Entwicklung und Evaluierung eines Konzepts für die kontinuierliche Herstellung von Leichtbauplatten mit polymerbasiertem Kern und Holzwerkstoffdecklagen

Abstract

Die Entwicklung von Werkstoffen, die unter technischen und ressourcenbezogenen Gesichtspunkten eine Effizienzverbesserung darstellen, hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Dies geschieht in der Holzwerkstoffindustrie vor dem Hintergrund einer zunehmenden Nutzungskonkurrenz um den Rohstoff Holz und steigenden Ressourcenkosten in der Herstellung. Die Idee, Material innerhalb von Werkstoffen intelligent zu verteilen und dadurch die monolithische Struktur aufzulösen, wird in modernen Bauteilen immer häufiger umgesetzt. Ursprünglich mit dem Ziel hierdurch eine anwendungsbezogene Optimierung der technischen Eigenschaften zu erreichen, bieten sie darüber hinaus oftmals eine ressourceneffiziente Lösung. Die Auflösung der Struktur wird in der Regel über symmetrisch angeordnete, lokale Dichteverringerungen erreicht, durch die das Prinzip einer effizienten, leichten Struktur umgesetzt werden kann. Die Herstellung dieser Werkstoffe erfolgt zumeist in mehrstufigen Prozessschritten. Der in dieser Arbeit vorgestellte Prozess stellt einen neuartigen Ansatz zur einstufigen Produktion von leichten, mehrlagigen Holzwerkstoffen mit einer Polymermittellage dar. Mit der Erarbeitung eines Anforderungsprofils werden vorab allgemeingültige Parameter aufgezeigt, die während der Entwicklung leichter Holzwerkstoffe berücksichtigt werden müssen. Die weiteren Untersuchungen vertiefen dann gezielt die qualitativen und quantitativen Bewertungen ausgewählter Parameter. Für ein umfassendes Verständnis und eine Bewertung des Werkstoffes wird ein ganzheitlicher Ansatz gewählt, der neben der Analyse des Herstellungsprozesses und der Prüfung der technischen und ökonomischen Produkteigenschaften auch eine Modellierung des Versagensverhaltens beinhaltet. Ein zusätzlicher Aspekt der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Schaumkernplatte auf Basis eines papierbasierten Mittellagenprecursors. Die hergestellten und untersuchten dreilagigen Schaumkernplatten konnten insgesamt als Erfolg versprechender Ansatz gewertet werden. Die technischen Eigenschaften können über die Zusammensetzung der Platten an individuelle Einsatzzwecke angepasst werden. Die ökonomische Betrachtung betrachtet die Herstellung der Schaumkernplatten auf einer kontinuierlichen Holzwerkstoffanlage und konnte mit der Dauer der Schaumexpansion und der Presszeit die wichtigsten Faktoren in den Gesamtkosten ausmachen. Die Modellierung des Versagensverhaltens erlaubt es anhand eines analytischen Modells qualitative und quantitative Aussagen zum statischen Verhalten zu machen. Zukünftige Entwicklungsschritte werden auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen eine Verfeinerung dieser Berechnungen beinhalten. Ebenso können aktuelle Forschungen auf dem Gebiet schnellreagierender bzw. biobasierter Schäume in die Entwicklungen einbezogen werden.

In recent years, the development of materials which present an improvement in efficiency under technical or resource-related aspects became more important. This progress is related to the wood-based panel industry against the background of a growing competition for renewable resources and increasing costs for resources. The basic idea to arrange materials within a structure intelligently by breaking up the monolithic structure is often used in modern building components. Beside the technical optimization with regard to the application, such components offer a resource efficient solution in many cases. Typically, symmetrically arranged areas of lower densities are introduced locally to reduce the global density and enhance the efficiency of the component. Multi-stage processes are usually necessary to produce such components. The presented process combines several individual processes in an innovative single-step procedure to produce lightweight, multi-layered wood-based panels comprising a polymer core. By specifying a requirement profile, general parameters are identified that have to be considered when developing lightweight panels. Further analyses focus on the qualitative and quantitative evaluation of certain parameters. A holistic approach is chosen to gain a comprehensive understanding and evaluation of the foam core panels, which involves the analysis of the production, the examination of technical and economical properties and modelling of the failure behaviour of the panels. An additional aspect of the study addresses the development of a foam core panel comprising a paper-based core precursor. The development of an integrated process and the produced three-layered foam core panels are promising approaches for enhancements of resource efficiency. The technological properties needed for individual applications can be adapted by the composition of the panels. The economic analysis of a simulated continuous production revealed that the expansion time of the foam material, pressing time and costs for the foam material are the main cost factors for the total production costs on an industrial scale. Modelling the failure behaviour of the panels by means of an analytical model allows predicting the static performance of the panels. This study represents a promising basis for future developments and refinements of the process and the material as well as modelling the economical and static properties. Moreover, current approaches with regard to fast-curing, thermo-setting or bio-based foams will be included in future research.