 1,1 m/s. Die Maschinentypreihe U1 wird mit einfacher Schnittausfhrung (z.B. U1-I) fr max. 1000 Schneidtakte/min und doppelter Schnittausfhrung (durch 2 nacheinander angeordnete Schneidvorrichtungen, also 2 Schnitte pro Schneidtakt; U1-D-CW) fr max. 750 - 1000 3 Schneidtakte/min (1500 - 2000 Schnitte/min) mit entsprechend erhhtem Strangvorschub, angepasster Produktabnahme und doppelter Verpackungslinie hergestellt. Abbildung 1.1: Schneidgeschwindigkeit einer Klingenseite der U1-TR ber der Eindringtiefe bei einer halben Produkthhe von 15 mm und der theoretischen Annahme von 1000 Schneidtakte/min Zur Durchfhrung eines Schnittes ist ein Abbremsen des Massestranges auf Stillstand mit anschlieender Strangbeschleunigung und erneuter Abbremsung zur Gewhrleistung des Produktvorschubs notwendig. Dabei knnen fr eine Maschine des Typs U1-I bei einer Produktlnge von 16 - 45 mm und 1000 Schneidtakte/min mittlere Stranggeschwindigkeiten (Nettostrangvorschub ber der Zeit) von 0,25 - 0,75 m/s angenommen werden. Fr eine Maschine des Typs U1-D-CW halbiert sich die mittlere Stranggeschwindigkeit bei gleicher Schneidtaktzahl fr die jeweiligen Produktabmae. Bei gleicher mittlerer Stranggeschwindigkeit verdoppelt sich die Anzahl der geschnittenen Produkte. Dabei wirken aufgrund der greren Beschleunigungen hhere Belastungen auf den Strang, welche bentigt werden, um die doppelte Stranglnge intermittierend voranzuschieben. Maschinentyp WHD Der Maschinentyp WHD arbeitet in einem Bereich bis 1800 Schneidtakte/min. Da die rotierende Messerwelle 2 Klingen auf einer Kreisbahn fhrt, werden pro Umdrehung 2 Schnitte ausgefhrt. Die Klingen sind als gebogenes Messer mit konstantem Krmmungsradius gefertigt und werden ber zwei Langlcher in der Form angestellt, dass der Kreisursprung der Klinge nicht koaxial zur Antriebswelle ausgerichtet ist (Abbildung 1.2). Dadurch wird ein Schneiden mit Zgigkeit realisiert, wobei eine Verringerung der Gesamtschneidkrfte durch Aufteilung in tangentiale und normale Komponenten (bezogen auf die Schneidrichtung) erfolgt. Aussagen ber Gesamtschneidkrfte und daraus resultierende Spannungen im Produkt sind aufgrund der Datenlage nicht mglich. Laut Drut (1992) knnen die Sichelmesser durch Verringerung der Schneidkrfte schlanker ausgefhrt werden, woraus sich geringere Schneidverformungen und Splitterneigung im Produkt ableiten lassen. 4 Abbildung 1.2: Darstellung der Ausrichtung des Messers K der WHD beim Schneidvorgang mit der Produktauflageflche A und der Klingenhalterung H mit den Feststellschrauben F1 und F2; die mit R gekennzeichnete Kreisbahn hat ihren Ursprung in der Rotationachse der Antriebswelle; Antriebswelle rotiert im Uhrzeigersinn Abbildung 1.3: Nherungsweise Umfangsgeschwindigkeit des Sichelmessers der WHD ber der Eindringtiefe bei einer Produkthhe von 15 mm und einer Drehzahl von 900/min (entspricht 1800 Schneidtakte/min) Abhngig von der Anstellung der Klinge ist es mglich Produkthhen von bis zu 15 mm zu durchtrennen. Unter Einbeziehung von Baugruppenzeichnung N01.372.188.00, Messerzeichnung N01.372.139.04 und weiterer geometrischer Kenndaten knnen Umfangsgeschwindigkeiten in Abhngigkeit von der Entfernung zur Rotationsachse whrend des Schneidvorgangs berechnet werden (Abbildung 1.3). Dabei zeigt sich, dass die Umfangsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit mit welcher sich die Klinge relativ zum Massestrang bewegt, um etwa eine Zehnerpotenz ber der maximalen Schneidgeschwindigkeit der U1TR liegt. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass die Umfangsgeschwindigkeit nicht der effektiven Schneidgeschwindigkeit entspricht. berschlgt man die Dauer fr einen Winkelfortschritt, welcher ntig ist einen Massestrang mit entsprechender Dicke zu durchtrennen, kann man eine resultierende Schneidgeschwindigkeit berechnen: diese betrgt etwa 3,8 m/s 5 und liegt somit um das dreieinhalbfache ber der mittleren Schneidgeschwindigkeit der U1TR. Die Trennung der Massestrnge erfolgt ohne Abbremsen des Stranges whrend der Schnittausfhrung. Zur Anpassung von Schnitt und Produktvorschub erfolgt eine Schrgstellung der Rotationsachse der Antriebswelle bei orthogonaler Ausrichtung Schneidkante der Klingen zur Produktvorschubrichtung, wodurch ein ,,Mitfahren" im Produkt gewhrleistet wird. Bei einer Produktlnge von 18 - 40 mm und 1800 Schneidtakte/min ergeben sich Stranggeschwindigkeiten von 0,5 - 1,2 m/s. 1.2 Bercksichtigung zugnglicher Fremdlsungen Gngige Falt-und-Einschlag-Maschinen auf dem Markt nutzen zu Theegarten-Pactec analoge Trennprinzipien. Ein weiteres Trennprinzip ist das Rolling&Scoring, bei welchem die Massen (vorwiegend Kaugummiartikel) vorgerillt und im Anschluss getrennt werden, also die Trennung in zwei Abschnitte unterteilt wird. Ein Beispiel hierfr bildet die Maschinentypreihe GW der Firma LoeschPack fr Kaugummiartikel (Tab-Gums). Hierbei wird der zu trennende Massestrang in Einzelsegmente unterteilt, welche einer Rill- und Brechwalze zugefhrt werden. Dabei knnen die Rill- und die Brecheinheit getrennt (GW-05) oder innerhalb einer Maschine (z.B. GW-04) angeordnet sein. Mit einer Rillwalze werden die lngeren Produktsegmente auf ca. 1/10 ihrer ursprnglichen Hhe eingeschnitten. Anschlieend werden die Segmente ausgerichtet (kalibriert) und einem Brecherkopf zugefhrt, der das Produkt an den Kerbungen abschert und somit mahaltige Einheiten erzeugt, welche einzeln verpackt werden. Laut Bewerbung beschrnkt sich das zu trennende Produktsortiment der Maschinentypreihe GW auf Streifenkaugummis oder Tab Gums, also dnne Produkte. Dabei sollen bis zu 3000 Schneidtakte/min mglich sein (fr GW-05). In Folge der zur Bruchtrennung bentigten sprden Materialeigenschaften ist ein Vorhalten der Produkthalbzeuge zum Abkhlen und Konditionieren erforderlich (bis zu 12 h), was sich einem erhhten Platzbedarf fr dieses Maschinenprinzip uert (Pernot-Barry, 2012). Ein Nachteil des Maschinenprinzips gegenber gngigen cut&wrap-Maschinen ist die rtlich und zeitlich getrennt vollzogene Formgebung der Schnittgter. Abhngig von den Inhaltsstoffen kann es zu Vernderungen der Abmae der Produkthalbzeuge whrend der Lagerung kommen (Flieen, Kontraktion). Die Maschine kann jedoch nur effizient arbeiten, wenn optimale Produktgeometrien zugefhrt werden. Zu hohe Halbzeuge, knnen zu Blockaden im Brecherspalt fhren und groe Verluste durch Abfall und Standzeiten bewirken. 2 Formulierung von Zielgren 2.1 Festlegung von Qualittskriterien fr das Schnittergebnis Generell existieren keine allgemeinen Bewertungskriterien fr die Beschaffenheit des Schnittbildes der zu durchtrennenden Swaren. Subjektive Kriterien sind die Einhaltung mglichst glatter, gratfreier und planer Schnittflchen bei grtmglicher Einhaltung von Form und Abmessung des Produktes. Toleranzangaben von Herstellerseite knnen nur begrenzt angegeben werden. Fr die Hhe von Kaugummiartikeln betragen sie fr zwei unterschiedliche Produkte beispielsweise 2,5 0,015 mm bzw. 5,5 0,2 mm. Weitere Aussagen 6 zur Einhaltung von Toleranzen beim Einhalten von Schnittmaen unterliegen Schtzungen und betragen 1 mm fr lange Produkte bis 0,2 mm fr kurze Produkte. Bei der Formgebung wird ein Streubereich von max. 0,5 mm angestrebt. Am Schneidsystem selber ist eine Verstellung der Messerklinge von 1 mm gewhrleistet (fr WHD). Produktabhngig findet bei einigen Produkten eine Nachformung nach Verpacken der Schneidgter auf ca. 0,2 mm statt und kann das Einhalten strenger Schneidmatoleranzen ersetzen. Einige Massen kontrahieren nach dem Verpackungsschritt, was sich erschwerend auf das Einhalten magenauer Vorgaben auswirkt. Zur Qualittsbewertung wre die Erarbeitung eines Produktkataloges mit verschiedenen Formaten und ihren notwendigen Abmatoleranzen sinnvoll. 2.2 Erfassung zwingender technischer Randbedingungen Bei der Konstruktion von Schneid- und Verpackungsmaschinen fr Swaren stellen sich diverse Herausforderungen: die Maschinen mssen lebensmittel- und hygienegerecht gefertigt werden und sind aufgrund starker Beschleunigungen und hoher Geschwindigkeiten hohen Belastungen ausgesetzt. Bei meist geringem Bauraum mssen eine Zugnglichkeit fr Bedien- und Wartungspersonal innerhalb geltender Sicherheitsvorschriften gewhrleistet und Strungen schnell beseitigt werden knnen. Dabei mssen unterschiedliche teils inhomogene Medien mahaltig getrennt und verpackt werden, wobei Verschleibeanspruchungen und Verschmutzungen auftreten. Als globale Zielsetzung von Theegarten-Pactec kann eine Erhhung derzeitiger Schneidtaktzahlen bei cut&wrap-Anwendungen auf mindestens 3000 Schneidtakte/min bei Minimierung von Verlusten durch Betriebsstrungen und Maximierung der Standzeiten festgehalten werden. Dabei sollten die Verpackungsmaschinen die bisherigen rumlichen Abmessungen einhalten. Eine bergeordnete Zielorientierung ist Einsparung von Lagerraum und Energie. Mgliche Lsungen zum Erreichen hherer Schneidtaktzahlen mssen also unter diesen Rahmenbedingungen wirtschaftlich durchfhrbar sein. Beim Schneiden mit hoher Taktzahl existieren vielfltige Strgren, welche limitierend wirken knnen. Hauptschlich sind das Splittern der Produkte whrend des Schneidens sowie Anhaftungen an den Schneidwerkzeugen zu nennen. Abbildung 2.1: unkontrollierte Rissausbreitung in einem Toffeestrang T bei Schnittauslsung durch ein rotierendes Sichelmesser M (bewegt sich effektiv von unten nach oben und in Blickrichtung durch den Strang) (linke Abbildung) und Absplittern von Produkt in Folge des Nachdrngens der Klinge bzw. der Schnittausfhrung an der gewnschten Position (rechte Abbildung); rechts von der Klinge: Greifer des Beschleunigungsrades, welcher das abgetrennte Produkt zur Packstrecke berfhrt 7 Das Splittern von Swaren im Bereich der Trennzone hat unsaubere und gratbehaftete Schnittflchen und allgemein einen Produktverlust zur Folge. Die dabei erzeugten Abplatzungen verschmutzen die Maschine bis hin zur Verpackungsstrecke, was zu Strungen fhren kann. Abbildung 2.1 illustriert die Abfolge von Rissentstehung und Splittern eines Toffeestranges als Bildsequenz aus einer High-Speed-Aufnahme. In dem Video ist zu erkennen, dass der Toffeestrang durch das eingreifende Sichelmesser nach oben gedrckt und ein Riss genau dann ausgelst wird, wenn der Produktstrang gegen den oberen Anschlag gedrckt wird (linke Aufnahme). Das Nachdrngen der Klinge innerhalb der vorgegebenen Trennebene erzeugt eine weitere Trennflche und in Folge die Ausbildung einer Abplatzung, welche sich unkontrolliert im Prozessraum bewegt. Eine Abfolge mehrerer Schnitte zeigt, dass sich die Risse zufllig ausrichten; entsteht die Rissflche innerhalb der vorgesehenen Trennebene, ist kein Abplatzen zu verzeichnen. Nach Drut (1992) wirkt die Spannungsrelaxation des Produktes dem Spannungsaufbau durch Verformung in Folge eines Schneidvorgangs entgegen. Es kommt dann zur Schnitt- bzw. Bruchauslsung, wenn die Schneidverformungsgeschwindigkeit in der Weise erhht wird, dass die sich dadurch aufbauende Spannung die Festigkeit des Produktes bersteigt. Abhngig von den stofflichen Eigenschaften des Produktes und der Beanspruchungsgeschwindigkeit kommt es zur Ausbildung eines Zh- oder eines Sprdbruches (Drut, 1992). Letzterer ist gekennzeichnet durch eine maximale Rissausbreitungsgeschwindigkeit (Bruchgeschwindigkeit) (Kerkhof, 1963; Dear, 1996) und sollte begnstigt werden durch hohe Schneid- bzw. Verformungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig sprdem bzw. hartem Materialverhalten des Produktes. Der Bruch oder Riss verluft dabei stets senkrecht zur maximalen Hauptzugspannung (Drut, 1992). Bei instabiler Rissausbreitung breitet sich ein Primrriss mit zunehmender Geschwindigkeit aus. Aufgrund der Spannungsverhltnisse im Vorfeld des Primrrisses erhht sich die Wahrscheinlichkeit fr eine Bruchgabelung bei Erhhung der Bruchenergie in Folge einer wachsenden Bruchgeschwindigkeit. Die Annherung bzw. das Erreichen der maximalen Bruchgeschwindigkeit fhrt demnach zu raueren Bruchflchen sowie Bruchverzweigungen mit Splittern der Produkte (Drut, 1992; Przywara, 1995). Die Bildung von Bruchgabelungen kann durch Inhomogenitten in der Matrix, wie Lufteinschlsse oder Partikel begnstigt werden. Diese Inhomogenitten sind bei Swaren prinzipiell zu erwarten. Die Beobachtungen am Beispiel des Toffeestrangschneidens lassen das Auftreten von Sprdbrchen mit instabiler Rissausbreitung vermuten. Interessanterweise splittern die Toffeemassen visuell betrachtet gleich, egal ob mit 750 Schneidtakte/min oder 1500 Schneidtakte/min geschnitten wird. Es scheint also nicht zu einer Zunahme des Effektes zu kommen. Dies legt nahe, dass die kritische Beanspruchungsgeschwindigkeit zur Auslsung eines Sprdbruches unterhalb der angewendeten Schneidgeschwindigkeit liegt. Im Industriemastab kann eine Reduktion der Schneidtaktzahl jedoch auch zu einer Verringerung des Splitterns fhren. Maximale Bruchgeschwindigkeiten von erstarrtem Glas oder PMMA bzw. PE bei Raumtemperatur liegen im Bereich von 103 m/s bzw. 0,3 x 103 m/s (Kerkhof, 1963, Dear, 1996). An den High-Speed-Aufnahmen an Toffeemassen ist zu beobachten, dass sich die Rissausbildung pltzlich, also mit sehr hoher Geschwindigkeit vollzieht. Es ist demnach anzunehmen, dass die maximalen Bruchgeschwindigkeiten der zu schneidenden Swaren fr dieses Beispiel weit oberhalb der Schneidgeschwindigkeit liegt. Laut Drut (1992) mssen die Massen ausreichende viskoelastische Eigenschaften aufweisen, damit eine Sprdbruchtrennung mglich wird, eine messtechnische Beschreibung der 8 viskoelastischen Eigenschaften fand jedoch nicht statt. Voraussetzungen fr diese Art der Trennung erfllten demnach nicht alle zu schneidenden Zuckerwaren. Allgemein erhht sich die Splitterneigung bei Absenkung der Produkttemperaturen. Anhaftungs- oder Adhsionsphnomene unterliegen komplexen Vorgngen und werden durch chemische und physikalische Wechselwirkungen sowie die kohsiven Eigenschaften der Stoffsysteme bestimmt. Eine genaue Beschreibung der Ursachen von Anhaftungen die zu einer Verschmutzung fhren knnen, sind aufgrund simultan ablaufender Adhsionsmechanismen nicht ohne weiteres mglich (Mller et al., 2006; Schultz & Nardin, 2003). Am Beispiel des Schneidens von Swaren fhrt das Anhaften von Produkt am Schneidwerkzeug praktisch zu einer Verbreiterung der Klinge (Abbildung 2.2). In Folge kommt es zu unsauberen Schnitten bei beeintrchtigter Mahaltigkeit und Produktverlusten. Der zu schneidende Strang kann verschoben werden und Anhaftungen platzen in unregelmigen Abstnden ab. In Summe steigt die Wahrscheinlichkeit fr Strungen (auch Packmittelstrungen). Gehandhabt wird das Problem, indem die Verarbeitung in subjektiv gewhlten Intervallen angehalten und die Klinge gereinigt wird. Eine Erhhung der Schneidgeschwindigkeit scheint nicht zu einer Verstrkung der Anhaftung zu fhren. Generell erhht sich die Klebrigkeit bzw. Produktanhaftung mit erhhter Temperatur oder hherer Luftfeuchte. Abbildung 2.2: Produktanhaftung am Sichelmesser einer WHD mit Verschlei an der PTFEBeschichtung (grn); Drehrichtung jeweils gegen den Uhrzeigersinn Im industriellen Mastab wird dem Phnomen mit unterschiedlichen Manahmen begegnet. So kommen Klingenbeschichtungen zum Einsatz, welche die Anhaftungsneigung der Oberflche verringern sollen, in Abbildung 2.2 als grne PTFE-Beschichtung zu erkennen. Am konkreten Beispiel wird deutlich, dass die Verschleibestndigkeit der Beschichtung nicht optimal an die Nutzungsdauer der Klinge angepasst ist, da im Bereich der beanspruchten Klingenflanken keine Beschichtung mehr vorhanden ist. Bei einem weiteren Lsungsansatz werden lebensmittellhaltige Aerosole (meist mittelkettige le) oder Pulver (zumeist Talkum) auf die Produktstrnge aufgebracht, um die Anhaftung an den Schneidwerkzeugen zu verringern. Letztere knnen aufgrund ihrer abrasiven Wirkung Verschlei an Maschinenteilen hervorrufen bzw. verstrken. Eine weitere potentielle Strgre stellt das ,,Strangpeitschen" dar. Dieses entsteht beim Schneidprinzip mittels Guillotinenschnitt durch die intermittierende Zufhrung der vorgeformten Massestrnge, wobei Trgheitseffekte zu einem ,,Rckstauchen" der Strnge fhren. Das Strangpeitschen kann durch Niederhalter (Walzen) unterdrckt werden und wird nicht als begrenzend fr die Schneidleistung angesehen. Bei einer Erhhung der Strangge- 9 schwindigkeit in Folge hherer Schneidtaktzahl kommt es prinzipiell zu einer strkeren mechanischen Strangbelastung, da die Masse innerhalb krzerer Zeit umgeformt werden muss. Generell ist davon auszugehen, dass die mechanische Vorgeschichte des Stranges einen Einfluss auf das Schneidergebnis ausbt, wobei eine starke bzw. schnelle Strangumformung zu Spannungen im Material fhren und somit ein Splittern whrend des Trennvorgangs begnstigen kann. Eine Steigerung der Stranggeschwindigkeit htte auerdem ein verstrktes Strangpeitschen (bei intermittierender Strangzufhrung) zur Folge. In letzter Konsequenz wren mehr Formwalzen als derzeit ntig, um eine Umformung zu realisieren. Prinzipiell erhht sich durch eine Erhhung der Stranggeschwindigkeit also die Gefahr potentieller Strungen. Schneiden ist gekennzeichnet durch eine erzwungene Relativbewegung zwischen Produkt und Messer, bei welcher mechanische Beanspruchungen durch Bruch-, Dehnungs- und Reibungsphnomene einen Verschlei an der Messerklinge verursachen. Dabei haben die Produkteigenschaften mageblichen Anteil an der Verschleiintensitt. Beim industriellen Schneiden laufen Klingen ber einen lngeren Zeitraum, ohne zwischendurch geschrft zu werden. Prinzipiell besteht eine strkere Verschleibeanspruchung beim Schneiden von Produkten mit erhhter Zhigkeit und Festigkeit. Neben dem Verschlei an der Schneidenflanke und damit einhergehendem Potential hherer Anhaftungsneigung (Abbildung 2.2) wirkt der Verschlei vor allem an der Messerkante (Schneidenwate). Eine Abnahme der Schneidenschrfe fhrt demnach zu einer Erhhung der erforderlichen Schneidenergien zur Durchtrennung der Produkte (Schuldt et al., 2013). Zu den Auswirkungen einer breiteren Schneidenwate auf das Bruchverhalten kann an dieser Stelle keine differenzierte Aussage getroffen werden, jedoch sind eine Abnahme der Schneidprzision und Vernderungen des Spannungszustandes vor der Schneidenwate zu erwarten. Eine Zunahme des Splitterns der Produkte wird vermutet. Entsprechende Beeintrchtigungen des Trennergebnisses durch Verschlei an den Klingen sollte deshalb nicht vernachlssigt werden. In extremen Belastungssituationen knnen Verschleibeanspruchungen auftreten, die zu Gewaltbrchen im Bereich der Klingenschneide fhren (Nndel, 2001). Beim konkreten Beispiel aus einem internen Protokoll der Firma Theegarten-Pactec zeigten sich auerdem Gefgenderungen in Folge starker Erwrmung. Als mgliche Ursache fr Gewaltbruch und Gefgenderung wird das Anschlagen der Messer gegen die Greifer des Beschleunigungsrades genannt, hervorgerufen durch fehlerhafte Einstellung, aber auch eine mgliche Verschiebung der Messers durch zu harte bzw. kalte Massestrnge. Auch eine Erhitzung durch Reibung am Produkt kann nicht ausgeschlossen werden. Laut Fleischhauer (2012) sollte eine Klinge eine ausreichende Hrte (hohe Steifigkeit) im Bereich der Schneide besitzen (Verschleibestndigkeit), jedoch ansonsten mglichst zh sein, um bei hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten nicht zu brechen. Diese Eigenschaft kann durch Teilhrtung nur im Bereich der Schneidkante gewhrleistet werden. Hohe Schneidgeschwindigkeiten knnten generell zu Verformungen an der Klinge fhren, welche die Gefahr bergen die Schneidprzision zu beeinflussen (Fleischhauer, 2012). 10 3 Erfassung der den Trennvorgang betreffenden Einflussfaktoren 3.1 Beschreibung und Parametrierung der relevanten Schnittgter 3.1.1 Zusammensetzung von Zuckerwaren Die Bezeichnung Zuckerwaren umfasst Artikel welchen einen bedeutenden Anteil an Sacchariden in Form von Saccharose, Glucosesirup oder anderen kohlenhydratbasierten Inhaltsstoffen aufweisen. Sie grenzt sich vom Oberbegriff Swaren ab, dem unter anderem auch Backwaren oder Speiseeiserzeugnisse angehren (Hoffmann et al., 2002). Schneidgutrelevante Zuckerwaren knnen durch die Produktgruppen Hartkaramellen, Weichkaramellen und Kaugummiartikel zusammengefasst werden. Diese Produktgruppen sind in Koch- und Knetmassen zu unterscheiden. Tabelle 3.1: Zusammensetzung von Hart- und Weichkaramellen nach Hoffmann et al. (2002) Stoff Hartkaramellen Milchhaltige Weich- Milchfreie Weich- karamellen karamellen [%] [%] [%] Wasser 01,0 - 03,0 04,00 - 08,0 04,00 - 08,0 Asche 00,1 - 00,2 01,00 - 01,5 010000000, Glukosesirup (TM) 30,0 - 60,0 20,00 - 50,0 20,00 - 50,0 Saccharose 40,0 - 70,0 30,00 - 60,0 30,00 - 60,0 Lactose k. A. 04,00 - 06,0 0- Invertzucker 01,0 - 08,0 01,00 - 10,0 01,00 - 10,0 Fett k. A. 03,00 - 15,0 02,00 - 15,0 Gelatine k. A. 00,05 - 00,5 00,05 - 00,5 Milcheiwei k. A. 03,00 - 05,0 0- TM - Trockenmasse; k.A. - keine Angabe Zu den Kochmassen zhlen Hart und Weichkaramellen. Hier werden Saccharose und Glucosesirup mit Wasser bei Temperaturen von ca. 120 C (Weichkaramellen) bzw. ca. 140 C (Hartkaramellen) auf den gewnschten Trockenmassegehalt eingekocht. Anschlieend werden die weiteren Zutaten zugesetzt, die Massen homogenisiert und auf Ausformungstemperaturen von 30 - 40 C bzw. 70 - 80 C abgekhlt (Hoffmann et al., 2002). Hartkaramellen unterscheiden sich zu Weichkaramellen in ihrem Feuchtegehalt und enthalten meist keine Gelatine und kein bzw. wenig Fett. Weichkaramellen knnen in milchhaltige bzw. milchfreie Produkte unterschieden werden. In Tabelle 3.1 sind typische Zusammensetzungen von Hartund Weichkaramellen aufgefhrt. Kaugummis zhlen zu den Knetmassen, deren Inhaltstoffe bei ca. 60 C vermischt werden. Die nachfolgenden Verarbeitungstemperaturen liegen bei ca. 40 C. Kaugummis bestehen aus einem wasserlslichen und einem wasserunlslichen Anteil (Kaubase), welcher den eigentlichen Kaugummi ausmacht. Diese unverdauliche thermoplastische Kaumasse besteht zu einem Teil aus einem synthetischen (z.B. Polyvinylacetat) oder natrlichen Gummi. Den 11 grten Teil machen mineralische Fllstoffe (v. a. Calziumcarbonat, Talkum bei sauren Produkten) aus, welche die Kau- und Verarbeitungseigenschaften beeinflussen. Als Weichmacher werden Wachse oder Fette hinzugegeben. Tabelle 3.2 zeigt die Zusammensetzung von Kaugummi. Der wasserlsliche Anteil besteht hauptschlich aus Sungsmitteln, welche in der initialen Kauphase im Mund aufgebraucht werden. Saccharose als Sungsmittel wird in Pulverform als kristalline Phase hinzugegeben. Glucosesirup wird als Feuchtigkeitstrger zugefgt. Ohne ihn wre die Kaumasse brcklig. Der Endwassergehalt der Kaugummimasse liegt zwischen 2 und 4 %. Tabelle 3.2: Zusammensetzung von Kaugummi nach Pernot-Barry (2012) Inhaltsstoff Gesamtanteil [%] Kaubase 30 - 40 Sungsmittel 40 - 60 Glucosesirup bis 15 Aromen 2 - 3 Wasser 2 - 4 Sstoffe < 0,5 Weitere Zutaten 1 - 2 Nach ihren sensorischen Eigenschaften knnen Weichkaramellen nach Anonymus (1999) in gut kaubare, klebrige Toffees, weiche und gut beibare Fudges, sowie elastische und kaugummihnliche Kaubonbons unterteilt werden. Diese Eigenschaften werden teilweise ber die kristallinen Anteile des Zuckers im Endprodukt gesteuert. Weichkaramellen mit kristalliner Phase werden mit Fondant beimpft, einer gesttigten Saccharoselsung mit fein verteilten Zuckerkristallen mit engem Korngrenspektrum. Dies fhrt zu einer Rekristallisation gelster Zuckerbestandteile mit einem homogen Kristallwachstum und kleinen Kristallen in der gesamten Weichkaramelle (Reifung). Folge der Rekristallisation bzw. kristalliner Anteile in den Massen ist eine leicht brechende Weichkaramelle mit geringerer Klebrigkeit im Mund und verbesserten Verarbeitungseigenschaften (weniger Anhaftung an Verarbeitungswerkzeugen). Glucosesirup agiert als Kristallisationshemmer und erhht die Sttigungskonzentration in der Lsung. Die Rekristallisation ist ein zeitabhngiger Prozess, wobei ein Groteil der Reifung erst nach der Einzelverpackung der Verarbeitungsgter vollzogen wird (Hoffmann et al., 2002; Pernot-Barry, 2012). Whrend Hartkaramellen als einphasig zu betrachten sind, bilden Weichkaramellen disperse Systeme mit einer kontinuierlichen wssrigen Phase (Saccharidlsung) in welchen ltrpfchen, Luftblschen und Zuckerkristalle enthalten sein knnen. Kaugummis sind ebenfalls aus ein mehrphasiges Stoffgemisch mit dispers verteiltem Feststoffanteil (Zuckerkristalle). Eine wichtige Aufgabe kommt der Homogenisierung der dispersen Systeme whrend des Kochens, Knetens und Aufschlagens zu, da Texturinhomogenitten vernderbare mechanische Eigenschaften der Masse zur Folge haben und das Trennverhalten der Massen beeinflussen knnen (Pernot-Barry, 2012). Laut Hoffmann et al. (2002) verringert die Feinverteilung der Fettphase die Neigung der Massen an den Schneidwerkzeugen zu kleben. Sollen Produkte hergestellt werden, die insulinunabhngig verstoffwechselt werden oder nicht kariogen sein sollen, werden Zuckeraustauschstoffe als Pulver oder Sirup eingesetzt. Zuckeraustauschstoffe sind hauptschlich Zuckeralkohole, vermehrt werden jedoch auch Oligo- und Polysaccharide wie Isomaltit oder Inulin eingesetzt, welche weniger abfhrend 12 wirken. Aufgrund ihrer teilweise geringen Skraft knnen sie als Fllstoff fr Sstoffprodukte agieren. Abhngig vom Zuckeraustauschstoff knnen unterschiedliche Eigenschaften der Massen in Bezug auf Referenzprodukte mit Saccharose auftreten. Xylitol oder Sorbitol sind eher hygroskopisch und erhhen beispielsweise die Klebrigkeit der Massen, whrend Massen mit Mannitol diesbezglich gute Eigenschaften aufweisen. Entscheidend sei hier nach Einschtzung von Pernot-Barry (2012) die Hygroskopizitt, also die Neigung der einzelnen Bestandteile Wasser zu adsorbieren. 3.1.2 Textur und Phasenverhalten von Zuckerwaren Bei der Herstellung von Zuckerwaren werden die Zutaten in der Regel bei erhhter Temperatur verflssigt und vermischt und anschlieend durch Abkhlung in einen viskosen bis festen Zustand berfhrt. Beim bergang zwischen flssiger und fester Phase knnen Stoffe oder Stoffgemische unterschiedliche thermodynamisch stabile oder instabile morphologische Zustnde durchlaufen. Thermodynamisch stabile Zustnde in der Flssigphase sind Schmelzen und Lsungen und im festen Zustand Kristalle. Instabile amorphe Zucker knnen in verschiedenen instabilen, nicht kristallinen Zustnden vorkommen: in einem hochviskosen glasartigen Zustand mit niedriger molekularer Mobilitt oder als viskose Flssigkeit in einem gummi oder lederartigen Zustand (Roos, 2010). Die Transformation von einem Glas zum gummiartigen Zustand durch Erwrmung oder der umgekehrte Vorgang durch Khlung nennt man Glasbergang (Le Meste et al., 2002). Die Temperaturregion, bei der die Transformation eintritt, bezeichnet man als Glasbergangstemperatur Tg. Mit Unterschreitung der Glasbergangstemperatur wird der Glaszustand erreicht; das Material wird fest und sprde und neigt zum Splittern beim der Trennung (Drut, 1992). Tabelle 3.3 zeigt Glasbergangstemperaturen von Zuckern und Zuckeralkoholen, welche in Zuckerwaren Verwendung finden. Fr Polymere wie sie Kaubasen Verwendung finden, existieren ebenfalls morphologische bergangsbereiche. Die Glasbergangstemperatur von Polyvinylacetat betrgt beispielsweise 38 C (Beiner et al., 1996; Burfield & Lim, 1983). Tabelle 3.3: Glasbergangstemperaturen Tg von verschiedenen Zuckern und Zuckeralkoholen ohne Feuchteanteil nach Ergun et. al (2010) Stoff Tg [C] u Fructose 005 Glucose 031 Lactose 101 Maltose 087 Saccharose 62-70 Sorbitol 0-9 Xylitol ,-29 Maltitol 039 Isomalt 0,063,6 Mannitol* 013 *nach Kim et al (1998) 13 Die Glasbergangstemperatur ist bei gleicher Temperatur und Druck abhngig von der Zusammensetzung der Mischung sowie den Tg der jeweiligen Einzelkomponenten. Allgemein fhrt eine Erhhung des Feuchtegehalts zur Senkung der Glasbergangstemperatur (Nowakowski & Hartel, 2002). Generell besteht bei Zuckerwaren ein Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der wasserfreien Zutaten und der Glasbergangstemperatur (Achmed et al., 2005). Als Richtwert der Glasbergangstemperatur fr Hartkaramellen knnen Temperaturen ber 30 C herangezogen werden (Reinheimer et al., 2010). Fr Weichkaramellen liegen die Werte abhngig vom Wassergehalt und der Zusammensetzung darunter. A B Abbildung 3.1: A: schematisches Zustandsdiagramm mit Gleichgewichtskurven fr typische Lebensmittelsysteme, Auftrag von Temperatur ber der Zusammensetzung [links: 100 % Wasser; rechts: 0 % Wasser] (modifiziert aus Schenz, 1995); B: Schematisches Diagramm mit mechanischen Eigenschaf-ten von Lebensmittelsystemen ber der Temperatur mit einzelnen Zustandsbereichen, der Glasber-gangstemperatur Tg sowie der Schmelztemperatur Tm (aus Schenz, 1995) Abbildung 3.1A zeigt ein Zustandsdiagramm fr typische Lebensmittelsysteme mit charakteristischen Gleichgewichtskurven (Schmelzkurve Tm und Glasbergangskurve Tg) und charakteristischen Eigenschaften (viscous flow, rubbery) innerhalb der einzelnen Zustnde Flssigkeit oberhalb der Gefrierpunktskurve, Glaszustand (Glass) und Eis + Konzentrierte Flssigkeit (Ice + Concentrated Liquid). Die bergangsbereiche vom flssigen zu einem festen Aggregatzustand werden beschrieben durch gummi- oder lederartige Zustnde und sind gekennzeichnet durch eine fundamentale nderung der mechanischen Eigenschaften bei nderung von Druck oder Temperatur (Abbildung 3.1B) (Schenz, 1995). Die sich dabei verndernde molekulare Mobilitt fhrt zu einer allgemeinen Erhhung der Reaktivitt und bewirkt somit nderungen der adhsiven Eigenschaften mit Verstrkung von Anhaftungen und Klebrigkeit der Stoffsysteme (Abbildung 3.2) (Wang & Langrish, 2007). 14 Abbildung 3.2: Zustandsdiagramm eines Saccharose-Wasser-Gemisches mit dem Glaszustand (Glassy State) und Zonen des Glasbergangs (Glass transition) und gummiartigen Zustands mit auftretender Klebrigkeit (Stickiness, Caking) und anschlieendem strukturellen Kollaps (Collapse) beim bergang in einen fliefhigen Zustand (Liquid flow) bei Erhhung von Temperatur und/oder Wassergehalt (reproduziert nach Roos, 1995) Bei konstantem Umgebungsdruck sind demnach die Temperatur und der Wassergehalt eigenschaftsbestimmende Parameter der Systeme. Eine besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der umgebenden relativen Luftfeuchte [-] (entspricht dem Verhltnis des Wasserdampfdrucks in der Luft zum Sattdampfdruck reinen Wassers) und der Wasseraktivitt aw [-] des Lebensmittelsystems (entspricht dem Verhltnis des Wasserdampfdrucks im Lebensmittel zum Sattdampfdruck reinen Wassers) zu. Ein System mit geringerem aw als die relative Feuchte der Umgebungsluft wird so lange Wasser aufnehmen (Adsorption) bis sich die Partialdampfdrcke beider Systeme angeglichen haben. Dabei gilt: Je grer der Gradient zwischen relativer Luftfeuchte und aw, desto grer ist auch die Triebkraft zur Angleichung der Zustnde. Bedeutsam ist, dass die vorliegenden Stoffsysteme in genau diesen Bereichen verarbeitet werden, wo morphologische bergnge stattfinden. Deshalb zeigen Erfahrungen eine Abhngigkeit der Schneidqualitt von den Umgebungsbedingungen. So fhren niedrige Temperaturen bei einigen Massen zu vermehrtem Splittern, whrend bei feuchtwarmem Wetter eine Erhhung der Klebrigkeit der relevanten Zuckerwaren auftritt und Anhaftungen an den Schneidwerkzeugen zunehmen. Da die nderung der stofflichen Eigenschaften im Bereich thermodynamisch instabiler Zustnde zeitabhngig sind (Roos, 2010), knnen Eigenschaftsnderungen im schneidrelevanten Zeitraum nur partiell vollzogen worden sein. So berichtet Drut (1992) von einem inhomogenen Bruchverhalten von Weichkaramellmassen aufgrund unterschiedlicher morphologischer Eigenschaften zwischen Kern und Auenschicht der Zuckerware. Eine Bruchtrennung fand dabei nur in der Auenschicht um den noch weichen Kern herum statt. Tabelle 3.4 zeigt typische aw und die kristallinen Anteile fr unterschiedliche Zuckerwaren. Dabei wird ersichtlich, dass die beim Schneiden von Zuckerwaren relevanten Stoffsysteme grtenteils durch amorphe Zustnde charakterisiert sind. Der kristalline Anteil der Zuckerwaren hat einen direkten Einfluss auf den Trennvorgang bei der Verarbeitung. Mit zunehmender Rekristallisation des Zuckers der Massen verringern sich die elastischen Eigenschaften und die Plastizitt nimmt zu (Drut, 1992; Pernot-Barry, 2012). Dadurch sinkt 15 die Fhigkeit der Massen sprd zu brechen (Drut, 1992). Mit Zunahme des Verhltnisses Saccharose/Glucosesirup und damit einhergehender Verringerung des Wasseranteils sinkt die Klebrigkeit der Stoffsysteme. Auerdem steigt die Rekristallisationsneigung. Amorpher Zucker ist gegenber kristallinem Zucker stark hygroskopisch (Bronlund & Paterson, 2004). Eine Erhhung des Anteils an Saccharosekristallen verringert die Anhaftungsneigung und Klebrigkeit der Massen (Hoffmann et al., 2002). Tabelle 3.4: Feuchtegehalt, Wasseraktivitt aW und kristalline Anteile einiger Zuckerwaren (nach Ergun et al., 2010) Artikel Kristalliner Anteilu aW [%] [-] Hartkaramell 00 - 20 0,25 - 0,40 Karamell, Fudge, Toffee 00 - 30 0,45 - 0,60 Kaubonbon 00 - 10 0,45 - 0,60 Kaugummi 30 - 40 0,40 - 0,65 3.2 Parameterfelder der Verarbeitungsbedingungen 3.2.1 Klimatische Parameter Die Koch- bzw. Knettemperaturen betragen fr Hartkaramellmassen bei Normaldruck zwischen 130 und 150 C, fr Weichkaramellen 120 - 130 C und fr Kaugummimassen ca. 50 60 C (Anonymus, 1999; Hoffmann et al., 2002). Nach Temperierung auf Khltischen geben Hoffmann et al. (2002) als Prgetemperaturen fr Hartkaramellen 70 - 80 C sowie Verarbeitungstemperaturen fr Weichkaramellen und Kaugummimassen zwischen 30 C und 40 C an. Dabei herrschen in den Verarbeitungsrumen Umgebungstemperaturen. Daten zur relativen Luftfeuchte liegen nicht vor. Eine Produktverarbeitung unter klimatischer Konditionierung wird in Lndern mit feuchtwarmem Klima sowie im mitteleuropischen Raum mit gemigten klimatischen Bedingungen nur teilweise angewendet. Prinzipiell besteht bei den derzeitigen Lsungen die Mglichkeit der einseitigen Strangtemperierung bei der Strangzufhrung ber temperierte Egalisierrollen und Zufhrbahnen sowie einer ganzseitigen Temperierung in Khl- bzw. Wrmetunneln. Unter fr Mitarbeiter ertrglichen und konomischen Gesichtspunkten wre eine Klimatisierung von 20 C bei einer relativen Luftfeuchte von 60 % zu empfehlen (Pernot-Barry, 2012). Da die Umgebungsbedingungen Temperatur und Luftfeuchte einen Einfluss auf die Schneidgutmorphologie haben und damit nderungen der mechanischen und adhsiven Eigenschaften bewirken knnen, wre es notwendig diese Umgebungsbedingungen konstant zu halten und gegebenenfalls auf die zu schneidenden Stoffsysteme anzupassen. Dabei ist zu beachten, dass es, abhngig von der Temperatur der Schneidgter und den klimatischen Bedingungen, nicht zur Wasserkondensatbildung auf den Massestrngen kommt (Taupunktberechnung). 16 3.2.2 Produktgeometrie Die Abmae der relevanten Swaren bei Verpackungsmaschinen von Theegarten-Pactec betragen bei streifen- und quaderfrmigen Produkten sowie Produkten mit runden Querschnitten Lngen von ca. 16 - 200 mm, Breiten von ca. 8 - 30 mm sowie Hhen von ca. 4 16 mm und Durchmesser von 9 - 30 mm, wobei Querschnitte von max. 16 x 30 mm oder die den Durchmessern entsprechenden Kreisquerschnitte durchtrennt werden. Unabhngig davon existieren auch andere Handelmae (z.B. dnnere Produkte). Allgemeines Ziel bei der Produktdurchtrennung ist die mglichst kleinste Querschnittsflche zu schneiden, um Anhaftungsvorgnge einzuschrnken. 3.3 Zusammenfassung der Problemstellung Die hauptschlichen Strgren beim Schneiden von Zuckerwaren wie Hart- und Weichkaramellen sowie Kaugummis sind das Splittern der Massen und das Anhaften der Massen an den Verarbeitungswerkzeugen. Beide Vorgnge scheinen in gewisser Hinsicht gegenlufig aufzutreten. Eine Verringerung der Temperatur erhht die Splitterneigung, whrend eine Erhhung der Temperatur Anhaftungen begnstigt. bergeordnet werden die stofflichen Eigenschaften der Produkte ber Ihre Zusammensetzung bestimmt, welche produkt- und zielgruppenabhngig nur bedingt auf den Schneidvorgang ausrichtbar ist. Eine besondere Rolle kommt dem Wassergehalt zu, welcher ber die Rezeptur, Herstellungstechnologie und klimatische Bedingungen (relative Feuchte, Temperatur) beeinflusst wird und eine direkte Wirkung auf die morphologischen Eigenschaften der Massen hat. Diese wiederum beeinflussen die genannten Strgren. Des Weiteren sind Verfahrensparameter wie das Trennprinzip, die Schneid- bzw. Beanspruchungsgeschwindigkeit, die Klingeneigenschaften als auch die mechanische Vorgeschichte der Massestrnge (Strangumformung) als Einflussgren in Betracht zu ziehen. Zusammenfassend ergibt sich eine komplexe Problemstellung mit sich gegenseitig berschneidenden und bedingenden Einflussfaktoren. Abbildung 3.3 fasst die Problemstellung schematisch zusammen. Abbildung 3.3: Schematische Darstellung der Wirkzusammenhnge beim Auftreten der Strgren Splittern und Anhaftung mit aufgefhrten Folgeerscheinungen; in vertikaler Mittelachse Auftrag der Einflussfaktoren 17 4 Potentiale und Grenzen alternativer Trennprinzipe 4.1 Trennprinzipe 4.1.1 Mechanisches Schneiden Ein weiteres Beispiel im Lebensmittelbereich fr Schneiden mit hohen Taktzahlen bildet die Slicertechnologie, also das Abtrennen dnner Scheiben aus geometrisch definierten Massestrngen wie Kseleibe oder Fleisch- und Wurstwaren. Dabei werden produktabhngig mehr als 1000 Schneidtakte/min erreicht, wobei das Schneidgut unter seinem Eigengewicht und zustzlicher Krallenfhrung vorgeschoben wird. Geschnitten wird zum einen mit auf Planetenbahnen rotierenden Kreismessern ( = 400 mm) oder rotierenden Sichelklingen (r = 90 mm) zum Schneiden mit verstrkter Zgigkeit. Bei der Verarbeitung, vor allem von Kse, treten verstrkt Verschmutzungen der Klinge und der Aufbau eines Produktfilms auf. Man begegnet diesem Problem durch Verwendung von Antihaftbeschichtungen (PTFE), deren geringe Bestndigkeit zum Austausch bzw. Nachbeschichten der Klinge zwingt. Optimal wre eine Klingenbeschichtung mit antiadhsiven Eigenschaften sowie hoher Verschleibestndigkeit. Derzeit forscht das Institut fr Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik an kohlenstoffbasierten diamanthnlichen Beschichtungen, welche beide Eigenschaften vereinen sollen. Eine weitere Mglichkeit zur Einstellung antiadhsiver Eigenschaften knnte die Schaffung nanostrukturierter Oberflchen bieten (surface patterning), wobei eine Verringerung der effektiven Kontaktoberflche hnlich wie beim Lotuseffekt zur Abnahme von Reibungs- und Anhaftungskrften fhren kann (Zhang et al., 2012). Dabei sind keine Aussagen ber die mechanische Stabilitt der Strukturen sowie die Eigenschaften dieser Oberflchen bei hohen Relativgeschwindigkeiten mglich. Eine weitere Strategie zur Vermeidung von Anhaftungen bei der Slicertechnologie ist die Verringerung der Kontaktflche zwischen Produkt und Klinge durch eine entsprechende konstruktive Ausfhrung der Messerflanke, zum einen durch Versenkung einzelner Bereiche (Kullen) oder der gesamten Schneidenflanke durch Freistellen der Klinge zur Trennebene. Generell sind konstruktive Vernderungen an den eingesetzten Schneidklingen bei der Trennung von Swaren in Betracht zu ziehen. Nach Drut (1992) verringert eine schlanke Klingenausfhrung Schneidverformung und Splitterneigung. Dies knnte evtl. durch entsprechende Teilhrtung der Klingen oder Zgigkeit und damit geringere Belastungen der Klinge beim Schneiden gewhrleistet werden. nderungen der Zgigkeit durch Variation der Klingengeometrie oder Schnittfhrung knnten sich gnstig auf das Trennergebnis auswirken. Gezahnte Ausfhrungen der Schneidkante knnen zur Verhinderung ungerichteter Bruchbildung beitragen. Eine zustzliche Mglichkeit der mechanischen Trennung bietet das Drahtschneiden. Ein Vorteil fr die Trennung von Zuckerwaren wre die stark verringerte Kontaktflche zwischen Trennorgan und Schneidgut, was Anhaftungen bzw. Verschmutzungen verringern knnte. Es knnen jedoch keine Aussagen zur Schneidgeschwindigkeit getroffen werden. Probleme werden in der Belastungsgrenze bis zum Riss der Drhte gesehen, welche bei zu hoher Festigkeit und Zhigkeit der zu verarbeitenden Massen erreicht werden knnte. 18 4.1.2 Erodierendes Trennen Erodierende Trennverfahren der Metallverarbeitung beinhalten unter anderem das Laserstrahl- und das Wasserstrahlschneiden. Die Trennung der Massestrnge bei der Zuckerwarenverarbeitung mittels dieser Verfahren erscheint deshalb vielversprechend, da kein Trennwerkzeug im eigentlichen Sinne vorhanden ist und somit Anhaftungsphnomene ausgeschlossen werden. ber die erzeugten Spannungsverhltnisse im Schneidgut mittels dieser Trenntechniken ist keine qualifizierte Aussage zu treffen. Laserstrahlschneiden Ein Lasereinsatz bei der Lebensmittelverarbeitung ist prinzipiell denkbar, derzeit aber nicht blich und erfolgt lediglich bei der Lasergravur bzw. -beschriftung (z.B. http://www.allteclaser.com oder http://www.ldo24.de/). Es bestehen also keine Erfahrungen beim Schneiden von Lebensmitteln und mgliche physikalische und chemische Vernderungen an der Trennzone in Folge des hohen Energieeintrags. Denkbar ist eine lokale Amorphisierung der Zuckerbestandteile an der Trennschicht, welche zur Erhhung der Hygroskopizitt in diesem Bereich fhren wrde, oder farbliche Vernderungen an der Schnittkante und somit Beeintrchtigungen der optischen Qualitt. Eine typische Laserstrahlschneidanlage mit 2 Schneidkpfen durchtrennt 5 mm starkes Blech mit einer Geschwindigkeit von 0,3 m/s. Abhngig von der Leistung des Lasers und den Produkteigenschaften sind mit einer praxisblichen Laserschneidanlage im Simultanmodus (2 Schneidkpfe arbeiten zusammen) Vorschubgeschwindigkeiten von 3 m/s und mehr mglich (Schilb, 2012). Welche Vorschubgeschwindigkeiten zum Durchtrennen von Zuckerwaren mglich wren, ist unklar. Negativ zu bewerten wren die erforderlichen Investitionskosten fr die Laserschneidkpfe im hheren fnfstelligen Bereich. Auerdem ist zu beachten, dass bei Anwendung eines Lasers erhhtes Gefahrenpotential fr den Maschinenfhrer besteht. Hier msste die Zugnglichkeit zur Trenneinrichtung der Maschine bei erhhten Sicherheitsbestimmungen gewhrleistet bleiben. Wasserstrahlschneiden Beim Wasserstrahlschneiden wird das Schneidgut mittels Hochdruckwasserstrahl durchtrennt. Abhngig davon, ob zustzlich ein Abrasivmittel (z.B. Korund) im Wasser eingesetzt wird, unterscheidet man zwischen Purwasserschneiden und Abrasivschneiden. Der Zusatz von Abrasivstoffen erhht die abrasive Wirkung und im Allgemeinen auch die mgliche Vorschubgeschwindigkeit (Simon, 2013). Purwasserschneiden wird im Lebensmittelbereich angewendet fr Pizza, Gemse, Fisch und Fleisch (http://www.kmt-waterjet.de/food.aspx). Wang & Shanmugam (2008) stellten ein Verfahren zum Abrasivschneiden von Fleisch mit Knochen vor, wobei Salzkristalle als Abrasivmittel verwendet wurden. Wollte man mit der Technik Swaren durchtrennen, wre es vorteilhaft ein flssiges Trennmedium zu nutzen, welches nicht als Lsungsmittel der hauptschlichen Lebensmittelinhaltsstoffe agiert. Demnach wre Wasser ungeeignet und knnte gegebenenfalls durch ein Lebensmittell ersetzt werden, welches unter den herrschenden Bedingungen (hoher Druck) chemisch stabil bleiben msste. Beim Wasserstrahlschneiden wird das flssige Trennmedium mit ca. 200 MPa verdichtet (Simon, 2013). Dabei bestnde das Risiko der Selbstentzndung bzw. Brandgefahr bei Austritt des ls aus der Dse. Gegebenenfalls wren hier geringere Drcke erforderlich, was die Trennwirkung verringern wrde. Als zustzliches Abrasivmittel in der lphase wren Zuckerkristalle denkbar. Eine hygienegerechte Herausforderung bei einem Abrasivschneiden mit lstrahl wre des Auffangen und die Aufbereitung der Trennmittel. 19 Ein Reinwasserstrahlschneider der Firma KMT GmbH schneidet mit einem Vorschub von 0,2 m/s bzw. 0,5 m/s durch 10 mm bzw. 2 mm starkes Elastomer (nicht nher spezifiziert) (Anonymus, 2013). Generell sinkt die Qualitt der Schnittflchen bei einer Erhhung der Trenngeschwindigkeit (Simon, 2013). Auch bei dieser Methode ist unklar, welche Schneidgeschwindigkeiten beim Durchtrennen von schneidgutrelevanten Zuckerwaren mglich wren. 4.1.3 Impulsartige Trennverfahren Bei diesen Verfahren wird impulsartig Energie in das zu trennende Stoffsystem eingetragen, welche zu einer Rissbildung und -ausbreitung fhrt. Dieser Riss soll gerichtet sein und zu einem Trennergebnis fhren, der die Kriterien der Mahaltigkeit als auch der Schnittflchenqualitt erfllt. Bruchtrennen Drut (1992) beschreibt eine Methode zur Bruchtrennung an Hart- und Weichkaramellstrngen. Dabei schlgt ein Messer mit hoher Geschwindigkeit auf den Karamellstrang und erzeugt einen durchgehenden Riss, dessen Trennebene senkrecht zur Strangachse verlaufen soll. Dafr sei eine Dimensionierung der Schlagenergie in der Form ntig, dass ein ,,vollstndiges Durchbrechen des Stranges gewhrleistet (untere Grenze) und Bruchverzweigung sowie zustzliche Verformungen der Trennstelle vermieden werden (obere Grenze)". Durch Zurcknehmen des Trennorgans (ber eine massentrgheitsabhngige Klappvorrichtung) nach einem Eindringweg von 0,5 - 3 mm wird die zugefhrte Trennenergie gesteuert und ein Splittern verringert. Als Gegenlager zum Trennorgan gengt eine gerade Auflage der entsprechenden Trenngter (Drut, 1992). Die Fhigkeit eines Stoffes sprd zu brechen wird ber seine stofflichen Eigenschaften im Zusammenspiel mit ueren Einflussfaktoren, wie Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit bestimmt. Fr Zuckerwaren msste eine fr den Beanspruchungsgeschwindigkeitsbereich geeignete Sprdheit gewhrleistet werden, welche am einfachsten ber eine Temperierung zu realisieren wre. Drut (1992) beschreibt diese ,,Bruchfhigkeit" als eine abhngige Gre von der Viskositt der zu durchtrennenden Massestrnge und nennt bei der gering gewhlten Eindringtiefe des Schlagmessers als untere Grenze Viskositten von 10 Pa*s um einen durchgehenden Bruch zu gewhrleisten. Mit zunehmender Viskositt sinke auerdem die erforderliche Trennorgangeschwindigkeit von 40 m/s fr =105 Pa*s auf 17 m/s fr =107...8 Pa*s. Als Voraussetzung nannte er eine homogene Temperatur ber den gesamten Querschnitt des Weichkaramellstranges, um eine partielle Trennung nur in den klteren, sprderen Auenschichten zu vermeiden. Generalisierende Aussagen ber das Bruchverhalten schneidgutrelevanter Schneidwaren, vor allem solchen mit relevanten kristallinen Anteilen, in Abhngigkeit der Umgebungsbedingungen, knnen ohne weitere Untersuchungen nicht getroffen werden. Ob berhaupt alle betreffenden Zuckerwaren innerhalb anwendbarer Bearbeitungstemperaturen sprd brechen knnen, ist unklar. Hierzu liegen keine standardisierten Prfmethoden vor. Genormte Verfahren zur Bewertung der Schlagzhigkeit von weichen Stoffen sind jedoch aus dem Kunststoffbereich bekannt (Anonymus, 2010). 20 Adiabatisches Trennen Ein hnliches Verfahren ist das ,,adiabatische Trennen" (oder HSIC - High-Speed-ImpactCutting), ein spanloses Trennverfahren aus der Metallverarbeitung zum Trennen von Stben, Rohren und komplexeren Querschnitten, bei welchem ein Impuls mit hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit auf das Schneidgut bertragen wird. Dieses wird durch 2 mglichst formschlssige Matrizen gefhrt, von denen eine beweglich gelagert und ber eine Schlageinrichtung beschleunigt wird (Abbildung 4.1). Bei nderung des Produktquerschnitts sind die Matrizen auszuwechseln. Als Trenngeschwindigkeiten werden Richtwerte von etwa 10 m/s genannt. Im Bereich der Trennzone kommt es dabei zu einer starken Erwrmung und Gefgeauflsung, wobei die kurze Beanspruchungsdauer eine Ableitung der Wrme verhindert (Rauschnabel et al., 2012). Laut Bewerbung der Firma Coprotec Systeme GmbH (http://www.coprotec.de) sind werkstoffabhngig bis zu 800 Takte/min realisierbar. Bei schneidgutrelevanten Zuckerwaren msste das Anhaften der Massestrnge innerhalb der Matrize verhindert werden, um Strungen im Betriebsablauf auszuschlieen. Abbildung 4.1: Wirkprinzip beim HSIC-Trennen (nach Rauschnabel et al., 2012) Ultraschall untersttztes Schneiden Ultraschall untersttztes Schneiden wird im Wesentlichen aus zwei Grnden eingesetzt: (a) Durch eine Ultraschall-Anregung des Messers kommt es zu einer hochfrequenten Wechselbewegung der Schneidkante (Abbildung 4.2). Insbesondere dann, wenn die Schwingbewegung in der Vorschubebene verluft, erfhrt das zu trennende Material Beanspruchungsimpulse. Die Geschwindigkeit der Energieeinleitung unterbindet dissipative Effekte wie Spannungsrelaxation und Flieen, so dass wegen Energiekonzentration in der Trennzone die Bruchspannung rasch und ohne nennenswerte Deformationen der Umgebungszonen erreicht wird. Dadurch sinken insgesamt die wirksamen Schnittkrfte und die Trennflchenqualitt (Mahaltigkeit, Gltte) kann gesteigert werden. (b) Neben der Wechselbewegung an der Schneidkante stellen sich an allen Ultraschall angeregten Messern Oberflchenwellen ein, die zu Wechselbewegungen im Flankenbereich des Messers fhren (Abbildung 4.2). Diese wirken sich bei Kontakt mit dem Verarbeitungsgut auf die Kontaktmechanik und damit direkt auf die Reibwechselwirkung und Adhsion aus. Je nach Anregungsart und Verarbeitungsguteigenschaften kann die Reibungskraft zum Teil deutlich reduziert und ein Anhaften von Verarbeitungsgut unterbunden werden. Insbesondere der Anhaftungsaspekt muss dann eingeschrnkt werden, wenn das Verarbeitungsgut durch Absorption von Ultraschallenergie thermische Vernderungen durchluft, so dass es prinzipiell zu einer erhhten Anhaftungsneigung kommt. 21 Abbildung 4.2: Wechselwirkungen zwischen Verarbeitungsgut und Ultraschall angeregtem Schneidwerkzeug (Doppelpfeile: Hauptschwingrichtung, einfacher Pfeil: Vorschubrichtung) Kommerziell verfgbar sind verschiedene Ultraschallschneid-Anordnungen. Dominierend sind nach wie vor sogenannte Longitudinalschwinger, bei denen der mechanische Resonator - die Sonotrode - direkt als Schneidwerkzeug dient. Aufgrund ihres Aufbaus eignen sie sich fast ausschlielich fr den intermittierenden Druckschnitt. Auerdem existieren verschieden Lsungen, bei denen gerade oder gebogene Klingen und Kreismesser an den Wellenbauchpunkt einer Sonotrode angekoppelt werden. Ruhende Anordnungen mit Vorbeifhrung des Verarbeitungsgutes oder intermittierende Bewegungen dominieren. Antriebe zur berlagerung von Ultraschallbewegung und Messerrotation sind wegen der peripheren Komponenten der Schwingeinheit schwierig, werden aber von einzelnen Ausrstern angeboten. Anpassungsmglichkeiten an die Verarbeitungsguteigenschaften ergeben sich ber die Verfahrensparameter Schneidgeschwindigkeit, Ultraschall-Amplitude und UltraschallFrequenz. Insbesondere die Schneidgeschwindigkeit stellt bisher einen begrenzenden Faktor dar, da die unter (a) genannten Vorteile mit steigenden Schneidgeschwindigkeiten rcklufig sind und bereits bei mittleren Schneidgeschwindigkeiten vernachlssigbar werden. Daher ist diese Technologie Anwendungen mit hchsten Qualitts- aber geringen bzw. untergeordneten Durchsatzansprchen vorbehalten (Zahn et al, 2006; Schneider et al., 2001). 4.2 Strategien zur Erhhung der Schneidleistung 4.2.1 Serielles Schneiden mit erhhter Relativgeschwindigkeit Eine naheliegende Strategie zur Erhhung der Schneidleistung wre ein beschleunigtes Fahren der bestehenden Anlagen. Es gibt keine Informationen ber die praktischen Auswirkungen einer solchen Strategie sowie mgliche Leistungsgrenzen. Aus theoretischer Sicht ergeben sich unabhngig von den Stoffeigenschaften der unterschiedlichen Trenngter drei Strfelder: der Trennvorgang selbst sowie die Produktzufhrung und die Produktabfhrung vor bzw. nach dem Trennschritt. Bei einer Erhhung der Drehzahl der Antriebseinheit muss auerdem beachtet werden, dass die gewhlte Frequenz nicht die Eigenfrequenz der gesamten Maschine verstrken darf, was schlimmstenfalls zu Schden und Zerstrungen an Schneidwerkzeug und Maschine fhren kann. Whrend der Trennung knnten einerseits verstrkte Anhaftungsphnomene auftreten, und zwar als Folge einer erhhten Reibung durch grere Relativgeschwindigkeiten der zueinander gescherten Ebenen. Infolge der erhhten Beanspruchung, welche auf die Messerklinge wirkten, wrde sich der Verschlei an der Schneidenwate sowie an den Schneidenflanken erhhen, was eine geringere Laufzeit der Klingen bzw. krzere Wirkdauer von Antihaftbe- 22 schichtungen zur Folge haben knnte. Aufgrund der beanspruchungsgeschwindigkeitsabhngigen Brucheigenschaften von Stoffen ist die Zunahme von Splitterphnomenen wahrscheinlich. Die Auswirkungen der seriellen Erhhung der Schneidtakte auf die Produktabnahme und die nachfolgende Verpackung wird hauptschlich als maschinenbautechnisches Problem erachtet. Generell ist davon auszugehen, dass konstruktive Anpassungen vonnten sind. In der Praxis gibt es Bestrebungen dem Trennschritt mehrere Verpackungslinien nachzustellen (z.B. LoeschPack). Bei einer solchen Lsung muss darauf geachtet werden die Zugnglichbzw. Bedienbarkeit der Maschinen zu gewhrleisten unter der Magabe mglichst gleichbleibender Maschinenabmessungen. Wie in Abschnitt 2.2 erlutert, erforderte eine Erhhung der Stranggeschwindigkeit eine grere Strangumformgeschwindigkeit, was aufgrund grerer mechanischer Belastungen im Strang die Wahrscheinlichkeit von Strungen erhhen wrde. Vor allem bei der intermittierenden Strangzufhrung der Maschinenreihen U und EW (Guillotinenschnittprinzip) wre eine erhhte Strangstauchung beim Abbremsen der Masse die Folge. Die Rckstauchung knnte verringert werden durch die Erzeugung krzerer Strangabschnitte. Dies wrde eine komplexere Prozesssteuerung zur Folge haben (Vereinzelung und Ausrichtung der Strangabschnitte). Um ein Strangstauchen zu verhindern und damit eine Strgre auszuschlieen, wre die Wahl eines Schneidprinzips mit kontinuierlichem Strangvorschub (WHD/WHF, FPW2) von Vorteil. Ein Ansatz zur Erhhung der Schneidtaktzahl ohne Erhhung der Strangumformgeschwindigkeit wre eine nderung der Schnittfhrung in den Massestrngen fr quaderfrmige Produkte. Bisher werden diese so durchtrennt, dass die Trennflche mglichst klein gehalten wird, um Anhaftungen am Schneidwerkzeug zu minimieren. Wrde man die Zuckerwaren breiter bzw. hher ausformen und dann in krzere Abschnitte trennen, bruchte man eine erhhte Schneidtaktzahl bei gleichem Strangvorschub bzw. gleicher Strangumformgeschwindigkeit. Probleme knnten sich aufgrund der greren Kontaktflche zur Klinge mit den erluterten Phnomenen ergeben. 4.2.2 Parallelisiertes Schneiden Im Bereich des Hochgeschwindigkeitsschneidens sind prinzipiell vier- oder mehrbahnige Verpackungsmaschinen im Einsatz, z.B. bei der Slicertechnologie, bisher jedoch nicht bei der Verpackung von Swaren. Anstze zur Parallelisierung des Schneidprozesses existieren bei der Firma Theegarten-Pactec fr die Anlage U1-D-CW mit doppelter Guillotinenschnittausfhrung und doppelter anschlieender Verpackungslinie. Das Prinzip wre theoretisch auf eine beliebig Anzahl an simultanen Trennvorgngen zu steigern. Bei gleicher mittlerer Stranggeschwindigkeit erhhte sich dabei die Anzahl der geschnittenen Produkte bei gleichzeitig hheren mechanischen Belastungen im Strang. Diese erhhen sich aufgrund der greren Beschleunigungen, welche bentigt werden, um grere Strangabschnitte intermittierend voranzuschieben. Denkbar wre auch hier die Erzeugung krzerer Strangabschnitte, welche in Folge vereinzelt und gegebenenfalls unterschiedlichen Schneideinheiten parallel zugefhrt wrde (sowohl mit kontinuierlicher als auch intermittierender Strangzufhrung). Die simultane in Reihe geschaltete Schnittausfhrung (mehrere Klingen) oder das gleichzeitige Durchtrennen parallel angeordneter Strnge mit einer Klinge bei kontinuierlichem Strangvorschub (WHD/WHF, FPW2) wren weitere Mglichkeiten die Produkttrennung zu parallelisieren. 23 Eine groe Herausforderung dieser Trennvarianten wre die Entwicklung einer geeigneten Produktabfhrung und paralleler Verpackungsstrecken mit komplizierter und aufwendiger Steuer- und Regelungstechnik. Vor allem die Anpassung an die produktgeometrischen Vorgaben mit entsprechender Feinjustierung muss relativ einfach vor Ort von Technikern ausfhrbar sein. Weiterhin msste die Zugnglichkeit fr Bedien- und Wartungspersonal gewhrleistet bleiben. Begrenzter Bauraum in der industriellen Produktion fr Schneid- und Verpackungsanlagen schrnken die Mglichkeiten weiter ein. 4.2.3 Sequenzierung des Trennvorganges Die Aufteilung des Trennvorgangs in Teilschritte ist aus der Rolling&Scoring-Technologie bekannt (siehe Abschnitt 1.2). Diese beschreibt im Wesentlichen das Vorkerben und nachtrgliche Abtrennen von Einzelsegmenten aus einem Produktstrang bzw.- Produktstrangsegment. Das Prinzip wird hauptschlich bei Kaugummis mit flachen Formen angewendet. Fr hohe Produktabmessungen knnten Beschrnkungen bei der Ansteuerung des Brecherkopfes bestehen, so dass alternative impulsartige Trennprinzipe angewendet werden mssten (siehe Abschnitt 4.1.3). Um Anhaftungen beim Vorrillen der Strangabschnitte zu verringern, wre eine Ultraschallanregung der Rillwalze denkbar. Laut Drut (1992) ist die Aufteilung des Schneidvorganges in mehrere Arbeitstakte fr Hochleistungsmaschinen technisch aufwendig und unflexibel bei der Anpassung an unterschiedliche Produktabmessungen. 5 Rahmenkonzept fr Forschungsprojekt 5.1 Projektziel Fernziel des Unternehmens ist es, eine Maschine zu entwickeln, die die Arbeitsschritte Strangausformung, Strangteilung und Verpackung von hochviskosem Gut mit einem gegenber den existierenden Lsungen deutlich erhhten Durchsatz von 3000 Trennzyklen/min realisiert. Das Erreichen dieser Produktivitt ist fr eine neue Generation von Swarenverpackungsmaschinen von grundlegender Bedeutung. Dies hat Konsequenzen fr alle der genannten Teilschritte. Im angestrebten Projekt soll der Teilschritt des Strangteilens losgelst von den vor- und nachgelagerten Vorgngen grundlegend analysiert und dabei physikalische Grenzen bei der Erhhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit ausgelotet werden (Abbildung 5.1). Basierend auf den Erkenntnissen erfolgt die Neukonzeption einer Baugruppe zum schnellen Trennen. Abbildung 5.1: Fokus des Projektes auf den Verfahrensschritt Strangteilen mit Schnittstellen zu vorund nachgelagerten Verarbeitungsschritten und System- bzw. bergabegrenzen 24 5.2 Vorgehensweise/Strategischer Ansatz Im Ergebnis der Vorstudie werden folgende Fragestellungen fr das geplante Forschungsvorhaben abgeleitet: 1. Welche Trenn-/Bruchmechanismen und Strphnomene treten beim Zerteilen hochviskoser Verarbeitungsgter mit hohen Geschwindigkeiten auf? 2. Welche Reaktionskrfte treten auf? 3. Welchen Einfluss haben stoffliche und physikalische Materialparameter auf das Zer- teilverhalten? 4. Wie hoch ist der Einfluss der Umgebungsbedingungen (Luftfeuchte, Temperatur, Produkttemperatur) auf das Zerteilverhalten? Treten Zustandsnderungen des Produktes whrend des Zerteilens auf? 5. Welchen Einfluss haben die Parameter der Zerteilvorrichtung (Werkzeuggeometrie, fhrung, -oberflcheneigenschaften) auf das Zerteilverhalten/-ergebnis? 6. Wo sind die physikalischen Grenzen fr einen definierten Zerteilvorgang und hinsichtlich Ausbringung pro Zeiteinheit? Zum Hochgeschwindigkeits-Schneiden von hochviskosem Material (hier Kaugummi- oder Weichkaramellmassen) existiert derzeit kein systematisches Wissen. Da bestehende Maschinen einerseits in diesem hohen Geschwindigkeitsbereich nicht sicher betrieben werden knnen und andererseits aufgrund der konkreten Bauweise auch kaum Aufschluss ber die whrend des Trennvorganges tatschlich auftretenden Effekte geben knnen, ist die Entwicklung und Realisierung einer neuartigen Prfmaschine notwendig, die die phnomenologische und energetische Analyse von Einzelschnittvorgngen ermglicht. Um auch unter praxisnahen Bedingungen, also innerhalb des Produktionsprozesses Untersuchungen vornehmen zu knnen, muss die Prfmaschine transportabel sein. Da Produktwechsel sich direkt auf das Betriebsverhalten auswirken, werden parallel relevante Produktparameter analysiert und mit experimentell bestimmten Effekten in Zusammenhang gebracht. Fr das Unternehmen Theegarten-Pactec ermglichen diese Erkenntnisse die wissensbasierte Anpassung der Baugruppe bzw. der Betriebsbedingungen bei unterschiedlichsten Verarbeitungsgtern. Zur Umsetzung dieses Ansatzes bringt die Professur Verarbeitungsmaschinen und Verarbeitungstechnik Kompetenzen zur konzeptionellen und konstruktiven Auslegung der Prfmaschine und peripherer Messeinrichtungen ein. Mit Projektfortschritt werden vom Projektpartner notwendige Anpassungen der Prfmaschine realisiert. Die Kernkompetenzen der Professur Lebensmitteltechnik liegen in der physikalischen und chemischen Charakterisierung der Verarbeitungsgter im Verlauf von Verarbeitung, Lagerung und Konsum von Lebensmitteln und assoziierten Naturstoffen sowie in der Analyse des Wechselspiels zwischen Verarbeitungseinheit und Verarbeitungsgut. In verschiedenen Projekten wurden Erfahrungen zur kleintechnischen Herstellung gekochter Swarenmassen (Gelee- und Schaumzuckermassen) gesammelt. Auf dem Gebiet des Zerteilens von Lebensmitteln liegen umfangreiche Erfahrungen zum mechanischen Schneiden mit niedrigen Geschwindigkeiten sowie zum Ultraschall untersttzten Schneiden vor. Diese methodischen Erfahrungen werden ins Projekt eingebracht, um produktbezogene Ursache-WirkungsZusammenhnge im Hochgeschwindigkeitsbereich aufzuklren. 25 5.3 Beitrge der Projektpartner 5.3.1 Verarbeitungstechnik Entsprechend dem strategischen Ansatz umfasst das Teilprojekt fr die Professur Verarbeitungsmaschinen/Verarbeitungstechnik folgende Abschnitte: VAT-1 Konzeption/Entwicklung (mobile) Prfmaschine "Einzelschnitt" - Erarbeitung Anforderungsliste - Festlegung ntiger Funktionen - Suche nach Teilprinzipen, Bewertung und Zusammenstellung des Gesamtkonzepts / Lastenheft fr Konstruktion - Grobgestaltung, Antriebsauslegung - Suche und Auswahl der Videotechnik sowie Messtechnik - Maschinensicherheit (CE), ggf. Abstimmung mit Zertifizierungsstelle ntig - Steuerungskonzept, Softwareentwurf - Konstruktion, Erstellung der Fertigungsunterlagen VAT-2 Inbetriebnahme Prfmaschine - Installation der Antriebs- und Steuerungstechnik - Installation Videotechnik - Programmierung der Steuerung und Inbetriebnahme - berprfung der Funktionen VAT-3 Versuchsbegleitung - Durchfhrung erster Laborversuche gemeinsam mit Professur Lebensmitteltechnik so- wie Theegarten Pactec - Auswertung der Videos und Weiterentwicklung des Versuchsplanes VAT-4 Versuchsbegleitende Simulation - Systemmodellierung und Identifikation relevanter Parameter 5.3.2 Lebensmitteltechnik Die materialbezogenen Fragestellungen werden von der Professur Lebensmitteltechnik in folgenden Schwerpunkten behandelt: LT-1 Auswahl Modellmassen Im Sinne eines flexiblen Einsatzes der zu entwickelnden Schneideinheit sind reprsentative Vertreter aus dem Produktsegment gekochter (Weichkaramellen u..) und gekneteter (Kaugummi u..), hochviskoser Swarenmassen auszuwhlen, so dass die Eckpunkte des Produktbereiches abgebildet werden knnen. LT-2 Erfassung extrinsischer Parameter An einer oder mehreren Musteranlagen erfolgt eine Langzeiterfassung der Umgebungsparameter (Temperatur, Luftfeuchte), um jahreszeitliche/klimatische und produktionsbedingte Schwankungen zu erfassen. Die gewonnenen Daten liefern Eckpunkte fr die in den Arbeitspunkten LT-3, LT-4 und LT-5 einzustellenden extrinsischen Parameter. 26 LT-3 Thermophysikalische Charakterisierung der Modellmassen Die Modellmassen werden hinsichtlich ihrer intrinsischen Parameter analysiert. Dazu werden folgende Untersuchungsanstze vorgeschlagen: - Rheologische Charakterisierung: Die rheologischen Eigenschaften stehen in direktem Zusammenhang mit dem Trennverhalten. Daher wird in Abhngigkeit von Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit das Deformations- und Bruchverhalten untersucht. Insbesondere zeitabhngige Effekte (Kriechen/Retardation, Relaxation, Viskoelastizitt) sind mittels Festigkeitsprfgert und Dynamisch-mechanischer Analyse zu ermitteln. Damit knnen Daten fr Materialmodelle bereitgestellt und so Grundlagen fr die numerische Simulation des Zerteilvorganges geschaffen werden. Die mechanische Vorgeschichte (Spannungszustand nach Strangumformung) ist nach Mglichkeit qualitativ zu bercksichtigen. Ergnzend ist die Entwicklung von Methoden zur Beschreibung der Materialklebrigkeit denkbar. - Thermische Analyse: Fr die relevanten Verarbeitungsgter besteht eine ausgeprgte Abhngigkeit zwischen mechanischen Eigenschaften und den Umgebungsparametern Temperatur und Luftfeuchte. Sowohl Temperaturschwankungen von wenigen Kelvin als auch Schwankungen der relativen Luftfeuchte knnen Phasenbergnge 2. Ordnung initiieren, die in der Verarbeitungseinheit zu den Strphnomenen Splittern und Kleben fhren. Daher werden die Modellmassen mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) auf thermische bergnge (amorph viskos) untersucht. Die entsprechenden bergangsbereiche sind wiederum stark an die rezeptur- und klimabedingte Gleichgewichtsfeuchte des Verarbeitungsgutes gekoppelt. Daher wird auerdem das Feuchtesorptionsverhalten mittels Dynamischer Wasserdampfsorption (DVS) untersucht. LT-4 Phnomenologische Analyse des Schneidvorganges An einem von den Projektpartnern bereitgestellten Versuchsstand werden die Modellmassen im relevanten Geschwindigkeitsbereich auf ihr Trennverhalten untersucht. Bei der Entwicklung des Versuchsstandes sind notwendige Ausstattungen zur Modifizierung der Trennorgane, zur Konditionierung und zur optischen Analyse (High-Speed-Kamera) vorzusehen (Bezug zu VAT-1). Ziel dieses Schwerpunktes ist die qualitative Zuordnung von Trennphnomenen und intrinsischen und extrinsischen Parametern in der Verarbeitungszone sowie die Ableitung favorisierter Trennanordnungen (Bezug zu VAT-3) LT-5 Energetische Analyse des Schneidvorganges Das Ansprechen unterschiedlicher Versagensmechanismen uert sich in der zur Trennung eines Verarbeitungsgutes aufzuwendenden Energie. Durch entsprechende Ausstattung der Schneidvorrichtung mit Kraft-Verformungs-Sensortechnik knnen Schneidvorgnge systematisch bilanziert werden (Bezug zu VAT-1). - Variation des Verarbeitungsgutes - Variation der Umgebungsbedingungen - Variation der Schneidgeschwindigkeit 5.3.3 Theegarten-Pactec - Evaluierung und Definition der Zielgren (3000 Schnitte/min, finale Produktabmessun- gen Breite, Schnittflchenanforderungen, Toleranzen festlegen) - Kontaktvermittlung und Installation von Messtechnik zur Erfassung von Umgebungspa- rametern im Produktionsumfeld 27 - Beschaffung Verarbeitungsmassen Industriepartner (alternativ eigene Methode zur reproduzierbaren Herstellung) - Material- und Komponenteneinkauf fr Ausbaustufen der Prfmaschine - Fertigung und Montage der Prfmaschine 6 Evaluierung von Frdermglichkeiten Neben einer direkt durch das Unternehmen finanzierten Zusammenarbeit sind vom Gesetzgeber verschiedene Frdermglichkeiten zur Strkung der Innovationskraft der Wirtschaft vorgesehen. Dazu gibt Tabelle 6.1 einen kurzen berblick. Zu unterscheiden sind dabei Frderungen fr vorwettbewerbliche Forschungsprojekte (AIF IGF), deren Ergebnisse im Verlaufe der Arbeiten direkt mehreren, das laufende Projekt aktiv untersttzenden Unternehmen zugute kommen, von Forschungsprojekten, die direkt auf die Erzielung von Wettbewerbsvorteilen fr ein Unternehmen ausgerichtet sind (AIF ZIM, SAB). Tragen die zu erzielenden Forschungsergebnisse berwiegend Grundlagencharakter und bilden einen ersten Meilenstein zur Entwicklung eines neuen Produktes, so bietet sich der Zusammenschluss mit anderen Unternehmen, die keine direkten Wettbewerber sind, in einem Projektausschuss an. Unternehmen mit hnlichen Interessenlagen aber unterschiedlicher Branchenausrichtung sind der Forschungseinrichtung bekannt. Nachteilig ist bei dieser Projektvariante eine lange Vorlaufzeit fr Antragsbegutachtung und -bewilligung von 1,5 - 2 Jahren, so dass erste Ergebnisse frhestens nach 3 - 4 Jahren vorliegen. Eine zgigere Abwicklung ist gegeben, wenn eine Kooperation im Rahmen des AIF ZIMProgrammes favorisiert wird. Dieses Programm richtet sich blicherweise an KMU mit bis zu 250 Mitarbeitern, ist derzeit aber befristet fr Unternehmen bis 500 Mitarbeiter geffnet (Antragstellung bis Ende 2013 notwendig). Weitere Ausschlusskriterien sind Bilanzsumme und Umsatz und mssen vom Unternehmen geprft werden. Die Bewilligungsphase dauert in der Regel 3 - 4 Monate. Die Hinzuziehung eines professionellen Beraters fr die Antragstellung kann die Ablufe effizient gestalten. Somit wre ein Projektstart im IV. Quartal 2013 mglich. Zu den von der SAB aufgelegten Frderprogrammen liegen an der Professur Lebensmitteltechnik keine Erfahrungen (k.E.) vor. 28 Tabelle 6.1: bersicht Frderprogramme fr die Wirtschaft Programm Beschreibung Beschrnkungen AIF IGF Frderung der industriellen Beantragung ber Mit- Gemeinschaftsforschung glieds- Forschungsvereini- vorwettbewerbliche FuE- gungen der AiF Projekte fr Unternehmen Anteilfinanzierung durch einer Branche oder eines Unternehmen (Personal- Technologiefeldes /Sach-/Dienstleistungen) AIF ZIM KF Kooperation von KMU und Projektvolumen zuw.-fhige Forschungseinrichtungen Kosten Unternehmen max. 350 T Zuwendung FE max. 175 T SAB Frderung der beruflichen 50 % der Personalkosten Weiterbildung und einzelbe- bernimmt Unternehmen triebliche Frderung SAB Innovati- Beschftigung qualifizierten Zukunftstechnologien onsassisten- Personals im Unternehmen tenprogramm SAB FuE- Kooperation aus Unterneh- Zukunftstechnologien Verbundpro- men und Forschungsgrup- jektfrderung pen aus Universitten bzw. Fachhochschulen. Entwick- lung neuer oder neuartiger Produkte und Verfahren Laufzeit 2-3 Jahre 2-3 Jahre 2-3 Jahre frderfhige Kosten Personal (Frdersatz Forsch.-einrichtung 100 %) Auftrge an Dritte Sachkosten Personal (Frdersatz Unternehmen 25/35%; Forsch.einrichtung 100 %) Auftrge an Dritte keine Sachkosten 50% Personal Personal Personal Projekttrger AiF Projekt GmbH, Tschaikowskistr. 49 13156 Berlin Tel.: + 49 30 48163-451 Vorlaufzeit 1,5 Jahre Zuwendungsgeber: BMWi 4-6 Monate Cofinanzierung Europ- ischer Sozialfonds (ESF) Pirnaische Strae 9 01069 Dresden k.E. Tel.: 0351 4910-4910 Cofinanzierung Europ- k.E. ischer Fonds fr Regionale Entwicklung (EFRE) s.o. Quellenbersicht Ahmed, J., Ramaswamy, H.S., Pandey, P.K (2005) Dynamic rheological and thermal characteristics of caramels. LWT - Food Science and Technology 39, 216-224 Anonymus (1999) Die Welt der Zuckerwaren. Bund Deutscher Swarenindustrie BDSI e.V. 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