The cutting of foods is characterized by deformation, fracture and friction processes, and the viscoelastic properties of the cutting materials determine their rate-dependent cutting behavior. This is responsible for uncontrolled fracture and deformation events with increasing cutting velocity. There is a significant information deficit regarding the assignment of material properties and cutting parameters, as well as regarding a process description for industrial high-speed cutting.
The aim of the work is the analysis of the velocity-dependent cutting behavior of foods up to the high-speed range. The focus is on the deformation and fracture phenomena, analysed by methods of classical material analysis but also associated cutting experiments performed in the range from low to high cutting velocities. For high-speed analyses, a test station enabling cutting velocities of up to 10 m/s was designed. To identify relevant material and cutting parameters and to establish a systematic experimental program, elastomer-based model systems with controllable viscoelastic profiles were developed. The results of the respective investigations were further verified for foods. The velocity-dependent deformation behavior during cutting could be described by dynamic-mechanical material analyses in the frequency range. Cutting force slopes at the beginning of the cutting process correlated with the complex moduli and were furthermore dependent on the cutting velocity; this dependency corresponded to the frequency behavior from material analysis. The fracture properties could be attributed to ductile (polymeric systems) or brittle behavior (cellular plant systems). Confectionary products had a strong temperature- and time-dependent behavior with ductile-brittle transition within the experimental conditions.
The results obtained demonstrate that there is a significant relationship between viscoelasticity and velocity-dependent cutting behavior. They allow a phenomenological process description of high-speed cutting and can be used as a basis for the balancing of cutting forces and as input parameters for numerical analyses of the cutting process. / Das Schneiden von Lebensmitteln ist geprägt durch Deformations-, Bruch- und Reibvorgänge. Dabei bestimmen die viskoelastischen Eigenschaften der Schneidgüter deren geschwindigkeitsabhängiges Schneidverhalten. Dies führt mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit zu unkontrollierten Bruch- und Deformationsereignissen. Dabei besteht ein Informationsdefizit bei der konkreten Zuweisung von Materialeigenschaften und Schneidparametern sowie einer Verfahrensbeschreibung für das industrielle Hochgeschwindigkeitsschneiden.
Ziel der Arbeit ist die Analyse des geschwindigkeitsabhängigen Schneidverhaltens von Lebensmitteln bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich. Der Fokus richtet sich auf die Untersuchung der Teilphänomene Deformation und Bruch durch Methoden der klassischen Materialanalyse sowie zugeordnete Schneidexperimente im Bereich von niedrigen bis hohen Schneidgeschwindigkeiten. Für entsprechende Hochgeschwindigkeitsanalysen wurde ein Versuchsstand mit Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s konzipiert. Zur Identifikation relevanter Material- und Schneidparameter und zur Aufstellung des systematischen Versuchsprogramms wurden Modellsysteme auf Elastomerbasis mit steuerbarem viskoelastischen Profil entwickelt. Die Ergebnisse wurden für Lebensmittel verifiziert. Das geschwindigkeitsabhängige Deformationsverhalten beim Schneiden konnte durch dynamisch-mechanische Materialanalysen im Frequenzbereich beschrieben werden. Dabei korrelierten Kraftanstiege zu Beginn des Schneidvorganges mit den Komplexmoduln. Die Anstiege zeigten eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit; diese entsprach dem Frequenzverhalten aus der Materialanalyse. Die Brucheigenschaften konnten produktspezifisch duktilem (polymere Systeme) oder sprödem Verhalten (zelluläre, pflanzliche Systeme) zugeordnet werden. Zuckerwaren zeigten ein stark temperatur - und zeitabhängiges Verhalten mit duktil-sprödem Übergang innerhalb der Versuchsbedingungen.
Die gewonnenen Erkenntnisse demonstrieren den Zusammenhang von Viskoelastizität und geschwindigkeitsabhängigem Schneidverhalten. Sie erlauben eine phänomen ologische Verfahrensbeschreibung des Hochgeschwindigkeitsschneidens und können als Basis für die Bilanzierung von Schneidkräften und als Eingangsparameter für numerische Analysen des Schneidvorganges dienen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30989 |
| Date | 14 September 2018 |
| Creators | Schuldt, Stefan |
| Contributors | Rohm, Harald, Majschak, Jens-Peter, TU Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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