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Eisportionieren leicht gemacht
Keywords: Ultraschall, thixotropes material, Scherspannung, Speiseeis
Rahmeis ist ein komplexer Stoff mit thixotropen Eigenschaften [1-4]. Das bedeutet, dass die Viskosität des Eises unter der Einwirkung von Scherspannungen verringert, d.h. 'flüssiger' wird. Wird ein Eisportionierer mit Ultraschall beaufschlagt, sodass Scherspannungen an der Oberfläche entstehen, so müsste das Portionieren von Eis viel einfacher von der Hand gehen. In der Verarbeitung von Lebensmitteln z.B. bei sehr brüchigen oder weichen Stoffen wie Torten oder Biskuits werden bereits erfolgreich Schneiden eingesetzt [6-7], die im Ultraschallbereich angeregt werden. Schwingungen in diesem Bereich sind für das menschliche Gehör nicht wahrnehmbar. Rahmeis besteht aus Eiskristallen, Luftblasen, emulgierten Fetten und gelöstem Serum. Über die Struktur von Rahmeis schreibt Caldwell [1]: «It is both an oil-in-water emulsion, with most of the oil and water being in the crystalline state, and a fat-rich foam.»
Die Lösung dieses Problems stellte die Motivation der Arbeit dar. Es wurde ein Prototyp entwickelt, welcher es ermöglicht hartes Speiseeis selbst bei sehr tiefen Temperaturen mit möglichst geringem Kraftaufwand zu verarbeiten. Als Grundlage diente ein Ultraschall-Handschweissgerät für Kunststoffe, welches vom Unternehmen swiss-sonic [5] zur Verfügung gestellt wurde.
In einem ersten Versuch wurde ein bestehendes Schneidwerkzeug mit Ultraschall beaufschlagt und damit in einem Zugtester Rahmeis geschnitten. Dabei wurde ein Kraft-Weg-Diagramm für unterschiedliche Geschwindigkeiten erstellt. Die Resultate zeigen eine deutliche Verminderung der benötigten Schneidkraft bereits mit einer Anregung von 50% der Leistung des Generators.
Mit dieser Schneide liess sich aber noch kein Eis in Kugelform portionieren. Daher musste eine neue, eher rundliche Form entwickelt werden, die im gewählten Frequenzbereich von etwa 35kHz auch richtig schwingt. Bei ganz bestimmten Frequenzen treten bei einer Sonotrode Resonanzen auf, auch Eigenmoden genannt, die durch die Überlagerung der hin- und herlaufenden Welle als Stehwelle zustande kommen. Dies ist vergleichbar mit dem Schwingen eines Resonanzkastens einer Geige oder einer Gitarre. Je nach Tonlage (d.h. Frequenz) ergeben sich auf dem Resonanzkasten an unterschiedlichen Stellen Wellenbäuche und Wellentäler. Die Kunst beim Auslegen einer Sonotrode liegt darin, diese so zu gestalten, dass die Wellenbäuche, d.h. die Orte maximaler Amplitude gerade an der Klinge entstehen. Diese Schwingungsmoden wurden mit dem FEM-Programm ANSYS Workbench berechnet und optimiert [8-10]. Es wurden verschiedene Schneidenformen konzipiert und deren Schwingungsmoden analysiert. Viele der angedachten Schneidenformen mussten ausgeschlossen werden, da deren günstige Resonanzfrequenzen ausserhalb des ansteuerbaren Bereichs des Verstärkers lagen.
Zur Validierung der Simulation wurden die Schneiden mittels eines Inplane-Laser-Vibrometers vermessen. Damit konnte in der Simulation die Anregung und Materialdämpfung angepasst werden.
Aus den Simulationen gingen zwei rotationssymmetrische, glockenförmige Klingen hervor (A und B), wobei die eine mit einem Winkelversatz im Schaft versehen ist, um eine bessere Handhabung im Portionier-Prozess zu erreichen. Die zwei rotationssymmetrischen Portionierer konnten in hochfestem Titan gefertigt und erfolgreich getestet werden. Sie wurden ebenfalls mit einem Inplane-Vibrometer vermessen. Es zeigte sich hier, dass die realen Amplituden deutlich kleiner ausfielen als in der Simulation. Die Messergebnisse bestätigten jedoch, dass die Sonotroden in der gesuchten Eigenfrequenz schwingen. Ebenfalls konnte eine deutliche Schnittkraftreduktion im Medium Rahmeis erreicht werden. Die Ergebnisse bestätigen die Wirksamkeit eines ultraschallbetriebenen Eisportionierers.
In einem zukünftigen Schritt soll das Ziel verfolgt werden, ein kompaktes Handgerät zu entwickeln. Bei einer Überarbeitung des gesamten Systems kann mit einer neuen Auswahl der Elemente eine tiefere Leistungsaufnahme realisiert und eine optimale Eigenform gewählt werden.
Literatur:
[1] Caldwell, K. B., Goff, H. D. & Stanley, D. W., 1992. A Low-Temperature Scanning Electron Microscopy Study of Ice Cream. I. Techniques and General Microstructure. Food Structure, 11(1), pp. 1-9.
[2] Marangoni, A. G. & Narine, S. S., 2013. Rheology of Fats. In: Structure and proberties of fat crystal networks. Boca Raton, Fla: CRC Press
[3] Wildmoser, H. & Windhab, E. J., 2000. Erzeugung funktioneller Strukturen in gefrorenen Dessertprodukten mittels Tieftemperaturextrusionsverfahren. Bonn: AiF/FEI Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V.
[4] Wildmoser, J., 2004. Impact of Low Temperature Extrusion Processing on Disperse Microstructure in Ice Cream Systems, Zürich: Laboratory of Food Process Engineering ETH Zürich. https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/handle/20.500.11850/93170/eth-27427-02.pdf?sequence=2&isAllowed=y
[6] McCulloch, E., 2008. Experimental and Finite Element Modelling of Ultrasonic Cutting of Food, Glasgow: University of Glasgow. theses.gla.ac.uk/264/
[7] Zahn, S., 2009. Ultraschallschneiden von Lebensmitteln, Dresden: Technische Universität Dresden. https://d-nb.info/1007517557/34
[8] Porto, Daniel (2009): Design methodology and numerical optimization of ultrasonic transducers for spinal surgery. EPFL. https://infoscience.epfl.ch/record/130839
[9] Al-Budairi, H. D., 2012. Design and analysis of ultrasonic horns operating in longitudinal and torsional vibration, Glasgow: University of Glasgow. http://theses.gla.ac.uk/3851/
[10] Alexandru Cornogolub, Pierre-Jean Cottinet, Lionel Petit, Analytical modeling of curved piezoelectric, Langevin-type, vibrating transducers using transfer matrices, In Sensors and Actuators A: Physical, Volume 214, 2014, Pages 120-133, ISSN 0924-4247, https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.04.003.
Unterschiedliche Konzepte für die Schneidenform des Eisportionierers
Kraftreduktion beim Schneiden von Rahmeis bei unterschiedlicher Ultraschallamplitude (%) und unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten.
Die rotationssymmetrische Schneidenform (A) schwingt bei etwa 35kHz in axialer Richtung
Diese abgewinkelte Schneide (B) schwingt in axialer Richtung bei etwa 32.7 kHz. Mit ihr lässt sich Rahmeis problemlos portionieren.