Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Verfahren zum lastpfadgerechten Design textilverstärkter Furnierlagenverbundwerkstoffe

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Verfahren, die eine anforderungsgerechte sowie materialoptimierte Auslegung und Bemessung von Furnierlagenverbunden er-möglichen. Dafür wird ein zerstörungsfreies Verfahren zur ortsaufgelösten Charakterisierung von Furniereigenschaften sowie ein neuartiges Simulationsmodell entwickelt, welches es unter expliziter Berücksichtigung lokal vorliegender Materialeigenschaften erlaubt, das belastungsabhängige Deformationsverhalten mehrlagiger Furnierverbunde vorherzusagen. Auf diese Weise können anwendungsrelevante Schwachstellen im Furnierverbundaufbau identifiziert und durch das gezielte Einbringen textiler Verstärkungen lastpfadgerecht kompensiert werden. Neben dem eigentlichen Verfahren zur Fertigung der Furnierlagenverbunde, wird hierzu auf Basis des TFP-Verfahrens eine Technologie zur Erzeugung und adäquaten Fixierung textiler Verstärkungselemente (Flachs- oder Basaltfasern) entwickelt. Dies erlaubt es, das tatsächliche Leistungsvermögen furnierbasierter Werkstoffe im Sinne einer ressourceneffizienten Bauteilauslegung vollumfänglich auszuschöpfen. Seitens der KMU profitiert eine große Anzahl der in der Zuliefererkette von Fahrzeugbauern (Straße, Wasser, Schiene, Luft) vertretenen Hersteller von Strukturbauteilen, die in die Lage versetzt werden, hochbelastbare und anforderungsgerecht dimensionierte Produkte auf Basis von Furnierlagenverbunden anzubieten. Messtechnikherstellern eröffnet sich die Chance ihr Produktportfolio mit neuartigen Charakterisierungssystemen für die holzverarbeitende Branche zu erweitern. Holzwerkstoffhersteller können durch die bessere Sortierung hochwertigere Produkte mit geringeren Kennwertschwankungen anbieten und sich damit neue Ab-satzmärkte erschließen. Ingenieurdienstleistern stehen neue Simulationsansätze zur Verfügung, die es erlauben, anstelle klassischer Konstruktionswerkstoffe (Metalle, CFK, GFK) auch Furnierlagenverbunde für hochbeanspruchte Bauteile materialoptimiert auszulegen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine Prozesskette entwickelt, die durch das Erfassen lokaler Furniereigenschaften eine bessere Auslegung daraus hergestellter Lagenwerkstoffe ermöglicht.

Hierzu wurde eine ultraschallbasierte Messmethode entwickelt, mit der relevante Parameter (E-Modul, Faserwinkel) ortsaufgelöst erfasst werden. Einschränkungen bestehen in der Einkopplung der elastischen Wellen und dem zur Faserrichtung vorliegenden Messwinkel. Bei Ein- bzw. Auskopplung über Luft wird eine große Verstärkung des Sendesignals benötigt, um die durch Impedanzunterschiede hervorgerufene Signaldämpfung auszugleichen.

Es wurde festgestellt, dass das direkte Besticken bei einer hohen Holzfeuchte keinen Einfluss auf die Zugfestigkeit der Furnierproben hat. Praktisch zeigt die Arbeit aber auch, dass es durch das Einlegen einer lokalen Textilverstärkung in fehlerfreie Buchenholzproben zu einer Reduzierung der Zugfestigkeit in Folge der Kerbwirkung kommen kann. Insofern muss bei der vorgestellten Prozesskette und dem lokalen Verstärken darauf geachtet werden, wo und bei welcher Fehlstelle das Einbringen von Textilen sinnvoll ist.

Ein parametrisierbares Furnierverbund-Modell mit hexagonal vernetzten Schichten und transversal isotroper Materialmodellierung steht zur Verfügung. Lokale Materialeigenschaften lassen sich über Geometriepartitionierung in kleinere Bereiche, die jeweils eigene Kennwertsätze zugewiesen bekommen, implementieren. Die Validierung des finalen FEM-Modells war für fehlerfreie Furniere erfolgreich, bei lokal stark schwankenden Eigenschaften (z. B. durch Äste) wegen der erzielten Ortsauflösung des Charakterisierungsverfahrens jedoch nicht abschließend möglich.

Durch den Einsatz der neuartigen Messtechnik in Fertigungsabläufen erhält die Holzindustrie die Möglichkeit, Furniere eigenschaftsbezogen zu sortieren, was einen wichtigen Schritt in Richtung Industrie 4.0 bedeutet. Technische Fasermaterialien erhalten durch die Kopplung an die Holztechnologie ein völlig neues Anwendungsfeld.