Verfahrens- und Systemtechnik Holzwerkstoffe

Forschungsprojekt

Größenvermessung von Holzpartikeln – aber wie?

Sollen aus Holzpartikeln (Fasern, Späne, Strands) Plattenwerkstoffe hergestellt werden, so muss man ihre Größe kennen und die Häufigkeitsverteilung von Größenparametern wie Länge und Breite darstellen und charakterisieren. In der Produktion sind solche Kennwerte aber schwer zugänglich und werden, wenn überhaupt, meist nur durch zeitaufwändige Siebanalysen bestimmt. Mit auf das jeweilige Material zugeschnittenen Bildverarbeitungsverfahren sind aber heute bereits automatisierbare Labor- und on-line-Messungen möglich.

Die optische Messtechnik und die prozessnahe Bildverarbeitung bieten viele Möglichkeiten, Partikelgrößenverteilungen zu erfassen. In der Holztechnologie sind allerdings die Fragestellungen sehr verschieden: Je nach

  • Material (Fasern, Späne, Strands, vereinzelt oder als Vlies oder an der Plattenoberfläche),
  • Fragestellung (Anteil verschiedener Größenfraktionen, Formfaktoren),
  • Antwortzeit (Labormessung, Messung im Teilstrom, On-line-Überwachung),
  • Informationstiefe (Siebkurve, Häufigkeitsverteilung, statistische Kenngrößen wie z.B. Modalwerte und Quantile,  Abweichung von einer Soll-Verteilung).

muss bei der Materialvorbereitung, Bildaufnahme- und Auswertetechnik die richtige Strategie gewählt werden. Im WKI werden Größenverteilungen an vereinzelten Holzfasern und -spänen mit dem System FibreShape gemessen. Um Spangrößenverteilungen an der Plattenoberfläche oder im Vlies zu bestimmen, wurden spezielle Bildverarbeitungsverfahren entwickelt.

Beispiele und Ergebnisse

© Foto Fraunhofer WKI

Buchenspäne (links) und Fichtenspäne (rechts) zur Spanplattenherstellung aus der gleichen Siebfraktion 1,25 mm - 3,15 mm.

© Foto Fraunhofer WKI
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Unterscheidung holzartenspezifischer Spanformen

Bei der Herstellung von Spänen aus verschiedenen Holzarten ergeben sich aufgrund der Holzanatomie verschiedene Spanformen, die zwar noch mit dem Auge, aber nicht mehr durch die Siebanalyse unterscheidbar sind.

Die obere Abb. zeigt Buchenspäne (links) und Fichtenspäne (rechts) zur Spanplattenherstellung  aus der gleichen Siebfraktion 1,25 mm - 3,15 mm.

Eine Vermessung der vereinzelten Späne mit dem FibreShape-Gerät ergab, dass die Längenverteilung der Buchenspäne breiter ist als die der Fichtenspäne und dass sich bei den Buchenspänen ein deutlicher Anteil von Spänen länger als 1,5 mm findet.

© Foto Fraunhofer WKI

Buchenfasern (TMP-Aufschluss bei einem Mahlplattenabstand von 0,4 mm) und auf der rechten Seite bei 1 mm Mahlplattenabstand.

© Foto Fraunhofer WKI
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Größenmessung an MDF-Fasern

MDF-Fasern aus einem Refineraufschluss sind mit der Methode der Rüttelsiebfraktionierung kaum charakterisierbar, weil sie sich zu Knäueln agglomerieren: Die obere Abb. zeigt links Buchenfasern (TMP-Aufschluss bei einem  Mahlplattenabstand von 0,4 mm) und auf der rechten Seite bei 1 mm Mahlplattenabstand.

Die Faserlängenverteilung wird mit dem FibreShape-Gerät bestimmt, indem die auf eine transparente Folie vereinzelt aufgebrachten Fasern automatisch mit einem Flachbettscanner vermessen werden. Größere Mahlplattenabstände bei der Herstellung im Refiner ergeben erfahrungsgemäß höhere Anteile größerer Fasern und Faserbündel (Shives). Beim Mahlplattenabstand von 1 mm (Abb. unten) erkennt man daher im Diagramm der gewichteten Längenverteilung deutlich eine Fraktion mit Längen um 10 mm (104 µm). Diese Fraktion fehlt beim Mahlplattenabstand von 0,4 mm (Abb. Mitte).

 

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Deckschicht einer Spanplatte (Fichtenspäne, Industrie) Abb links: Graubild vom Scanner (ca. 21 x 21 mm²), rechts: Detektionsergebnis.

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Gewichtete Längenverteilung für Partikel > 0.5 mm²: Einzelmessung, Bildaufnahme mit FibreShape

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Gewichtete Längenverteilung für Partikel > 0.5 mm²: Messung an 28 Teilbildern der Plattenoberfläche

Spangrößenmessung an der Plattenoberfläche

Wenn die Partikelkontingente nicht erst präpariert werden können und der Aufwand für die Bildaufnahme minimiert werden soll, müssen komplexe Bildverarbeitungsverfahren eingesetzt werden. Für Szenen mit nicht vereinzelten Spänen eignet sich die erweiterte Höhenschichtanalyse (vgl. Literatur), die Grauwertbilder behandelt wie ein „Grauwertgebirge“ und Spankonturen restaurieren kann. Damit ist auch eine Größenvermessung direkt an der Plattenoberfläche mit gewissen Einschränkungen möglich.

Die Abb. zeigt oben links einen Ausschnitt der mit einem Flachbettscanner aufgenommenen Oberfläche einer Laborplatte und oben rechts das Detektionsergebnis. Eine Probe der unverpressten Deckschichtspäne wurde zusätzlich mit dem FibreShape-Gerät aufgenommen und vermessen, wobei der Feingutanteil vorher abgesiebt wurde. Die mit 1200 dpi aufgenommenen Bilder der Spänekonturen wurden dann ebenfalls in Teilbilder zerlegt und mit Standardverfahren vermessen. In beiden Auswertungen wurden Partikel mit Flächen kleiner als 0,5 mm² und mit Formfaktoren, die auf eine irreguläre Partikelform hindeuteten, nicht berücksichtigt.

Die nach den beiden unterschiedlichen Verfahren gewonnenen gewichteten Verteilungen der Spanlängen sind wiederum sehr ähnlich. Der Anteil der längeren Späne ist bei der Einzelmessung etwas höher, die Modalwerte stimmen jedoch überein. Wenn Spanplattenoberflächen beurteilt werden, spielt auch die „Feinspanigkeit“ eine Rolle, also das Aufkommen von Flugspänen oder anderer auffällig großer Späne. Dieser Anteil findet sind in beiden Verteilungen bei Spanlängen ab etwa 5 mm wieder und lässt sich z.B. anhand der Quantile bewerten.

© Foto Fraunhofer WKI
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Längenverteilung als mit der Fläche gewichtete Verteilungsdichte (blau) und Verteilungssumme (grün), gewonnen aus ca. 60 Einzelbildern: Einzelmessung mit Flachbettscanner

© Foto Fraunhofer WKI

Längenverteilung als mit der Fläche gewichtete Verteilungsdichte (blau) und Verteilungssumme (grün), gewonnen aus ca. 60 Einzelbildern: Messung am Vlies

Größenvermessung von Strands im Vlies

Die Abb. zeigt oben links eine Szene aus CSL-Strands ähnlich einem OSB-Vlies auf dem Formstrang und oben rechts das Ergebnis der Spandetektion durch erweiterte Höhenschichtanalyse. Wenn man die Strands manuell vereinzelt, mit einem Flachbettscanner aufnimmt und mit Standardverfahren ihre Konturen vermisst, ergibt sich eine Längenverteilung mit klar ausgeprägtem Modalwert entsprechend der vom Zerspaner vorgegebenen Länge. Bei der Vermessung im Vlies werden allerdings von allen teilweise verdeckten Spänen nur die sichtbaren Konturen erfasst. Daher ergibt sich eine Längenverteilung, die den Modalwert immer noch enthält, aber auch einen zusätzlichen Anteil „kleiner“, weil nur teilweise sichtbarer Späne. Diese Verteilung hängt aber bei gleichem Orientierungsgrad der Strands nur noch von der Spanlänge selbst ab und eignet sich durchaus für die kontinuierliche Überwachung der Spangeometrie.

Förderung:

Eigenforschung