Dr. Martin Henschke - Projekte

Schärfetester

Wenn man sich mit Messerschärfern beschäftigt, dann stellt sich auch irgendwann die Frage, wie scharf die Messer tatsächlich sind. Rudolf Krönung hat um 2010 einen interessanten Artikel zu dem Thema verfasst - Abenteuer Klingen schärfen - und stellt ab Seite 19 einen Schärfetester vor, der die zum Durchtrennen eines Polyamid-Fadens notwendige Kraft misst. Nach diesem Prinzip arbeitet auch der Aufbau von edge on up wobei unklar ist, ab wann die ersten Geräte verfügbar waren (die ältesten Einträge im Internetarchiv sind von 2016).

Schärfetester Gesamtansicht

Schärfetester Gesamtansicht

kurzes Demonstrationsvideo

Technische Details

Der hier vorgestellte Schärfetester wurde 2020 gebaut. Die Fadenaufnahme hängt an einer Wägezelle, die bis 5 kg belastbar ist. Die Wägezelle arbeitet mit Dehnmessstreifen und ist an eine Auswerteelektronik mit HX711-Chip angeschlossen, womit eine Messfrequenz von 80 Hz möglich ist. Die Wägezelle ist an einer Halterung montiert (unter der sich auch die HX711-Platine befindet) und dieser ganze Aufbau ist auf eine leicht vorgespannte - also spielfreie - Linearführung geschraubt. Der Antrieb erfolgt mittels Kugelumlaufspindel (4 mm Steigung) und NEMA17 Schrittmotor. Der am Motor befestigte Schrittmotortreiber ist ein RAPS128, der hier mit 32 Microschritten arbeitet. Damit liegt die theoretische Wegauflösung bei 0,625 µm.

Die Steuerung erfolgt mittels Arduino Nano 33 IoT an den auch ein Micro-SD-Slot und ein LCD-Display mit 2x16 Zeichen (EA DOGM162W-A) angeschlossen sind. Die Bedienung erfolgt über 3 Taster. Einstellbar sind die Fadenvorspannung und die Geschwindigkeit, mit der der Faden auf die Schneide zubewegt wird. Die HX711-Elektronik und der Schrittmotortreiber wurden bewusst nicht mit dem Microcontroller auf einer Platine zusammengefasst, da die empfindlichen Signale der Dehnmessstreifen sicherlich von der Motor-Leistungselektronik gestört würden.

Fadenspanner

Fadenspanner

RAPS128 und Hall-E-Endstop

RAPS128 Schrittmotortreiber und Hall-E-Endstop

vor dem Schneiden

kurz vor dem Schneiden

verwendete Angelschnüre

ein Teil der verwendeten Angelschnüre

Messungen

Für die verwendeten Schnüre werden folgende Abkürzungen verwendet:

  • BESS = Test Media BESS certified
  • CE = Carbon Carp Expert 0.25 mm, gemessen 0.29 mm
  • TC = Tectan FCC (Fluorocarbon coated) 0.25 mm
  • TF = Tectan Fluorocarbon 0.25 mm
  • PF = Perca Forellen-Schnur Spezial Coating 0.25 mm
  • CF = Cormoran Profiline Forelle 0.25 mm
  • TF28 = Tectan Fluorocarbon 0.28 mm
  • TF30 = Tectan Fluorocarbon 0.30 mm
  • TF35 = Tectan Fluorocarbon 0.35 mm
  • TF40 = Tectan Fluorocarbon 0.40 mm
Die Standard-Vorspannung bei BESS ist 100 cN, bei allen anderen Schnüren 300 cN. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt i.d.R. 0.5 mm/s. Alle Grafiken können zum Vergrößern angeklickt werden. Die Reihenfolge entspricht der Reihenfolge der Messungen und zeigt den Erkenntnisgewinn.

verschiedene Schnittgeschwindigkeiten

Abb. 1: BESS-Faden. Während der Faden zunehmend gegen die Schneide gedrückt wird, wurden alle Kraft-Messwerte (Abstand jeweils 12.5 ms) aufgenommen. Bei den 3 Messreihen wurde die Vorschubgeschwindigkeit variiert. Es ist zu sehen, dass bereits bei 2 mm/s das Kraft-Maximum gut erfasst wird. Da bei noch kleineren Geschwindigkeiten genug Messwerte für eine Mittelwertbildung vorhanden sind, wird bei 1 mm/s über 2 und bei 0.5 mm/s über 4 aufeinander folgende Werte gemittelt, wobei die maximale Summe der 2 bzw. 4 Werte verwendet wird. Die 2 bzw. 4 Werte dürfen dann nicht um mehr als 1 cN (bis 200 cN) oder 0.5 % (über 200 cN) vom Mittelwert abweichen.

Bess und Tectan FCC im Vergleich

Abb. 2: Die erste Messreihe (ausgefüllte Symbole) war ernüchternd. Da hatte ich eine bessere Reproduzierbarkeit erwartet. Nach einer Reinigung der Schneidfase (Messer blieb eingespannt) mit trockenem Küchenpapier folgte die zweite Messreihe (offene Symbole). Prinzipiell hat sich nichts geändert.

Variation der Vorspannung bei TC

Abb. 3: Bereits in Vorversuchen wurde die Fadenvorspannung variiert, was auch zu der Festlegung der 300 cN bei den Angelschnüren führte. Hier wurden jetzt bei jeder Vorspannung 3 Werte aufgenommen, wobei das Messer weiterhin wie bei Abb. 2 eingespannt war und nicht gereinigt wurde. Der erste Messwert dieser Messreihe war der Ausreißer bei 100 cN Vorspannung - seinerzeit hatte ich mir nichts dabei gedacht ...

Angelschnüre im Vergleich zu BESS

Abb. 4: Zur Abwechslung mal eine Rasierklinge (Wilkinson Sword, ca. 30 Jahre alt) eingespannt. Der BESS-Faden zeigt recht genau die von den BESS-Machern ermittelten 50 g (1 g ~ 1 cN). Der TC-Faden liegt jetzt deutlich unter BESS, weshalb noch ein paar Messungen bei 200 cN Vorspannung ergänzt wurden. Der CE-Faden liegt recht hoch, was vermutlich auf seinen vergleichsweise großen Durchmesser von 0.29 mm zurückzuführen ist. Die beiden Forellen-Schnüre zeigen die geringsten Werte. Sie bestehen vermutlich aus reinem Polyamid, da auf den Verpackungen nicht mit Beschichtungen geworben wird.

Angelschnüre im Vergleich zu BESS

Abb. 5: Jetzt wurde wieder das Messer eingespannt, wobei die Schnittposition etwa 10 mm neben der ursprünglichen lag. Die größte Streuung zeigen wieder die BESS-Werte. Streuung? Nein, eher immer ein Anstieg. Das fiel mir noch während der Messungen (also ohne Diagramm) auf und vor den letzten 3 Messwerten wurde die Klinge mit Küchenpapier trocken abgewischt. Und siehe da, der folgende Wert lag signifikant tiefer. Die beiden letzten Werte zeigen wieder den typischen Anstieg. These: der BESS-Faden hinterlässt kleinste, mit einer Lupe nicht zu sehende Ablagerungen auf der Schneidfase. Weitere These: diese Ablagerungen wurden von dem CE-Faden wieder entfernt (Abnahme der erforderlichen Schneidkraft).

Schneidfase reinigen

Abb. 6: Gleiche Messerposition wie bei Abb. 5. Jetzt wurde die Schneidfase nach jedem Schnitt mit trockenem Küchenpapier gereinigt. Bis zum zehnten Schnitt verringerte sich die Schneidkraft und die Werte liegen deutlich unter denen in Abb. 5. Danach tritt keine weitere Verbesserung mehr auf, aber die Reproduzierbarkeit ist endlich so gut, wie ich es erwartet hatte.

Ablagerungen der Angelschnüre im Vergleich

Abb. 7: Die Messerposition ist weiterhin unverändert. Um zu sehen, ob alle Fäden mit zunehmender Schnittzahl eine höhere Schneidkraft benötigen, wurden jeweils 10 Schnitte ohne Zwischenreinigung durchgeführt. Danach erfolgte eine trockene, relativ gründliche Reinigung der Schneidfase mit Küchenpapier. Am besten schlägt sich die Tectan Fluorocarbon Schnur die laut Verpackung zu 100 % aus PVDF (Polyvinylidenfluorid) besteht. Der BESS-Faden zeigt den größten Anstieg und die größte Streuung. Ursprünglich hatte ich ja insgeheim die Vermutung, dass der BESS-Faden auch nur eine Angelschnur ist. Jetzt erscheint mir eine spezielle Beschichtung wahrscheinlich.

Vorspannung bei TF

Abb. 8: Variation der Vorspannung wie in Abb. 3, aber jetzt mit der Tectan Fluorocarbon Schnur. Die Abhängigkeit von der Vorspannung ist bei der PVDF-Schnur leicht höher als bei der Polyamid-Schnur.

Variation der Schnurstärke

Abb. 9: Variation der Schnurstärke, wobei nur Tectan Fluorocarbon zum Einsatz kam. Mit steigendem Durchmesser zeigt sich eine Parallelverschiebung der Linien hin zu höheren Schneidkräften. Wenn die Schneidkraft in der gleichen Größenordnung wie bei BESS liegen soll, dann sind sehr hohe Vorspannungen erforderlich, die mit dem kleinen Fadenspanner nicht erzielt werden können (die Schnur rutscht raus).

BESS und TF mit Rasierklinge

Abb. 10: Jetzt wurde nochmal die Rasierklinge eingespannt und die beiden Fluorocarbon-Schnüre, die beim Messer vergleichbare Werte wie BESS lieferten, erfordern hier nur deutlich geringere Kräfte.

BESS-Schnur Variation der Vorspannung

Abb. 11: Wieder das Messer eingespannt. Nachdem jetzt klar ist, dass bei der BESS-Schnur nach jedem Schnitt eine Reinigung der Schneidfase erforderlich ist, konnte die Abhängigkeit der Schneidkraft von der Vorspannung ohne außergewöhnliche Streuungen ermittelt werden. Es zeigt sich ganz deutlich, dass für reproduzierbare Werte eine definierte Fadenvorspannung aufgebracht werden muss.