Selbstschärfende Schneidwerkzeuge für abrasive Schnittgüter - eine bionische Entwicklung

»Ich hätte gerne zehn Scheiben vom luftgetrockneten Schinken, bitte!« Schneidprozesse begleiten unser tägliches Leben. Nur selten ist sich der Konsument den hohen Anforderungen bewusst, die sie erfüllen müssen: Grammgenaue Portionen Fleisch in der Kühltheke, perfekt geformte Holzhackschnitzel in der Holzfaserplatte, drei exakt geschnittene Seiten am Hochglanzjournal, Holzfurnier mit einer Dicke von 0,5 mm am Wandschrank, hauchdünne, klebrige Käsescheiben auf dem Frühstücksbrötchen, schräge Polyamidfilamente an der Zahnbürste. Das ändert sich schnell, sobald in der heimischen Küche eine Tomate geschnitten wird. Ein scharfes Messer ist die Hauptvoraussetzung für einen effizienten Trennprozess. Fehlt die Schärfe, wird nicht geschnitten sondern gequetscht, bis zum spontanen Versagen des zu trennenden Materials - die Tomate verteilt sich über den Küchenboden. Bei industriellen Schneidprozessen wäre dieses Ergebnis nicht akzeptabel. Hier sind effiziente Trennprozesse gefordert. Hohe Durchsatzleistungen sind der Schlüssel für die Wirtschaftlichkeit des Schneidverfahrens. Schneidmaschinen sind über Mess-, Steuerungs- und Regelprozesse optimal in die Prozesskette integriert. Die Anlagen produzieren exakte Schnittflächen. Unglaublich hohe Schnittgeschwindigkeiten werden erreicht. Diese sind aber auch dringend erforderlich, denn bereits nach wenigen Stunden ist das Messer stumpf und muss mit hohem Zeitaufwand ausgetauscht werden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn das Schnittgut sehr abrasiv wirkt. Die Maschine - und damit nicht selten die gesamte Prozesskette - wird angehalten und geöffnet. Es folgt eine große Überraschung. Zwischen all den Pneumatikzylindern, exakten Frästeilen und elektronischen Komponenten ist das Messer angeordnet: Ein angespitztes Stück Stahl, welches sich augenscheinlich nicht grundlegend von solchen Messern unterscheidet, die zu Beginn des industriellen Zeitalters verwendet wurden. Warum hat der technologische Fortschritt die Messer ignoriert? Die Metallurgie ist in den letzten 100 Jahren natürlich weiterentwickelt worden. Die Anzahl an konventionellen und neuen Stahlsorten ist sehr groß. Neue Analyseverfahren ermöglichen die gezielte Optimierung der Schneidstähle bis in den Nanometerbereich. Es liegt aber in der Natur der Werkstoffe selbst, dass die Standzeiten von Messern nicht signifikant verbessert werden können. Die filigrane Schneide muss zäh sein, um bei hohen mechanischen Belastungen nicht zu brechen. Gleichzeitig muss sie hart sein, um insbesondere abrasivem Verschleiß entgegenzuwirken. Ein Werkstoff ist jedoch umso spröder, je härter er ist. Hartmetalle und Keramiken sind daher nur eingeschränkt als Schneidwerkstoffe geeignet. Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Zielsetzung, diese Materialien schlagzäh zu modifizieren [Klünsner-2010, Krakhmalev-2007]. Bei einem Blick über den Tellerrand wird deutlich, dass es durchaus möglich sein kann, dauerhaft scharfe Messer zu entwickeln. Die Zähne der Säugetiere schneiden sehr effektiv und werden nicht während der Nutzung ausgetauscht - sie halten ein Leben lang! Zähne sind spezialisierte Werkzeuge, die über Millionen von Jahren optimal an die jeweilige Nahrung angepasst wurden. Und wie so oft scheinen über den Prozess von Mutation und Selektion Widersprüche gelöst worden zu sein, welche die Technik bislang nicht lösen konnte: Je abrasiver das Schnittgut ist, desto schärfer sind die Zähne [Von Koenigswald-1990]. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, die natürlichen Strategien für effizientes Schneiden an Säugetierzähnen darzustellen und zu analysieren. Im Fokus soll hierbei der Umgang mit abrasiver Nahrung stehen. Ein Anspruch ist in diesem Zusammenhang das »Übersetzen« der Fachsprache der Biologen, Zahnmediziner und Paläontologen in eine technische aber gleichzeitig allgemein verständliche Sprache. Auf dieser Grundlage soll dann eine Analogiebetrachtung von technischen und biologischen Schneidverfahren erfolgen. Für das Schneiden abrasiv wirkender Kunststoffe wird dann ein bionisches Werkstoffkonzept für schnitthaltige Industriemesser entworfen und geprüft. Als Voraussetzung für diesen Entwicklungsschritt müssen vorab die detaillierten Verschleißmechanismen der ausgewählten Schneidanwendung ermittelt werden, die zum Abstumpfen der Schneidkante führen. Denn anders als in der Technik versucht die Natur nicht Verschleiß zu vermeiden - sie lenkt ihn!