DE202006018792U1

DE202006018792U1 - Leichtbau-Holzwerkstoffplatte

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Publication number: DE202006018792U1
Application number: DE200620018792
Authority: DE
Original assignee: Universitaet Hamburg
Current assignee: Universitaet Hamburg
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: CN101631655A

Abstract

Holzwerkstoffplatte in Sandwichkonstruktion, umfassend:
a. zumindest eine obere Decklage
b. zumindest eine untere Decklage,
c. zumindest eine zwischen der oberen und unteren Decklage angeordnete geschäumte Zwischenlage, welche eine geringere Dichte als die obere und untere Decklage aufweist und diese verbindet,
dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Decklage hochverdichtet sind.

Description

Leichtbauplatten nehmen in der verarbeitenden Industrie eine zunehmend stärkere Position ein. Ausschlaggebend dafür sind eine Material- und somit Kostenersparnis, wirtschaftliche Herstellungsprozesse für den Verarbeiter und ein günstiges Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit. Im Bereich des Transportwesens ermöglichen diese Werkstoffe nicht zuletzt eine erhebliche Energie- und damit Transportkostenersparnis.
Gerade im Möbelbereich tendiert der Markt der Mitnahmemöbel zu geringerem Gewicht. Das belegt unter anderem die Studie „Holz2020" (KNAUF UND FRÜHWALD, 2004)
Der Aufbau der Leichtbauplatten nach dem Sandwich-Prinzip bildet dabei in idealer Weise den Konsens zwischen Gewichtsersparnis und guter mechanischer Festigkeit, da die unter Zug- bzw. Druckspannung stehenden Lagen im äußeren Bereich der Platte verstärkt sind, während die leichte Mittellage die beiden Deckschichten adhäsiv kraftschlüssig miteinander verbindet. Dadurch entsteht ein leichtes plattenförmiges Bauteil mit gutem Tragverhalten.
Holzbasierte Leichtbauplatten finden insbesondere Anwendung in der Möbelindustrie. Weiterhin sind der Fahrzeugbau, die Verpackungsmittelindustrie und die Baubranche als Einsatzbereiche zu nennen. In allen hier aufgezählten Bereichen ist der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen noch nicht ausgeschöpft und somit ein bedeutendes Potential für die Zukunft vorhanden.
Die Holzwerkstoffindustrie verzeichnet seit Jahrzehnten einen klaren Aufwärtstrend. Die für die Möbelindustrie relevanten Werkstoffe Spanplatte und MDF (Mitteldichte Faserplatte) wiesen 2005 in Europa mit einer Produktion von rund 35 Mio. m³ (Spanplatte) und 12 Mio. m³ (MDF) einen Zuwachs von 5% im Gegensatz zum Vorjahr auf. Von dem Verbrauch entfielen auf die Möbelindustrie im Bereich der Spanplatte 42%, im Bereich von MDF sogar 55% (EPF ANNUAL REPORT 2004/05). Dies verdeutlicht den starken Verbrauch und steigenden Bedarf der Möbelindustrie an Holzwerkstoffen. Der Wert der Rohplatten für den Möbelbau in Europa beläuft sich damit auf fast 3 Mrd. Euro pro Jahr.
Der stark wachsende Markt der Mitnahmemöbel eröffnet den Leichtbauwerkstoffen hier die Möglichkeit, ihre Position als hervorragende Alternative für die vergleichsweise schweren MDF- oder Spanplatten weiter auszubauen. Derzeit wird in Mitteleuropa jeder zweite Euro für Möbel im Bereich der Mitnahme- und Discountermöbel ausgegeben.
Eine Platte mit einer Fläche von einem Quadratmeter und einer Stärke von 20 mm wiegt in der Ausführung als Spanplatte (Dichte r = 700 kg/m³) 14 kg, als MDF-Platte (r = 800 kg/m³) 16 kg. Im Vergleich dazu wiegt eine Platte gleicher Größe als Wabenplatte (r = 350 kg/m³) 7 kg. Die hier vorgestellte Schaumkernplatte (r = 200 kg/m³) wiegt lediglich 4 kg, eine Gewichtsersparnis von 75%. Der Trend ist dahingehend zu verzeichnen, dass eine Verpackungseinheit von Mitnahmemöbeln maximal 25 kg wiegen darf.
Eine Kostenbetrachtung ist bei dem derzeitigen Stand der Entwicklung schwierig, da die Materialpreise sich zum einen nur auf sehr kleine Mengen beziehen, sich zum anderen die Menge der eingesetzten Rohstoffe vom Labormaßstab nur unter Vorbehalt auf eine industrielle Produktion hochrechnen lässt. Setzt man als Berechnungsgrundlage die Decklagenpreise die Quadratmeterpreise von konventionell hergestellten Faserplatten (bzw. Spanplatten) ein, die in dieser Form (2,5 mm) als Decklage in Frage kämen, kommt man auf 1,25 EUR/m² für eine Decklage Dünn-MDF (0,87 EUR/m² für Dünnspanplatten). Für die Kunststoff-Mittellage (25 mm) kann man 1,25 EUR/m² annehmen. Dadurch ergibt sich ein Preisbereich von 2,99 EUR – 3,75 EUR/m² für eine 30 mm dicke Schaumkernplatte. Im Vergleich dazu kostet ein Quadratmeter Standard-Spanplatte (30 mm) 4,60 EUR bzw. MDF (30 mm) 5,00 EUR (EUWID). Gegenüber der Gewichtsersparnis von 75% ist dies ein vernachlässigbarer Kostenunterschied. Eine Wabenplatte (30 mm) mit Rahmen kostet zwischen 3,00 EUR/m² (Spanplatten-Decklage) und 3,40 EUR/m² (MDF). Allerdings mit 4-seitiger innenliegender Rahmenkonstruktion, d.h. das Plattenmaß ist fix und kann nicht beliebig verändert werden.
Knapper werdende Rohstoffe und verschärfte Richtlinien zur Verminderung von Umweltbelastungen, wie Emissionen, werden in Zukunft dem Leichtbau als Konstruktionsprinzip Vorteile verschaffen.
Nach derzeitigem Stand der Technik werden Leichtbauplatten zum einen nach dem Wabenprinzip, sog. Wabenplatten, zum anderen mit einer geschäumten Mittellage, sog. Schaumkernplatten in zwei bzw. drei Schritten hergestellt.
Schaumkernplatten werden in einem mehrstufigen Prozess, der aus meist drei voneinander unabhängigen Einzelprozessen (Herstellung der Decklage, Herstellung der Mittellage, Fügen/Verkleben von Deck- und Mittelage) besteht, hergestellt.
Die Schaumkernplatte besitzt der Wabenplatte gegenüber Vorteile. So ist der Kern durch seine isotrope, d.h. die Eigenschaften sind unabhängig von der Richtung, Struktur in allen Richtungen in gleicher Weise belastbar und bearbeitbar. Die homogene Struktur ist dagegen besonders wichtig für das Beschichten der Kanten und das Befestigen von Beschlägen, da im Inneren nur kleinste Hohlräume vorhanden sind. Auch können sich auf der Oberfläche keine Strukturen der Mittellage abzeichnen. Im Falle der Wabenplatten mit einem Papierkern kann es bei hohen Luftfeuchtigkeiten zur Erweichung und schlimmstenfalls zum Kollabieren der Mittellage kommen. Diese Gefahr besteht im Falle der Schaumkernplatten nicht, da sich hier die Mittellage zum einen nicht aus einem feuchteempfindlichen Material aufbaut, zum anderen nur kleinste Hohlräume vorhanden sind.
Die Schaumkernplatte besitzt außerdem Gewichtsvorteile gegenüber der Wabenplatte. Die Dichte einer Schaumkernplatte beträgt 100–250 kg/m³ gegenüber 150–450 kg/m³ einer Wabenplatte.
Ziel der Erfindung war es nun, die Herstelltechnik, der in ihren Eigenschaften vorteilhaften Schaumkernplatte dahingehend zu kombinieren, dass Decklagen, Mittellagen und Plattenverbund in einem Prozessschritt (statt in zwei oder drei) gefertigt werden. Das geschieht durch die beschriebene Fertigung von Schaumkernplatten in einem Prozessschritt.
Da der Prozess zur Herstellung von leichten Sandwichplatten nach dem vorgestellten Verfahren der Produktion von Span- oder MDF-Platten größtenteils entspricht, lässt er sich mit geringen verfahrenstechnischen Modifikationen auf bestehenden Anlagen durchführen. Ein weiterer positiver Aspekt, denn Umbaumaßnahmen für die Produktion sind nur in geringem Umfang nötig.
Beschreibung der Erfindung
Zusammenfassung
Die Erfindung beschreibt einen Prozess zur Herstellung von Holzwerkstoffplatten in Sandwichbauweise mit wenigstens einer geschäumten Mittellage. Die Deckschichten werden hierbei in einem Fertigungsprozess mit der oder den Mittellagen hergestellt.
Darstellung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine leichte und stabile Holzwerkstoffplatte und ein Verfahren zu ihrer Herstellung freizustellen.
Erfindungsgemäß wird hierbei mindestens eine leichte Mittellage (Dichte ~100 g/m³) zwischen mindestens zwei Holzwerkstoffschichten angeordnet. Dies ermöglicht eine sehr leichte (~200 kg/m³) und zugleich feste Ausbildung der Platte.
Die Decklagen sind hierbei aus lignocellulosehaltigem Material aufgebaut. Die Mittellage wird aus schäumbaren Ausgangsstoffen in flüssiger oder fester Form, erfindungsgemäß insbesondere Kunststoffgranulat, ausgebildet, welche bei Wärmeeinwirkung einmalig ihr Volumen vergrößern und bei Abkühlung aushärten. Dieser Ausgangsstoff kann im nicht expandierten Zustand problemlos einem hohen Pressdruck und prozessbedingten Temperaturen ausgesetzt werden.
Die Herstellung von Sandwich-Verbundelementen ist aus der Technik bekannt. Diese können entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich hergestellt werden, wobei bei letzterem die Decklagen bereits vorher in einem gesonderten Prozess gefertigt wurden.
Diskontinuierliche Verfahren bringen mit sich, dass nicht endlos zuführbare Decklagen, wie dünne Span- oder MDF-Platten, zusammen mit der oder den Mittellagen, zu mehrlagigen Elementen verbunden werden können. Die Decklagen werden dabei einzeln und vorformatiert mit bereits vorgefertigten Mittellagen in einem kalten Pressvorgang verklebt, so dass ein mindestens dreischichtiger Aufbau entsteht. Es sind folglich zur Herstellung mindestens drei getrennte Prozesse notwendig, Herstellung der Decklagen, Herstellung der Mittellage und Verbindung von Decklagen und Mittellage.
Kontinuierliche Verfahren können entsprechend bei endlos zuführbaren Materialien, wie Folien oder Papieren eingesetzt werden. Methoden sind aus DE 1609668 A oder DE 1247612 A bekannt. Hierbei wird die Mittellage kon tinuierlich direkt zwischen zwei Deckschichten eingebracht, welche dann gemeinsam eine Doppelband-Heißpresse durchlaufen. Im Durchlauf durch die kontinuierliche Presse wird der Aufschäumprozess durch das oben und unten mitlaufende Band isochor, d.h. der Abstand (das Volumen) zwischen den Pressbändern bleibt konstant, begrenzt, um die vordefinierte Plattendicke zu erzielen. Sobald der Aufschäumprozess beendet ist und sich eine selbst stützende Matrix in der Mittellage ausgebildet hat, kann die Sandwichplatte formatiert werden. Das kontinuierliche Verfahren bedeutet gegenüber dem diskontinuierlichen Verfahren eine Reduktion von drei auf zwei Prozessschritte.
Aus DE 102004006385 A1 ist ein Prozess bekannt, der die Verfahren der Deck- und Mittellagenherstellung kombiniert und in einen Verfahrensschritt zusammenführt. Hierbei wird eine Kunststoffschicht zwischen zwei Holzwerkstoffschichten eingebracht und gemeinsam in eine Presse eingebracht. Der thermisch aktivierbare Kunststoff entwickelt dabei einen Druck auf die Deckschichten, die dadurch zu sehr hoher Dichte verpresst werden. Fraglich ist, ob hierdurch die erforderlichen Dichten von 800 kg/m³ erreicht werden können. Den Decklagen einer Sandwichplatte kommen besondere Festigkeitsfunktionen zu. Daher müssen diese Lagen eine Dichte aufweisen, durch die sie in der Lage sind, entsprechende Belastungen aufzunehmen und gleichzeitig die notwendigen Oberflächeneigenschaften für anschließende Prozesse, wie beispielsweise Lackierungen oder Beschichtungen bereitzustellen. Bei Herstellung einer MDF-Platte in einer kontinuierlichen Presse werden Pressdrücke von 4 N/mm² erreicht, die zu einer starken Verdichtung der Holzfasern mit Dichten von bis zu 800 kg/m³ führen. Eine solche Dichte wird als ausreichend angesehen, die gewünschte Stabilität zu liefern und weitere Be- und Verarbeitungen der Oberfläche zu ermöglichen.
Unter DE 102004006385 A1 ist beschrieben, dass „der thermisch aktivierbare Kunststoff (...durch Wärme) aufschäumt und sich ausdehnt. Dadurch wird das auf der Oberseite und der Unterseite der befindliche Holzwerkstoffmaterial gegen die Presse gedrückt, wodurch an der Oberseite und an der Unterseite eine sehr hohe Dichte und dementsprechend eine sehr hohe Festigkeit der HWS verwirklicht wird."
Das Aktivieren eines aufschäumbaren Kunststoffes führt zu einer Expansion. Der unbehinderte Schaum würde ein Volumen v_f, den sog. Freischaum, mit einer korrelierenden Dichte r_f annehmen. Wird diese Expansion räumlich begrenzt (Solldichte ρs), so hat dies einen Schäumdruck zur Folge, mit dem der Kunststoff gegen die Presse oder Stützform arbeitet. Dieser Druck ist abhängig vom Verdichtungsgrad E, also dem Verhältnis aus Solldichte zu Dichte des Freischaums. Im Falle von polyurethanbasiertem Kunststoff beispielsweise mit einem Verdichtungsgrad von 2,5 erreicht der Druck etwa 1,5 bar (KAPPS UND BUSCHKAMP, 2000), d.h. weniger als 4% des notwendigen Druckes um harte und verwendbare Decklagen zu bilden.
Auf den Pressvorgang einer Heißpresse projiziert, in der die Deckschicht durch eben diesen vom Kunststoff ausgeübten Druck verdichtet werden soll, würde das einen Pressdruck von 1,5 bar entsprechend 0,15 N/mm² bedeuten. Auch wenn zu beachten ist, dass andere Schaumsysteme in der Lage sein können, höhere Drücke zu produzieren, ist es wenig wahrscheinlich, dass hierdurch die gewünschte Verdichtung erreicht wird.
Die vorgestellte Erfindung grenzt sich insbesondere in diesem Punkt vom DE 102004006385 A1 ab. In der hier vorgestellten Erfindung findet erst eine Verdichtung der Decklagen und danach eine Ausbildung der Mittellage statt.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Vorteile des diskontinuierlichen (dreistufigen) und kontinuierlichen (zweistufigen) Verfahrens kombiniert und eine Methode bereitstellt, die es erlaubt, Sandwichelemente in einem einstufigen Prozess herzustellen, wobei die Decklage weiterhin aus lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterialien besteht und die Ausbildung der Decklage jedoch unmittelbar vor dem Expandieren der Mittellage innerhalb des Herstellungsprozesses erfolgt.
Bei der hier vorliegenden Erfindung kann das Deck- und Mittellagenmaterial gemäß der Standardverfahren für Holzwerkstoffplatten gestreut werden. Dieses kann in einzelnen Schichten geschehen, d.h. es werden nacheinander Decklage, Mittellage und wieder Decklage gestreut, oder die Mittellage wird nach dem Streuen der beiden Decklagen durch einen Keil eingebracht, der die Matte horizontal auftrennt und am hinteren Längsende eine Einbringvorrichtung für die Bildung der Mittellage besitzt. Ein ähnlicher Keil wird heute bereits für das Einbringen von Wasserdampf in Fasermatten im Trockenverfahren eingesetzt.
Die so gestreute mehrschichtige Matte wird in eine kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitende Heißpresse eingefahren. Ein durch die Heißpresse aufgebrachter hoher Anfangsdruck komprimiert die mehrschichtige Matte, wobei sich in den Decklagen eine hohe Dichte ausbildet. Die noch nicht expandierte Mittellage bildet dabei eine Trennschicht zwischen den zwei bereits gebildeten Deckschichten. Nachdem die Deckschichten ausgebildet sind, hat die Mittelschicht die Aktivierungstemperatur des Kunststoffs erreicht, und dieser beginnt sich auszudehnen. Die Presse wird nun auf die vordefinierte Zieldicke gefahren bzw. die Decklage vom entstehenden Druck auf die gewünschte Zieldicke gedrückt. In dieser Position wird die Sandwichplatte so . isochor gehalten und abgekühlt bis der Kunststoff in der Mittelschicht seine aktive Temperatur unterschritten hat und keine weitere Expansion mehr stattfindet bzw. keinen Druck mehr ausübt.
Für die Einbringung des Mittellagenmaterials gibt es verschiedene Möglichkeiten:

– Vorzugsweise wird das Mittellagenmaterial als Pulver oder als Granulat eingebracht, wobei ein direktes Einstreuen zwischen die Decklagen möglich ist. Da sehr feine pulverartige Materialien jedoch zum Stauben neigen bzw. sich ungleichmäßig auf der Oberfläche der bereits gestreuten Matte verteilen, ist es vorteilhaft das Mittellagenmaterial auf ein Trägermaterial aufzubringen, wodurch der Auftrag gleichmäßig gestaltet werden kann. Als Trägermaterial ist vorzugsweise ein in der Produktion vorhandenes Material zu wählen, z.B. lignocellulosehaltige Partikel, aber auch produktionsfremde Materialien sind möglich. Diese besitzen entweder eine ausreichende Oberflächenrauigkeit, so dass die feinen Kunststoffpartikel anhaften, oder sie werden mit einem Klebstoff oder mit Feuchtigkeit haftend gemacht. Möglich ist auch eine Haftung durch statische Aufladung des Träger- oder Mittellagenmaterials.
– Eine weitere Möglichkeit bietet die Einbringung von beladenen Faservliesen in die gestreuten Matten. Die Faservliese werden hierbei in einem getrennten Prozess mit pulverartigen Materialien infiltriert oder flüssigen Substanzen benetzt. Das Fasermaterial kann zu Rollen aufgewickelt werden. Bei der Streuung der Holzwerkstoffmatten wird das auf diese Weise beladene Vlies wieder abgewickelt und gelangt so zwischen die Decklagen.
– Eine weitere Möglichkeit besteht in der Teilung der gestreuten Matte gefolgt von einer anschließenden Einbringung der Mittellage über eine spezielle Vorrichtung, bei der in Analogie zu einem so genannten Dampfschwert die Mittellage entweder in flüssiger oder in Pulverform zwischen die Decklagen gebracht wird.

Entscheidend für die Verwendung eine dieser Optionen im Rahmen der vorgestellten Erfindung ist, dass bei der Herstellung des Sandwichmaterials in der Heißpresse zuerst bei hohen Pressdrücken die Decklagen verdichtet und gehärtet werden und anschließend die Mittellage aufgeschäumt wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Einleitung
Das Konzept mehrschichtige und durch eine Mittelschicht auf Abstand gehaltene Sandwichkonstruktionen zu verwenden wurde historisch erstmalig im Jahre 1820 von dem französischen Erfinder Duleau beschrieben. Einzug in die Verwendung fand dieses Konstruktionsprinzip jedoch erst am Anfang des 20. Jahrhunderts im Flugzeugbau. Hier waren es insbesondere Balsamittellagen, die mit Furnierlagen beschichtet wurden. Dies geschah jedoch nicht aus Wertschätzung der Effizienz des strukturellen Prinzips sondern aufgrund der Knappheit an alternativem Material. In den späten 1940er Jahren begann die Entwicklung der Wabenplatte, die meist mit einer hexagonalen Zellform als Mittellage ausgestattet war. Mit der Erfindung von Polyvinylchlorid (PVC) und Polyurethan (PUR) in den 1960er Jahren wurde diese Mittellage auch aus Schaumsystemen geformt (ZENKERT, 1997). Heutzutage werden unterschiedliche Materialien sowohl für die Deckschicht als auch für den aussteifenden Kern verwendet.
Bis vor einigen Jahren bestand die Motivation zur Entwicklung neuer Leichtbausysteme, insbesondere im Möbelsektor, in der Gewichtsreduktion einhergehend mit der Möglichkeit dickere Werkstoffe als Designelemente einsetzen zu können. Darüber hinaus wurden durch diese Konstruktionsweise der Transport und die Handhabung bzw. der Aufbau wesentlich vereinfacht, und das verringerte Gewicht wirkte sich positiv auf die Transportkosten aus (MICHANICKL, 2006). Steigende Energie- und Rohstoffkosten fügen diesen Argumenten gegenwärtig eine weitere Dimension hinzu. Es geht nicht mehr nur um die klassische Verringerung des Gewichtes sondern auch um die intelligente Nutzung der knapper und somit teurer werdenden Ressourcen.
Motivation
Die Holzwerkstoffindustrie verzeichnet seit Jahrzehnten einen klaren Aufwärtstrend. Die für die Möbelindustrie relevanten Werkstoffe Spanplatte und MDF (Mitteldichte Faserplatte) wiesen 2005 in Europa mit einer Produktion von rund 35 Mio. m³ (Spanplatte) und 12 Mio. m³ (MDF) einen Zuwachs von etwa 5% gegenüber dem Vorjahr auf. Von dem Verbrauch entfielen auf die Möbelindustrie im Bereich der Spanplatte 42%, beim MDF sogar 55% (EPF, 2005). Der Wert der Rohplatten für den Möbelbau in Europa beläuft sich damit auf fast 3 Mrd. Euro pro Jahr. Mittelfristig könnten bis zu 30% der Holzwerkstoffplatten durch Leichtbauplatten ersetzt werden (EIERLE, 2005).
Der stark wachsende Markt der Mitnahmemöbel eröffnet den Leichtbauwerkstoffen die Möglichkeit seine Position als Alternative für die dominierenden aber vergleichsweise schweren MDF- oder Spanplatten weiter auszubauen. Gerade im Segment der Mitnahmemöbel tendiert der Markt zu Möbeln mit geringem Gewicht (KNAUF und FRÜHWALD, 2004). Derzeit wird in Mitteleuropa jeder zweite Euro für Möbel im Bereich der Mitnahme- und Discountermöbel ausgegeben. Das Prinzip der Mitnahmemöbel beruht auf der sofortigen Mitnahme der in flachen Paketen abgepackten Ware. Der Kunde nimmt die Ware selbstständig aus dem Regal in einem Selbstabholer-Lager. Zu diesem Zweck muss das Gewicht der Verpackungseinheiten so abgestimmt sein, dass es von jedem Kunden problemlos bewältigt werden kann. Große Möbelstücke werden aus diesem Grund in mehrere Pakete aufgeteilt. Kann das Gewicht einzelner Möbelteile verringert werden, reduziert sich der Verpackungsaufwand erheblich, da mehr Einzelteile pro Verpackungseinheit zusammengefasst werden können. Die Tendenz geht zu einem maximalen Gewicht von 25 kg. Für den Kunden ergeben sich weitere Vorteile beim Aufbau des Möbels, da die Handhabung durch das geringe Gewicht wesentlich vereinfacht wird (EIERLE, 2005).
Beim direkten Vergleich der Gewichte von Standardmöbelplatten können deutliche Unterschiede ausgemacht werden. Eine Holzwerkstoffplatte mit einer Fläche von einem Quadratmeter und einer Stärke von 20 mm wiegt in der Ausführung als Spanplatte (Dichte ρ = 700 kg/m³) 14 kg, als MDF-Platte (ρ = 800 kg/m³) 16 kg. Im Vergleich dazu wiegt eine Leichtbau-Wabenplatte (ρ = 350 kg/m³) mit gleichen Dimensionen 7 kg. Die im Folgenden vorgestellte Schaumkernplatte (ρ = 200 kg/m³) wiegt lediglich 4 kg. Der Trend zu leichten Werkstoffen ist also nachvollziehbar.
Die Vorteile des Sandwichdesigns sind vielfältig und beinhalten neben einer hohen spezifischen Steifigkeit und einem günstigen Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit ein hohes Energieabsorptionsvermögen, z.B. akustische Energie, und eine gute thermische Isolationsfähigkeit. Als nachteilig werden insbesondere die unausgereiften Herstellungsprozesse, die problematische Qualitätskontrolle und Schwierigkeiten bei der mechanischen Verbindung von Einzelkomponenten eingestuft (DAVIES, 2001; BRUNNER, 1995).
Der klare Gewichtsvorteil der Leichtbauwerkstoffe wird in den meisten Fällen jedoch durch preisliche Nachteile wieder aufgehoben. Das liegt in der Regel daran, dass die Herstellung deutlich aufwändiger ist als bei den Standardprodukten der Holzwerkstoffindustrie. Auch die eingesetzten Gewicht sparenden aber teuren Rohstoffe führen häufig zu einer Erhöhung des Preises. Das Ziel muss demzufolge sein, die Effektivität bei der Herstellung von Leichtbauwerkstoffen zu erhöhen, indem die Kosten für die Rohstoffe reduziert werden oder die Produktion rationeller gestaltet wird. Nur dann kann eine Wirtschaftlichkeit beim Einsatz von Leichtbauwerkstoffen erreicht werden, die dem Gewichtsvorteil entspricht. Das lässt sich beispielsweise durch eine Vereinfachung des Produktionsprozesses oder den Einsatz innovativer Materialien erreichen, die in einem neuartigen Produktionsprozess eingesetzt werden können.
Die Holzwerkstoffindustrie muss sich für die Zukunft der Einzigartigkeit des Rohstoffes Holzes noch bewusster werden, um den Verbraucher durch holzbasierte Innovationen von der hervorragenden Eignung des Holzes für differenzierte Werkstoffe zu überzeugen. Dabei können bestehende Produktketten durch die innovative und verstärkte Nutzung von Holz zu einer erweiterten Wertschöpfung geführt werden oder gänzlich neue Produktketten entwickelt werden.
Das Thema dieser Arbeit sollte ein Anstoß sein, sich mit neuen Wegen und Materialien in der Herstellung von leichten Verbundwerkstoffen auseinanderzusetzen. Die Zielvorstellung war eher als eine grobe Richtungsangabe zu sehen, als einen klar abgesteckten Rahmen zu definieren.
Zielsetzung
Um eine systematische Vorgehensweise zu gewährleisten, war es wichtig das Projekt in Teilbereiche zu untergliedern. Die Intention war einerseits die Entwicklung eines Leichtbauwerkstoffes auf Basis eines neuartigen Kernschichtmaterials, andererseits die Implementierung eines innovativen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung dieses Verbundwerkstoffes.
Die Bereitstellung eines Materials, das den derzeitig verwendeten Leichtbaurohstoffen in Gewicht, Festigkeit und Handhabung mindestens gleichwertig ist, war die Grundlage für das weitere Vorgehen.
Dazu wurden in einem ersten Schritt Kriterien aufgestellt, die die grundlegenden Anforderungen an einen potenziell geeigneten Rohstoff charakterisieren. Nach der Eingrenzung der Rahmenbedingungen wurde eine Materialvorauswahl getroffen und der Rohstoff in orientierenden Untersuchungen auf seine prinzipielle Tauglichkeit hin überprüft. Wurde eine Eignung festgestellt, konnten im Anschluss weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Darauf aufbauend galt es einen Produktionsprozess zu entwickeln, der eine kontinuierliche Produktion von Leichtbauplatten ermöglicht. Für eine zukünftige industrielle Umsetzung war es wesentlich, dass das Verfahren mit lediglich geringen Modifikationen auf bestehenden Anlagen eingesetzt werden kann.
Im systematischen Vorgehen wurden folgende Arbeitsschritte definiert:

• Charakterisierung der notwendigen Eigenschaften eines Mittellagenmaterials im Rahmen einer kontinuierlichen industriellen Produktion
• Wahl eines geeigneten Materials auf Basis der festgelegten Kriterien
• Simulation des Prozesses zur Modellierung der verfahrenstechnischen Parameter
• Erprobung des Verfahrens im Labormaßstab
• Optimierung des Prozesses aufgrund der Charakterisierung der hergestellten Platten anhand ausgewählter mechanisch-physikalischer Untersuchungen und abbildender Verfahren
• Erprobung anderer Materialien für Deck- und Mittellagen

Um den entwickelten Werkstoff aus dem Labormaßstab auf eine industrielle Produktion übertragen zu können, wurden Vorüberlegungen angestellt, die die dazu notwendigen Parameter aufzeigen sollen. Dadurch sollte es erleichtert werden eventuellen und vermutlichen Einflüssen in einer zukünftigen Entwicklungsstufe zu begegnen.
Stand der Technik
In diesem Kapitel soll ein Überblick über den vorhandenen Kenntnisstand auf dem Gebiet der Leichtbauwerkstoffe gegeben werden. Es wird aufgezeigt, welche Leichtbaukonzepte auf Sandwichbasis bestehen und wie diese aktuell umgesetzt und realisiert werden. Ausgeklammert wird in diesem Zusammenhang die Herstellung von leichten 'einlagigen' Holzwerkstoffplatten, wie MDF, OSB oder auch leichten Varianten von Wood Plastic Composites. Diese Platten verfolgen ein anderes Konzept und werden meist durch den Einsatz geringerer Pressdrücke als üblich oder durch die Verwendung aufschäumender Klebstoffe oder Füller hergestellt. Dadurch wird diesen Werkstoffen eine geringere Dichte gegeben und somit eine Gewichtsersparnis erzielt (KAWASAKI et al., 1998).
Leichtbauplatten nach dem Sandwichprinzip basieren auf einer Mehrschichtigkeit mit unterschiedlicher Dichte und Materialauswahl in den einzelnen Schichten. Sie bestehen aus tragenden Decklagen und einer stützenden Mittellage mit geringer Dichte. Es haben sich hier insbesondere Waben- und Schaumkernplatten auf dem Markt etabliert. Wabenplatten sind primär mit einem Kern aus Papierwaben gefertigt, Schaumkernplatten vorrangig mit einem Kern aus Polyurethan- oder Polystyrolschäumen.
Grundlagen für den Leichtbau
Aufbau von Sandwichplatten
Ein Sandwichbauteil gliedert sich im Wesentlichen in drei Hauptelemente. Zwei dünne und hochfeste Decklagen aus Metall, Kunststoff oder Fasermaterial werden vom Kern, einer stützenden Mittellage geringer Dichte, in einem definierten Abstand gehalten. Der Verbindung dieser drei Elemente untereinander kommt hierbei besondere Bedeutung zu. Sandwichstrukturen werden daher auch unter dem Namen Kernverbund geführt.
In Kernverbänden stellt das Prinzip der effektiven Materialverteilung die nächste Stufe der Gewichtsersparnis vom I-Träger (alt: Doppel-T-Träger) dar. Eine hohe Biegesteifigkeit wird durch eine Verstärkung der Stellen erreicht, die am weitesten von der neutralen Faser entfernt positioniert sind. Bei einer Biegebelastung nehmen der Ober- und der Untergurt die Druck bzw. Zugkräfte auf. In der symmetrischen Mittelachse befindet sich die neutrale Faser. Hier treten die stärksten Schubkräfte auf. Das Material muss dort besonders widerstandsfähig gegen Scherversagen sein. Der Steg gewährleistet die Verbindung von Ober- und Untergurt. Der solide Verbund der drei Elemente verhindert ein Abscheren der Einzellagen gegeneinander.
Im Sandwich-Material ist der Aufbau ähnlich, jedoch werden zumeist unterschiedliche Materialien für Deck- und Mittellage verwendet. Der Kern besteht aus einem leichten schubfesten Material, während die Deckschichten aus einem festen Material von meist höherer Dichte gefertigt sind. Der Kern hat neben der Aussteifung der Decklagen die Aufgabe ein Knittern der Decklagen zu verhindern (MAHFUZ et al., 2005; KÜHHORN und GOLZE, 2002). Ein Knitterversagen, also ein kurzwelliges Beulen der Decklagen, tritt auf, wenn durch eine Biegebeanspru chung ein entgegen gesetztes Kräftepaar in die Decklagen eingebracht wird. Da es sich im Allgemeinen um dünne Decklagen ohne eigene Biegesteifigkeit handelt, müssen diese durch die stützende Kernschicht stabilisiert werden (BERNER et al., 2004). Es ist daher nicht verfehlt, eine Sandwichplatte als quasiunendlichen I-Träger zu bezeichnen.

In DIN 53290 für die Prüfung von Kernverbunden sind die Begriffsdefinitionen wie folgt festgelegt:

1 Kernverbund (KV)	Ein Kernverbund ist ein Körper aus einem relativ dicken Kern niedriger Rohdichte und relativ dünnen Deckschichten. Kern und Deckschichten sind kraftschlüssig miteinander verbunden
2 Deckschicht (D)	Bei mechanischer Beanspruchung des Kernverbundes sollen die Deckschichten Zug- und Druckkräfte aufnehmen und den Kern örtlich gegen Eindrücken schützen.
3 Kern (K)	Der Kern fixiert die Deckschichten auf den vorgesehenen Abstand und soll bei Belastung des Kernverbundes Schubkräfte aufnehmen und Druckkräfte übertragen; der Kern soll die Deckschichten gegen Beulen, Knicken und Knittern stützen.

Die Parameter Gewicht, Biegefestigkeit und Biegesteifigkeit hängen vom Querschnitt ab, insbesondere von der Höhe h. Die Ausgangsplatte mit der Dicke h = t ist ein einschichtiger Werkstoff. Durch das Einfügen einer Mittellage von sehr geringer Dichte zwischen die jeweils halbierten Decklagen f, sei die Gewichtszunahme von der einfachen zur zwei- bzw. vierfachen Dicke zu vernachlässigen und somit konstant.
Die Biegefestigkeit σ_b gibt eine Aussage über die Kraft, die aufzubringen ist, bis der Bruch des Werkstoffs im Biegeversuch eintritt. Sie nimmt bei Verdoppelung der Höhe um das Sechsfache zu, bei einer Vervierfachung der Höhe um das Zwölffache. σ_b ist der Quotient aus dem maximalen Biegemoment M_b beim Bruch der Probe und deren Widerstandsmoment W:
Die Biegesteifigkeit EI [Nmm²] ist ein Maß für den Widerstand einer Probe gegenüber einer Formänderung. Sie setzt sich zusammen aus dem E-Modul E [N/mm²] und dem Flächenmoment 2. Grades/[mm⁴], letzteres nach der Formel:
Offensichtlich ist die Abhängigkeit des Flächenmomentes von der Querschnittsfläche aus der Höhe h und der Breite b, insbesondere aber der Höhe h, die mit der 3. Potenz eingeht. Mit zunehmender Dicke eines Werkstoffs, nimmt sein Flächenmoment um ein Vielfaches zu und somit die Biegesteifigkeit des gesamten Werkstoffes.
Die drastische Erhöhung der theoretischen Biegefestigkeiten und Biegesteifigkeiten hat ihre Ursache natürlich nicht im Kompositaufbau der Sandwichstruktur. Jeder andere Werkstoff erfährt die gleiche Änderung seiner Festigkeiten mit zunehmender Dicke. Bemerkenswert ist hierbei jedoch der vernachlässigbare Gewichtsanstieg des Sandwichaufbaus.
Für die Verwendung als Kernschicht eignen sich neben den eingangs erwähnten leichten Holzarten wie Balsa mit einer Rohdichte von 50–300 kg/m³ vorrangig zellular-poröse Materialien. Hierzu zählen unter anderem auch Wabenstrukturen, welche im Möbelbereich derzeit vornehmlich eingesetzt werden. Als Material für den Wabenaufbau kommen hierbei Werkstoffe wie Papier, Kunststoff, Aluminium oder Aramid-Fasern, eine hochbelastbare Kunstfaser, zum Einsatz. Die Waben können eine quadratische, rechteckige, dreieckige oder gewellte Form haben.
Zellulare Struktur von Werkstoffen
Ein zellularer Werkstoff kann als Material beschrieben werden, dessen Dichte im Vergleich zu einem soliden Werkstoff deutlich herabgesetzt ist. Die zellulare Struktur ist durch das Vorhandensein von Hohlräumen somit als eine aus zwei Phasen bestehende Gas-Feststoff-Matrix zu charakterisieren (BRANNER, 1995, BRUNNER, 1995).
Vom geometrischen Standpunkt aus lässt sich eine zellulare Struktur durch Eckpunkte beschreiben, welche über Kanten verbunden sind. Diese umschließen eine Fläche, welche wiederum die Zelle einschließen (GIBSON und ASHBY, 1997). 1 zeigt eine Auswahl an Zellformen, wie sie in der Literatur verwendet werden, um Schäume anhand ihrer Zellformen zu modellie ren. Die reale Anzahl der dreidimensionalen Zellausbildungen ist bei weitem größer. Die meisten Schäume bilden ihren Aufbau augenscheinlich nicht nur aus identisch geformten Zellen, sondern beinhalten verschiedene Größen und Formen mit unterschiedlichen Kanten- und Flächenausprägungen. Doch auch zufällig aufgebaute Schäume folgen topologischen Regeln, durch die eine Beschreibung möglich wird. GIBSON und ASHBY, 1997, zeigen anhand mathematischer Überlegungen, dass die überwiegende Zahl der Zellen in einem Schaum, unabhängig von ihrer Zellform, Flächen mit fünf Kanten haben muss.
Der Einsatz von zellularen Werkstoffen in Leichtbaumaterialien ist eine logische Weiterentwicklung des Einsatzes leichter Hölzer, da ja auch der Werkstoff Holz aus einer zellularen Struktur aufgebaut ist. Die Art der Zellmatrix lässt sich nach GIBSON und ASHBY, 1997, in drei unterschiedliche Grundstrukturen unterteilen. Die einfachste ist die zweidimensionale Anordnung von Polygonen, die eine Ebene mit hexagonalen Formen ausfüllt, wie die Waben in einem Bienenstock. Sie werden daher als (Honig-)Waben (engl. honeycombs) bezeichnet. Üblicherweise begegnen uns solche Zellstrukturen jedoch als dreidimensionales Gefüge, welches dann als Schaum bezeichnet werden kann. Die Festigkeit eines solchen Gefüges entsteht durch die Verbindungen der Zellkanten. Hierbei stehen die Zelllumina durch die Öffnungen in den Wänden untereinander in Kontakt. Man spricht von einem offenzelligen Schaum oder Schwamm.
Besitzen die Zellgerüste geschlossene Wände, bilden diese neben den Kanten die Kontaktflächen der Zellkörper. Die Zelllumina stehen nicht im Kontakt und es findet kein Austausch von Zellinhalten statt. Solche Schäume werden als geschlossenzellig bezeichnet. Geschlossenzellige Schäume besitzen gegenüber offenzelligen eine hervorragende thermische Isolationsfähigkeit, eine ausgezeichnete akustische Absorptionswirkung und eine, abhängig von der Anwendung, überlegene Energieabsorption (GIBSON und ASHBY, 1997). http://www.unistuttgart.de:8020/lightstructures/
Materialien und Herstellung
Im Sektor der Leichtbauplatten besteht bereits heute ein breites Spektrum an Produktionsmethoden für die Herstellung von Sandwichplatten. Es werden vielfältige Qualitäten mit unterschiedlich ausgestalteten Oberflächen produziert. Für jeden Plattentyp existiert eine individuelle Herstellungsweise, die für sich gesehen die ökonomischste darstellt. Die Wirtschaftlichkeit hängt neben der geometrischen Ausbildungsform der Oberfläche, der benötigten Produktionsquantität und der Anzahl an Variationen, die die Produktion leisten kann, sehr stark von den Grundmaterialien des produzierten Werkstoffes ab (DAVIES, 2001). Die Halbzeuge des Decklagenmaterials sind als Rollen oder als Platten verfügbar. Die Kernmaterialien können entweder vorgefertigt verarbeitet oder in situ eingeschäumt werden.
Produktionsübergreifend kann der Prozess in zwei unabhängige Schritte unterteilt werden: Zum einen die Herstellung der Decklagen und zum anderen die Erzeugung der Mittellagen mit der Ausbildung einer Verbindung zwischen den beiden Schichten.
Wabenplatten
Ein aktuelles Leichtbaukonzept einer mehrschichtigen Komposit-Platte stellen Wabenplatten dar (2). Die Mehrlagigkeit entsteht aufgrund ihres geschichteten Aufbaus, der sich aus Decklagen aufbaut, welche einen inhomogenen Kern einschließen. Der Wabenkern kann auf vielfältige Arten ausgebildet sein und beispielsweise aus quadratischen, rechteckigen, dreieckigen oder gewellten Strukturen bestehen. Die geläufige Ausprägung ist eine hexagonale Zellform. Diese bildet in der Mittellage ein symmetrisches, sich wiederholendes Muster von Prismen, die aus Aluminium, Kunststoff, Keramik oder Papier hergestellt sein können. Für hohe Beanspruchungen, im Flugzeugbau oder in der Raumfahrt, werden auch Aramid- oder Glasfaserwaben verwendet. Um eine Imprägnierung oder eine erhöhte Hitzebeständigkeit herzustellen, werden viele Waben mit Harzen, üblicherweise Phenolharzen, getränkt (ZENKERT, 1997). Wabenplatten sind mit Dichten von 0,15–0,3 kg/m³ und einer maximalen Dicke von 100 mm erhältlich. Mit steigender Dicke verbessert sich durch die Vergrößerung der leichten Mittellage das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit, da die schweren Decklagen einen relativ kleineren Anteil an der Platte einnehmen. Die Wabenstruktur bietet exzellente mechanische Eigenschaften, eine hohe Druckfestigkeit senkrecht zur Decklagenebene und ein insgesamt gutes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit.
Die inhomogene Struktur des Kerns, in dem die Hohlräume einen Großteil der Strukturelemente ausmachen, ist Ursache für Schwierigkeiten in der praktischen Handhabung der Platten. Insbesondere in Bezug auf Schraubenverbindungen machen sich die großen Hohlräume negativ bemerkbar. PETUTSCHNIGG et al., 2005, entwickelten ein zweckmäßiges Verfahren um Schrauben mit Hilfe von Spezialdübeln in der Fläche zu fixieren. Für das Einschrauben in die Kanten konnte allerdings kein geeignetes Verfahren entwickelt werden. Die Schmalflächenbeschichtung ist eine weitere Herausforderung, da eine direkte Beschichtung der offenen Seitenflächen schwierig ausführbar ist. Über bei der Herstellung eingelegte Rahmenkonstruktionen, die die spätere Schmalkante darstellen, kann eine Beschichtung ermöglicht werden. Die Herstellung ist jedoch aufwändig und die einmalige Festlegung der Außenmaße ist bindend.
Neue Anlagen ermöglichen eine quasi-kontinuierliche Fertigung von Wabenplatten. Die Papierwaben werden fortlaufend expandiert und mit vorgefertigten Decklagen belegt. Auch diese Herstellungsweise verwendet innen liegende Rahmen, an denen die Platten aufgetrennt werden.
EIERLE, 2005, beschreibt Vor- und Nachteile der Rahmenbauweise. Der Massivholzrahmen wirkt sich einerseits vorteilhaft aus, da gängige Verbindungsmittel und Beschläge eingesetzt werden können, die direkt in den Rahmen geschraubt werden. Durch den Rahmen ist es möglich gebräuchliche Verfahren zur Oberflächen- und Kantenbearbeitung anzuwenden. Nachteilig stellen sich die hohen Kosten in der Fertigung und die Gebundenheit an eine rechteckige Bauteilform dar. Hinzu kommt, dass die Fertigung verfahrenstechnisch schwierig zu automatisieren ist, auch wenn erste Ansätze zu verzeichnen sind (BUSCHMEIER, 2006). Durch die Verwendung von Rahmen mit fixen Maßen, ist ein freier Zuschnitt aus großformatigen Rohplatten nicht möglich. Bei einer rahmenlosen Verarbeitung der Wabenplatten sind Kernfüllmassen im Bereich von Krafteinleitungspunkten oder Kanten unerlässlich. In jedem Fall muss die Verarbeitung den anisotropen Eigenschaften des Kerns angepasst sein.
Die Produktion von Wabenplatten ist an plane Oberflächen gebunden. Die positive Poisson-Zahl der meisten Wabenstrukturen lässt die Ausdehnung der Wabenstruktur nur unter Querkontraktion zu. Dadurch kann keine gewölbte Oberflächenform mit parallelem Seitenmaß produziert werden (ZENKERT, 1997). Abhilfe schaffen neuartige Wabenstrukturen, die eine negative Poisson-Zahl aufweisen.
Bei schwankenden Luftfeuchtigkeiten kann es, insbesondere bei der Verwendung von Papierwaben, durch die großen Hohlräume zu einem Kollabieren der Prismen mit einem vollständigen Festigkeitsverlust kommen. RAKUTT, 2003, äußert die Gefahr des ungewollten Eindringens von flüssigen oder gasförmigen Medien in die Wabenstruktur, was zu einer Schädigung des Bauteils von innen heraus führen kann.
Bei sehr dünnen Decklagen besteht die Gefahr des sog. "Telegraphing Effect". Hierbei erzeugt die Geometrie der Wabenstruktur ein analoges Muster auf der Oberfläche und muss meist aufwändig wieder entfernt werden. Die Anbindung des Kerns an die Decklagen bedarf einer sehr intensiven Produktionsüberwachung, da die Klebefläche sehr gering ist und so schon kleine Fehlstellen eine starke Strukturschwächung initiieren können. Doch auch bei optimaler Verklebung verfügt die aufgebrochene Struktur der Waben nur über eine geringe Kontaktfläche zur Decklage. In der Folge erreichen Wabenplatten mit etwa 0,15 kg/m³ einen in Relation zum Gewicht guten Wert, jedoch nicht das Querzugfestigkeitsniveau einer Standard-Möbelplatte von etwa 0,3 kg/m³ .
Aufgrund der eingeschlossenen Luftschicht besitzen Wabenplatten eine gute thermische Isolationswirkung. Diese ist jedoch abhängig von der Materialwahl der Kernschicht. Metallwaben besitzen durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls einen niedrigeren Wärmedurchgangswiderstand als Kunststoff- oder Papierwaben. ZENKERT, 1997, schreibt dem Abfall der Dichte im Kern durch größere Zellenvolumina eine größere Wirkung auf die Isolationsfähigkeit als der Zellform zu. Nicht-metallische Waben hingegen erhöhen ihre Isolationseigenschaften durch die Verkleinerung der Zellweite und somit der Erhöhung der Dichte.
Schaumkernplatten
Seit der Entwicklung der Polyurethane in den 1960er Jahren bietet sich dem Prinzip Leichtbau eine neue Dimension an Werkstoffen, die ein geringes Gewicht mit einer thermischen und akustischen Isolation kombinieren. Mittlerweile haben sich neben den Polyurethanen eine Reihe weiterer aufschäumender Polymere etabliert. Der Aufbau der Schaumkernplatten entspricht dem der Wabenplatten, hingegen ist der Kern aus einem homogenen zellularen Material (3). Durch die weitgehend isotropen Eigenschaften der Mittellage kann eine Bearbeitung unabhängig von der Richtung erfolgen. Der Schaumkern bildet im Gegensatz zum Wabenkern keine bis sehr kleine zellulare Hohlräume aus.
Durch die völlige Ausschäumung der Mittellage kommt es zu einer vollflächigen Verbindung zwischen dem Kern und der Decklage.
Der Schaumkern kann im Produktionsprozess direkt zwischen die Decklagen eingespritzt werden. Die Verklebung mit den Decklagen stammt dann aus dem Aufschäumprozess, da der Schaum in dieser Phase äußerst klebrig ist. In diesem Fall kann auf eine separat aufgebrachte Klebefuge verzichtet und somit ein Arbeitsschritt eingespart werden. Die Produktion kann auch mit vorgefertigten Schaumstoffplatten erfolgen. Diese werden mit den ebenfalls vorgefertigten Decklagen in einem gesonderten Prozessschritt verklebt. Eine kontinuierliche Produktion ist nur mit Decklagenmaterialien möglich, die abgewickelt und dem Herstellungsprozess quasi-endlos zugeführt werden können.
In 4 ist der Produktionsablauf einer kontinuierlichen Schaumkernplatten-Herstellung zu sehen. Die Decklagen werden in die Fertigungslinie abgewickelt. Nach einer optionalen Profilierung der Oberfläche werden die späteren Decklagen erhitzt um die chemische Reaktion beim Einbringen des Kunststoffes zu optimieren. Der mehrkomponentige Schaum wird direkt zwischen die Decklagen gespritzt und läuft in eine Doppelbandpresse ein. Die isochore Begrenzung lässt den Endlosstrang auf eine vordefinierten Dicke expandieren und in der anschließenden Kühlsektion aushärten. Die Produktion verläuft relativ langsam, da der Schaum seinen aktivierten Zustand durch Unterschreiten einer Grenztemperatur überwunden muss, bevor er die Kühlzone verlässt.
DAVIES, 2001, sieht einen Nachteil in holzhaltigen Decklagen, da diese aufgrund der Abhängigkeit von vorgefertigten Platten, lediglich in festgelegten Maßen produziert werden können. Somit eignen sie sich nicht für eine kontinuierliche Produktion.
Als Vorteile von Schaumkernplatten gegenüber Wabenplatten ergeben sich nach RAKUTT, 2003, folgende Gründe: Durch die Homogenität der Kernstruktur kann die Bearbeitung entweder spanend, umformend oder urformend erfolgen. Krafteinleitungspunkte müssen nicht durch das Einbringen von Füllmassen oder Rahmenteilen gesetzt werden, sondern der vollständige Kern kann zur Befestigung, z.B. durch Schrauben oder Federn, genutzt werden.
Da die Anbindung des Kerns über die gesamte Fläche erfolgt, findet kein Abzeichnen eines Oberflächenmusters statt. Eine aufwändige Nachbearbeitung entfällt daher. Außerdem kann während weiterer Prozessschritte an jedem Punkt der Platte ein gleich hoher Druck aufgebracht werden. Die Bearbeitung der Schaumkernplatte kann aufgrund des isotropen Charakters des Kernmaterials richtungsunabhängig erfolgen, da die mechanischen Eigenschaften ebenso isotrop sind.
Durch die Verwendung eines geschlossenzelligen Schaums ist die Wasseraufnahmefähigkeit des Kerns stark reduziert. Das macht die Schaumkernplatten unempfindlicher gegen Luftfeuchtigkeitswechsel oder das ungewollte Eindringen von Flüssigkeiten.
Die Produktion von geometrisch anspruchsvolleren Formen ist ohne weiteres möglich, da sich der Schaum der Decklagenausprägung anpasst. Da auf den sonst notwendigen Klebfilm zwischen dem Kernwerkstoff und den Decklagen verzichtet werden kann, reduziert sich der Fertigungsaufwand deutlich (RAKUTT, 2003).
Entwicklung des Prozesses
Ziele
Die derzeitige Entwicklung der Marktanteile von Leichtbauwerkstoffen lässt mittelfristig auf ein weiteres Wachstum schließen. Die gesteigerte Nachfrage lässt sich allerdings nur sehr bedingt mit den aktuellen Produktionszahlen und -prozessen in Einklang bringen. Ziel muss es von daher sein, einen Prozess zu entwickeln, der in der Lage ist, eine gesteigerte Nachfragerschicht auf einem angemessenen Preisniveau bedienen zu können. Gleichfalls soll der Prozess flexibel genug sein, um auf veränderliche Situationen reagieren zu können.
Die Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung von Leichtbauplatten sollte somit eine Grundlage für zukünftige Leichtbauprodukte bilden. Die Idee basiert auf dem Konzept mehrere Prozessschritte in einen einzigen Prozessschritt zu vereinen. Die Herstellung von Sandwich-Verbundelementen ist aus der Technik bekannt. Diese können entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich hergestellt werden, wobei bei letzterem die Decklagen bereits vorher in einem gesonderten Prozess gefertigt wurden.
Diskontinuierliche Verfahren bringen mit sich, dass nicht endlos zuführbare Decklagen, wie dünne Span- oder MDF-Platten, zusammen mit der oder den Mittellagen, zu mehrlagigen Elementen verbunden werden können. Die Decklagen werden dabei einzeln und vorformatiert mit bereits vorgefertigten Mittellagen in einem kalten Pressvorgang verklebt, so dass ein mindestens dreischichtiger Aufbau entsteht. Es sind folglich zur Herstellung mindestens drei getrennte Prozesse notwendig, Herstellung der Decklagen, Herstellung der Mittellage und Verbindung von Decklagen und Mittellage.
Kontinuierliche Verfahren können entsprechend bei endlos zuführbaren Materialien, wie Folien oder Papieren eingesetzt werden. Methoden sind aus DE 1609668 A (JUNGBLUT et al., 1972) oder DE 1247612 A (SÜLLHÖFER, 1965) bekannt. Hierbei wird die Mittellage kontinuierlich direkt zwischen zwei Deckschichten eingebracht, welche dann gemeinsam eine Doppelband-Heißpresse durchlaufen. Im Durchlauf durch die kontinuierliche Presse wird der Aufschäumprozess durch das oben und unten mitlaufende Band isochor begrenzt, um die vordefinierte Plattendicke zu erzielen. Sobald der Aufschäumprozess beendet ist und sich eine selbst stützende Matrix in der Mittellage ausgebildet hat, kann die Sandwichplatte formatiert werden. Das kontinuierliche Verfahren bedeutet gegenüber dem diskontinuierlichen Verfahren eine Reduktion von drei auf zwei Prozessschritte.
Aufgabe dieser Arbeit ist es, die Vorteile des diskontinuierlichen (dreistufigen) und kontinuierlichen (zweistufigen) Verfahrens zu kombinieren und eine Methode bereitzustellen, die es erlaubt, Sandwichelemente in einem einstufigen Prozess herzustellen, wobei die Decklage aus lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterialien besteht und die Ausbildung der Decklage jedoch unmittelbar vor dem Expandieren der Mittellage innerhalb des Herstellungsprozesses erfolgt.
Bei der hier vorliegenden Erfindung wird das Deck- und Mittellagenmaterial gemäß der Standardverfahren für Holzwerkstoffplatten gestreut. Dieses kann in einzelnen Schichten geschehen, d.h. es werden nacheinander Decklage, Mittellage und wieder Decklage gestreut, oder die Mittellage wird nach dem Streuen der beiden Decklagen durch einen Keil eingebracht, der die Matte horizontal auftrennt und am hinteren Längsende eine Einbringvorrichtung für die Bildung der Mittellage besitzt. Ein ähnlicher Keil wird heute bereits für das Einbringen von Wasserdampf in Fasermatten im Trockenverfahren eingesetzt.
Die so gestreute mehrschichtige Matte wird in eine kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitende Heißpresse eingefahren. Ein durch die Heißpresse aufgebrachter hoher Anfangsdruck komprimiert die mehrschichtige Matte, wobei sich in den Decklagen eine hohe Dichte ausbildet. Die noch nicht expandierte Mittellage bildet dabei eine Trennschicht zwischen den zwei bereits gebildeten Deckschichten. Nachdem die Deckschichten ausgebildet sind, hat die Mittelschicht die Aktivierungstemperatur des Kunststoffs erreicht, und dieser beginnt zu expandieren. Die Presse wird nun auf die vordefinierte Zieldicke gefahren. In dieser Position wird die Sandwichplatte so lange isochor gehalten und abgekühlt bis der Kunststoff in der Mittelschicht seine aktive Temperatur unterschritten hat und keine weitere Expansion mehr stattfindet bzw. keinen Druck mehr ausübt.
Material
In diesem Abschnitt sollen die in den Versuchen verwendeten Rohstoffe sowie die Vorbehandlung derselben vorgestellt werden. Zusätzlich wird anhand der Kriterien für das Mittellagenmaterial eine Charakterisierung des zu wählenden Rohstoffs gegeben und das auf dieser Basis gewählte Material vorgestellt.
Decklagenmaterial
Grundlage der Idee des Prozesses war die Einbettung/Anlehnung in/an bestehende Holzwerkstoffprozesse. Dies war die Voraussetzung um ein neu entwickeltes Verfahren in einer späteren Implementierung im industriellen Maßstab wirtschaftlich einsetzen zu können. Daher war von Anfang an der Rohstoff Holz in Form von Holzfasern oder Holzspänen als Decklagenmaterial. Da in diesem Stadium der Versuche das Hauptaugenmerk eher auf die grundsätzliche Machbarkeit des Prozesses gerichtet war, fiel die Wahl des Decklagenmaterials auf ein Standardprodukt der Holzwerkstoffindustrie. Auch die Vorbehandlung, d.h. die Konditionierung und Beleimung der Fasern bzw. der Späne, erfolgte nach einem gebräuchlichen Beleimschema. Dadurch konnte sichergestellt werden, dass die Decklagen aller Platten auf der gleichen Grundlage hergestellt wurden.
Mittellagenmaterial
Einer der entscheidenden Punkte im Rahmen dieser Arbeit war die Ermittlung und die Erprobung eines Mittellagenmaterials, welches eine Integration des Herstellungsprozesses unter den gegebenen Voraussetzungen in einer bestehenden kontinuierlichen Holzwerkstoffproduktion ermöglicht.
Kriterien für das Mittellagenmaterial
Der Wahl eines geeigneten Mittellagenmaterials gingen zahlreiche Überlegungen voraus, in deren Summe sich ein Eigenschafts- und Anforderungsprofil widerspiegeln sollte. Durch diese Charakterisierung sollte im Vorfeld eine Eingrenzung getroffen werden, die die Auswahl eines zweckmäßigen Rohstoffs ermöglicht.
Grundgedanke aller Überlegungen war die Bildung der leichten Mittellage während des Prozesses. Diese sollte in einem Verfahrensschritt direkt nach dem Ausbilden der Decklagen in der Presse entstehen. Das Mittellagenmaterial musste also durch einen äußeren Parameter, wie Temperatur oder Feuchtigkeit, eine Dimensionsänderung erfahren können. Wichtig hierbei war die starke Fixierung auf eine definierte Aktivierung in der Heißpresse. Ein Ausdehnen vor dem Presseneinlauf sollte in jedem Fall vermieden werden. So konnte die Aktivierungsart bereits zu diesem Zeitpunkt festgelegt werden. Da jede Art von chemischer Expansion nach dem Zusammenbringen der Reaktionspartner startet, konnte für die Expansion, durch die in der Heißpresse vorherrschenden Bedingungen, nur eine thermisch- oder feuchtigkeitsindizierte Aktivierung in Frage kommen. Die Expansionsfähigkeit im Prozess war die Basis aller weiteren Kriterien. Die Vergrößerung des Volumens impliziert im Allgemeinen die Verringerung der Dichte. So war eine geringe Dichte nach der Expansion für die Zielvorstellung einer leichten Sandwichplatte maßgeblich.
Um die notwendigen Festigkeiten zu erreichen, muss der Werkstoff in Relation zum Gewicht über gute spezifische mechanische Eigenschaften verfügen. Für den Kern bedeutet dies ein gewisses Maß an Schubfestigkeit, da die vorherrschenden Scherkräfte in der Mittellage am größten sind. Da es die Aufgabe des Kernmaterials ist, die Decklagen in einem definierten Abstand zu halten, muss der Kern nach dem Aushärten in der Lage sein, Druckkräfte aufnehmen zu können.
Die Produktion des Sandwichmaterials soll in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt werden können. Da der Verbindung von Deck- und Mittellage eine besondere Bedeutung für die Festigkeit der Platte zukommt, muss die Verklebung sehr sorgfältig ausgeführt werden. Das geschieht entweder durch einen Klebstoff, der die Einzellagen miteinander verbindet oder durch die Adhäsionskraft der Mittellage selbst. Die Applikation eines Klebstoffes während des Pressenvorgangs scheint verfahrenstechnisch problematisch. Daher ist es notwendig, dass die Mittellage vor, spätestens jedoch während, der Expansion so viel eigene Adhäsionskraft entwickelt, dass eine ausreichende Verklebung mit den Decklagen stattfindet.
Der neu zu entwickelnde Prozess für die Herstellung von Leichtbauplatten soll aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten idealer Weise auf bestehenden Produktionsanlagen in der Holzwerkstoffindustrie eingesetzt werden können. Um die Integrierbarkeit des Materials in den neu entwickelten Prozess zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass das Material faserähnliche Eigenschaften aufweist. Das bedeutet, die Handhabung vor und während des Applizierens sollte den gegenwärtig verwendeten Rohstoffen gut entsprechen. Der Streuprozess der beleimten Fasern vor dem Presseneinlauf müsste im Idealfall lediglich um eine Auftragsprozedur erweitert werden. Voraussetzung hierfür ist eine Streufähigkeit des Mittellagenmaterials. Alternativ wäre das Aufbringen eines niedrigviskosen Mediums denkbar, welches zwischen den gestreuten Decklagenvliesen aufgetragen wird.
Beim Einlauf in die Heißpresse findet eine starke Verdichtung der Decklagen statt. In dieser Phase ist die Mittellage noch inaktiv. Erst nach Aktivierung durch einen der zuvor genannten Parameter beginnt eine Expansion. Die Pressdrücke erreichen im ersten Drittel der Presse bis zu 4,5 N/mm². Das eingebrachte Material muss in der Lage sein, diesen Pressdruck unbeschadet zu überstehen, damit es zu keiner Schädigung kommt, durch die eine spätere Reaktion schlimmstenfalls verhindert wird.
Faserstoffe sind in der Lage flüssige Stoffe zu absorbieren. Bei Verwendung eines flüssigkeitsbasierten Mediums besteht die Gefahr eines Wegschlagens. Hierbei benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche der Faser und wird von dieser aufgenommen. Auch können die Zwischenräume der Fasern Flüssigkeiten durch Kohäsionskräfte so umverteilen, dass diese sich nicht mehr an dem vorgesehenen Ort im Faservlies befinden. Aufgrund des durch die Presse aufgebauten Pressdrucks ist es möglich, dass Mittellagenmaterial in die Decklagen wegschlägt und sich zwischen den Fasern einlagert. Die Ortsgebundenheit während des Durchlaufs durch die Heißpresse ist also bedeutsam, damit keine Verschiebungen in der Fasermatrix stattfinden.
Ein durchschnittlicher moderner Pressvorgang für eine Standard-MDF-Platte (19 mm) dauert bei einem Presszeitfaktor von 10 s/mm in der Regel etwa drei Minuten. Während dieser Zeit erfolgen mit der Verdichtung der Holzpartikel, die Plastifizierung des Leimes und die Kalibrierung der kompaktierten Platten. Es ist offensichtlich, dass die Herstellung der mehrschichtigen Platten mehr Zeit beansprucht, als die Produktion eines Holzwerkstoffes, der aus lediglich einem Material besteht. Dennoch muss sich insbesondere die Aushärtung der Mittellage in einem adäquaten zeitlichen Rahmen bewegen. Da die Platte solange in einem isochoren Zustand verbleiben muss bis keine Ausdehnung mehr stattfin det, müssen sie entweder solange in der Presse verbleiben oder in eine Form überführt werden. Beide Varianten sind unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten kaum tragbar. Schaumsysteme brauchen beispielsweise unter Umständen mehrere Stunden bis sie soweit inaktiv sind, dass keine weitere Expansion mehr zu erwarten ist. Insbesondere für eine kontinuierliche Produktion bedeutet dies eine sehr große verfahrenstechnische Herausforderung. Die Aushärtungszeit ist ein weiteres Kriterium welcher ein Kernmaterial genügen muss.
Die industrielle Produktion von Holzwerkstoffen, insbesondere die kontinuierliche, erfolgt in Großanlagen, die Gesamtlängen von über 50 m erreichen können. Die Größe dieser Systeme macht eine vollkommene Absaugung freigesetzter Dämpfe sehr aufwändig. So sind Materialien auszuschließen, die während der Produktion gesundheitsschädliche Dämpfe freisetzen. Ebenso sind davon Materialien betroffen, die nach der Produktion bedenkliche Stoffe emittieren. Dem zu wählenden Material muss eine gesundheitliche Unbedenklichkeit bescheinigt werden können.
Durch wechselnde Umgebungszustände der Leichtbauplatte in der Anwendung müssen die verwendeten Materialien in der Lage sein, nicht nur mechanischen Anforderungen zu genügen, sondern auch leichten Klimaschwankungen problemlos standhalten können. Das bedeutet, dass die Materialien eine gewisse Beständigkeit gegenüber Luftfeuchtigkeitsschwankungen aufweisen müssen. Das wird besonders deutlich am Beispiel von Wabenplatten, die einen Kern aus Papierwaben besitzen. Das Papier hat eine höhere Hygroskopizität als die hochverdichtete Decklage, die durch die Heißpressung in gewissem Maße eine Sorptionsvergütung, also eine Herabsetzung der Gleichgewichtsfeuchte, erfahren hat (KOLLMANN und SCHNEIDER, 1963). Das Mittellagenmaterial sollte höchstens eine Hygroskopizität besitzen, die den Decklagen gleichkommt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Kern nicht im Speziellen Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und dadurch das Bauteil von innen heraus schwächt.
Da nicht vorhergesagt werden kann, wie zukünftige Einsatzbereich einer neu entwickelten Platte zu definieren sein werden, werden im Folgenden Eigenschaften beschrieben, die nicht Grundlagen für die Produktion der Platten sind, jedoch aber wünschenswert für ein breites Anwendungsspektrum erscheinen.
Um eine Kompatibilität mit anderen Materialien oder die Einsatzmöglichkeit in unterschiedlichen Bereichen zu gewährleisten ist eine chemische Verträglichkeit des Kernmaterials zu erstreben. Insbesondere sei hier die Verträg lichkeit mit den in der Plattenproduktion vorherrschenden leicht sauren pH-Bereichen zu nennen.
Eine Eigenschaft, die man bei der Verwendung der meisten sehr leichten Materialien quasi nebenher erzielt, ist die niedrige Wärmeleitfähigkeit. In Wabenplatten wird die Isolation durch die große Menge an eingeschlossener Luft erreicht, die an sich über eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit verfügt. Im Falle von schaumbasierten Platten, wird der Effekt über die zellulare Struktur und damit letztendlich auch über eingeschlossene Luft oder andere Gase erlangt.
Zellulare Werkstoffe besitzen die Fähigkeit Schallwellen zu absorbieren. Insbesondere flexible Schäume sind in der Lage, eintreffende Schallwellen aufzunehmen und in Wärme zu wandeln (GIBSON und ASHBY, 1997). Die Kraft der Schallwellen ist dabei aber äußerst gering, so dass der Temperaturanstieg vernachlässigbar ist. Schäume werden beispielsweise im Möbelbau meist nicht aufgrund ihrer Qualitäten in der Schallabsorption gewählt, jedoch kann diese Eigenschaft eine sekundäre Rolle spielen.
Expancel^®-Mikrosphären
Die von der schwedischen Firma Expancel, Inc. unter dem Handelsnamen Expancel^® hergestellten Mikrosphären sind sphärische Kunststoffhohlkügelchen. Die Mikrosphären bestehen aus thermoplastischen Hüllen, die ein flüssiges Treibmittel einschließen. Die wichtigste Aufgabe der Hülle ist die Einkapselung des Treibmittels, hier Isobutan (C₄H₁₀). Die Hülle besteht je nach verwandtem Typ aus Co-Polymeren von Acrylnitrit (CH₂=CH-CN) oder Vinylidenchlorid (H₂C=CCl₂). Im unexpandierten Zustand messen die Kügelchen durchschnittlich 10–40 μm im Durchmesser. Das ergibt dem äußeren Anschein nach ein sehr feines weißes Pulver. Werden die Mikrosphären erwärmt, beginnt die thermoplastische Hülle zu erweichen, während gleichzeitig das Treibmittel beginnt zu vergasen und sich auszudehnen. Der entstehende Druck führt zu einem symmetrischen Ausdehnen der Partikel in alle Richtungen. Gleichzeitig führt die erweichte Hülle zu einem Verkleben der individuellen Sphären sowohl untereinander als auch mit anderen Oberflächen. Dieser Prozess ist ein empfindliches Gleichgewicht zwischen dem Erweichen der Hülle und der Ausdehnung des Treibgases und wird durch folgende Faktoren beeinflusst (JÖNSSON, 2006):

• Polymermischung der thermoplastischen Hülle
• Art des Treibmittels
• Art der Chemikalien, mit denen die Mikrosphären in Kontakt treten
• Umgebungsdruck
• Freie Expansion oder eingebettet in einer Matrix
• Art der Matrix
• Erhitzungsgeschwindigkeit

Während der Expansion vergrößert sich der Durchmesser der einzelnen Mikrosphären von 10–40 μm auf 40–150 μm. Einhergehend mit der korrespondierenden Volumenzunahme um das 40 bis 60-fache bedeutet dies eine extreme Abnahme der Dichte. Die Ausgangsdichte des weißen Pulvers reduziert sich von etwa 1100 kg/m³ auf etwa 30 kg/m³ nach vollständiger Expansion. Der Temperaturbereich der Expansion ist stark abhängig von dem gewählten Mikrosphärentyp.
So beginnt die Expansion bei dem in diesen Versuchen verwandten Typ DU 551-40 bei 95–100°C (t_start) und erreicht ihr Maximum bei etwa 139–147°C (t_max). Eine weitere Erwärmung führt zu einer Abnahme der Expansionsintensität und schließlich zu einem Schrumpfen der Partikel durch die Zerstörung der Barrierenwirkung der Mikrosphärenhülle (5). Die Fixierung des expandierten Schaums erfolgt durch ein Erstarren der Polymermatrix infolge des Abkühlprozesses.
Expandierbare Mikrosphären werden bereits in den verschiedensten Bereichen eingesetzt. So kann ein Zusatz von Expancel in den Stoffauflauf der Papier- und Pappenherstellung eine bis zu 24%ige Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit durch verbesserte Fließeigenschaften bei gleichzeitiger Volumenzunahme ermöglichen (SÖDERBERG und ROSSKOTHEN, 2003).
In dieser Arbeit wurden Expancel^®-Mikrosphären vom Typ DU-551-40 verwendet. Es handelt sich dabei um einen Mikrosphärentyp, der unexpandiert in trockener Pulverform geliefert wird ("dry unexpanded") und einen mittleren Durchmesser von etwa 40 μm nach der Expansion aufweisen sollen. Der Durchmesser der expandierten Mikrosphären erreichte in zahlreichen Fällen ein Vielfaches des angegbenen.
Aufgrund der deformierbaren Hülle erfolgt auch bei stärkerer Kompression kein Bruch der thermoplastischen Außenhaut (ROSENBUSCH und HOLCOMB, 2003). Allgemein werden den expandierten Mikrosphären mechanische Eigen schaften zugeschrieben, die denen anderen polymerischer Schaumsysteme mindestens vergleichbar und zudem vorhersagbar sind (WHINNERY et al., 2000). RANGART et al., 2006 beschreiben eine weitere Verbesserung der Eigenschaften unter Zugabe von Nanopartikeln, wie Siliciumcarbid (SiC; ∅ ~30 nm) oder Siliciumdioxid (SiO₂; ∅ ~15 nm).
Die geringe Dichte der Expancel^®-Mikrosphären, die Eigenschaft also, die Grundlage der positiven Gewichtseigenschaften ist, kann dazu führen, dass die Mikrosphären beim Applizieren zu stauben beginnen. Die Folge ist einerseits eine Verteilung, die nicht der gewünschten Auftragsform entspricht, andererseits die erhöhte Konzentration an Mikrosphären in der Luft. Dies resultiert in einer gesteigerten Arbeitsplatzbelastung an feinstaubigen Partikeln und kann unter Umständen zu einer erhöhten Staubexplosionsgefahr führen.
Die Expancel^®-Mikrosphären besitzen durch das Vorhandensein des Treibmittels Isopentan bzw. Isobutan eine erhöhte Feuergefährlichkeit, da das Treibmittel durch den geschlossenzelligen Charakter in den Mikrosphären verbleibt. Eine Verbesserung der Feuergefährlichkeit durch Zugabe von Additiven ist beispielsweise in den US-Patenten US 5453453 und US 2004/0102534 A1 beschrieben.
Miniatur-Heisspresse 'ipates'
Die Miniatur-Heißpresse 'ipates' (integrated pressing and testing system) wurde am Institut für Holzphysik der Universität Hamburg entwickelt (Roos, 2000). Ursprünglich konzipiert um die Festigkeitsentwicklung beleimter Holzfasermatten während des Pressvorgangs im Labormaßstab nachzuvollziehen, kann dieses System anhand vordefinierter Parameter den Pressvorgang einer industriellen Taktpresse sehr gut simulieren. Das beleimte Fasermaterial wird hierbei manuell in einen Presszylinder mit 100 mm Durchmesser gestreut 6. Zusammen mit den vorgeheizten Pressblechen wird der Zylinder in die Pressvorrichtung eingehängt und der Pressvorgang nach einem vorgegebenen Programm durchgeführt. Anhand der Pressensteuerung über die MTS-Software ist es möglich, die 'ipates' nach einem druck- oder distanzbasierten Pressprogramm zu regeln. Für die Versuche in dieser Arbeit wurde die Presse auf Distanz gefahren.
Als Temperatur wurde nach den Simulationen mit 'Virtual Hot Press' für beide Pressbleche (oben und unten) 150°C gewählt. Der Druckverlauf entwickel te sich ausschließlich nach dem sich aufbauenden Gegendruck des Faser-Pulver-Gemisches und wurde steuerungstechnisch nicht beeinflusst. Je nach Menge des zu verdichtenden Materials wurde die Anfangs-Zieldicke zur Herstellung der Decklagen experimentell ermittelt. Durch die Variationsbreite der finalen Zieldicken wurden sehr unterschiedliche Fasermengen eingestreut, die naturgemäß unterschiedliche Verdichtungsdistanzen für eine untereinander vergleichbare Decklagendichte verlangen. Hierbei war eine Zielrohdichte von etwa 750–800 kg/m³ vorgegeben.
Nach erfolgter Verdichtung und Aushärtung der Decklagen wurde die Presse zeitlich gesteuert auf die Zieldicke geöffnet. Die Mittelschicht hatte mittlerweile die Aktivierungstemperatur der Expancel^®-Mikrosphären erreicht und diese begannen zu expandieren. Durch den Presszylinder wurde die Expansion zu den Seiten hin begrenzt und das Aufschäumen erfolgte in axialer Richtung der Presse. Dadurch wurden die verdichteten Decklagen wiederum gegen die Pressbleche gedrückt, und der sich beim Öffnen der Presse abgebaute Pressdruck baute sich wieder auf, während die Distanz gehalten wurde.
Der durch die Hitze noch aktive und einen Druck ausübende Schaum verlangte, dass die Temperatur unter die Aktivierungstemperatur heruntergekühlt werden musste, bevor die Presse geöffnet werden konnte. Durch das Fehlen einer eingebauten Rückkühlung in der 'ipates' konnte die Temperatur nur äußerlich nur das Abführen der Stauhitze um den Presszylinder beschleunigt werden. Anfängliche Versuche beschränkten sich lediglich auf das Warten bis die geforderte Mindesttemperatur unterschritten war. Ein wenig Zeitersparnis schaffte ein Ventilator, der durch einen stetigen Luftstrom in der Lage war, die Kühlzeit von etwa 45 Minuten auf 20 Minuten zu reduzieren. Eine akzeptable Kühlzeit von etwa zwei bis vier Minuten lässt sich jedoch nur mit einem integrierten Öl- bzw. Wasserkühlkreislauf erzielen. Das hätte einen umfangreichen Umbau der Pressanlage bedeutet und war so im Rahmen dieser Arbeit nicht zu bewerkstelligen.
Simulation
Der praktische Einsatz eines neu entwickelten Verfahrens setzt voraus, dass bereits im Vorfeld der Versuche die einflussreichen Parameter näher untersucht und beleuchtet werden. Größen, die für die Ausbildung der gewünschten Zielvorstellung korrespondierend und gegenläufig agieren, müssen aufeinander abgestimmt werden. In dieser Arbeit wurden Werkstoffe kombiniert, die auf diese Art und Weise noch in keinem bekannten Prozess zusammengebracht worden sind.
Seitens der Decklagen mit der verwendeten Faser-Kunstharz-Matrix konnte einerseits auf den guten internationalen Kenntnisstand, andererseits auf spezielle Erfahrungen und Entwicklungen am Zentrum Holzwirtschaft der Universität Hamburg zurückgegriffen werden. Die Kombination der bekannten Faser-Kunstharz-Matrix mit den Expancel^®-Mikrosphären war jedoch schwierig zu simulieren, da hierfür keine Modellvorstellungen bestehen, so dass ein Großteil der Entwicklung empirisch im Labor durchgeführt werden musste.
Für die Entscheidung über wichtige Pressverläufe mussten Prognosen bezüglich einiger Parameter getroffen werden, die einen verfahrenstechnischen Einfluss besitzen. Dies sind unter anderen die Temperatur und die Pressdruck- und Dichteentwicklung. Diese wurden zum einen anhand von Literaturdaten erhoben, zum anderen aufgrund eigener Simulationen ermittelt.
Durch die gewonnenen Prozessparameter anhand des Simulationsprogramms VirtualHotPress (VHP) konnten wichtige Voraussagen über das Verhalten der eingesetzten Materialien während des Prozesses gewonnen werden.
Bestehende Simulationsprogramme sind auf das homogene Material der zu pressenden Holzwerkstoffmatte ausgelegt. Daher wurde die inhomogene Mehrlagigkeit der Sandwichstruktur virtuell aus der Simulation abgeleitet. Das sich während des Pressvorgangs bildende Rohdichteprofil, das meist die Form eines M aufweist, wurde dafür in zwei Hälften, entsprechend den Deckschichten, geteilt (7). Das ist möglich, da die pulverige Mittellage während des ersten Verdichtungsvorgangs zur Formung der Decklagen lediglich eine Dicke von wenigen Millimetern aufweist und, da sie zu diesem Zeitpunkt nicht aktiv an der Plattenbildung beteiligt ist, keinen direkten Einfluss auf die Decklagenbildung hat.
Die Simulation eines Pressvorgangs erzeugt neben einer Vorhersage des zu erwartenden Rohdichteprofils der Platte auch einen Eindruck der Wärme- und Massenströme während des Heißpressens. STEFFEN et al., 2001 beschreiben, dass die Daten, die als Grundlage der Simulation dienen, ihren Ursprung sowohl in empirischer als auch statistischer Natur haben können. Die Prozesssimulation in dieser Arbeit konzentriert sich auf Simulationen des ersten Typs.
VirtualHotPress
Zur Beschreibung von Heißpressvorgängen in Holzwerkstoffmatten wurde an der Universität Hamburg in Zusammenarbeit mit der Oregon State University das Programm Virtual Hot Press (VHP) entwickelt. Das Programm erlaubt die Simulation und die Visualisierung von Prozessparametern für die kontinuierliche und diskontinuierliche Herstellung von Holzwerkstoffen.
Im Rahmen dieser Arbeit eignete sich das Programm für die Simulation der erforderlichen Einstellungen von Temperatur und Pressdruck während des Pressvorgangs. Hierbei musste beachtet werden, dass die Darstellung der Parameter sich lediglich auf den Holzwerkstoffanteil, also die Decklagen der hergestellten Platten bezieht. Dadurch war es jedoch möglich Vorhersagen zu treffen, die als Grundlagen für die Gestaltung des weiteren Prozesses dienen konnten. Eine vollständige Simulation inklusive der Ausbildung der Mittellage erlaubt das Programm nicht.
Simulation des Temperaturverlaufes
Für die Versuche dieser Arbeit wurde die Holzwerkstoffmatte mittig um eine Lage erweitert. Das eingebrachte Mittellagenmaterial musste im Stande sein, das Heißpressen der umgebenden äußeren Schichten ohne Beeinträchtigung zu überstehen. Während des Heißpressvorgangs geht die Hitze der Pressplatten auf die Holzwerkstoffmatte über. Durch den Anstieg der Temperatur auf über 100°C im Faservlies findet eine Erweichung der Inhaltsstoffe des lignocellulosehaltigen Fasermaterials statt, die eine kontinuierliche Verformbarkeit der Fasern gestatten. Diese rheologischen Vorgänge ermöglichen eine starke Komprimierung. Die Hitze führt zur Plastifizierung des auf den Fasern befindlichen Kunstharzes und dadurch zu einer Verklebung der Einzelfasern untereinander. Die anschließende Abkühlung sorgt für den Abschluss der Kondensationsreaktionen und die Aushärtung des Harzes (DUNKY und NIEMZ, 2002). Das Produkt ist eine hoch verdichtete Holzwerkstoffpatte.
Die Ermittlung des Temperaturverlaufs in der Mittellage der Platte ist von großer Bedeutung für den Verlauf des Prozesses. Hierüber wird bestimmt, wann der Zeitpunkt erreicht ist, an dem das UF-Harz in den Decklagen soweit reagiert hat, dass die Bildung der Decklagen als abgeschlossen betrachtet werden kann. An diesem Punkt muss in der Mittellage die Aktivierungstemperatur der Expancel^®-Mikrosphären erreicht sein. Damit beginnt die Expansion des Kunststoffes.
Um eine Volumenzunahme überhaupt zuzulassen, muss spätestens an diesem Zeitpunkt die Presse geöffnet und auf die vordefinierte Zieldicke gefahren werden. Das bedeutet, dass die Festlegung des Pressprogramms in erster Linie über die Temperaturentwicklung in den einzelnen Schichten der Platte erfolgt. Insbesondere der Temperaturverlauf in der Mittellage kann somit als wichtige Erkenntnis der Simulation angesehen werden.
Der Anstieg der Temperatur in der Mattenmitte ist eine Funktion der Plattentemperatur. Je höher die Temperatur der Heizplatten, desto schneller erfolgt der Aufwärmungsprozess der innen liegenden Schichten (HAAs, 1998, THÖMEN et al., 1999; ZOMBORI, 2001, THÖMEN und HUMPHREY, 2006). Eine Zunahme der Feuchtigkeit des zu pressenden Faservlieses steigert die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur die inneren Schichten durchdringt.
Die Ursache ist der so genannte Dampfstoßeffekt. Das Wasser in den heizplattennahen Schichten des Vlieses siedet und verdampft. Das entstehende Dampfdruckgefälle bewirkt ein Fortschreiten des Dampfes in die Mattenmitte, wo der Dampf kondensiert und dort zu einem vorübergehenden Stillstand der Temperaturzunahme führen kann (BOLTON et al., 1989). GEFAHRT, 1977, brachte das Modell einer Siedewelle mit konstanter Temperaturverschiebung auf, das diesen Effekt beschreibt. Dieses Modell wird in der Literatur aber kritisch diskutiert. Zu vermuten ist, dass sich die Temperatur des Dampfes auf dem Weg durch die Schichten ändert. 8 zeigt schematisch die Wärme- und Massenströme während des Heißpressvorgangs. Die durch den Dampfstoß initialisierte konvektive Wärmeübertragung ist sehr zügig und bewirkt ein schnelles Aufheizen der mittleren Schichten der Matte. Die Aufheizung stoppt bei knapp über 100°C, der Maximaltemperatur des freien Wassers unter den in der Platte vorherrschenden Druckbedingungen. Eine weitere Temperaturerhöhung erfolgt erst, nachdem das noch vorhandene freie Wasser verdampft ist oder eine deutliche Druckerhöhung stattgefunden hat. Für die Verdampfung muss die zugeführte Energie aus den Heizplatten aufgewendet werden (HAAS, 1998), wonach der entstandene Wasserdampf einzig über die offenen Seitenränder der Heißpresse entweicht (RACKWITZ, 1954). Im Falle des Entweichens des Wassers erfolgt der weitere Temperaturanstieg in der Platte über konduktive Wärmeleitung (STRICKLER, 1959). In Abhängigkeit von der Größe der Fasermatte bildet sich zum mittleren Bereich ein Druckanstieg aus, der dort Temperaturen von 120°C ermöglicht. Eine Verringerung der Faserfeuchtigkeit bewirkt durch die resultierende Verringerung des Dampfstoßeffektes einen verlangsamten Temperaturanstieg. Da sich dabei jedoch die Temperatur fast ausschließlich ohne die Anwesenheit von Wasser entwickelt, bildet sich kein Plateau im Bereich von 100°C aus.
Die minimal erforderliche Temperatur zur Aktivierung der verwendeten Expancel^®-Mikrosphären Typ 551-DU-40 beträgt 95°C. Ihre maximale Ausdehnung erfahren die Mikrosphären bei 135°C. Es ist also angebracht, die Temperatur in der Plattenmitte über die relativ leicht erreichbaren 120°C hinaus zu erhöhen, damit die Expansion zügig und vollständig ablaufen kann. Zu diesem Zweck ist es notwendig die Feuchtigkeit des Faser- bzw. Spanmaterials von vornherein soweit zu reduzieren, dass ein schneller Temperaturanstieg auf über 120°C möglich ist. MAKU et al., 1959, beschreiben die Temperaturentwicklung in der Mittelschicht in Abhängigkeit von der Faserfeuchtigkeit (9).
Die Fasermatten wurden bei einer Plattentemperatur von 135°C gepresst. Der Temperaturanstieg in der Mittelschicht der Matte mit einer Faserfeuchte von 1% erfolgt innerhalb von 20 Sekunden und ohne Verzögerungen bis 135°C. Die Matten, die eine Feuchte von mehr als 10% aufweisen, besitzen durch den vom Wasser beschleunigten Wärmestrom eine kürzere Aufheizzeit. Diese endet jedoch bei 100°C, dem Siedepunkt des Wassers bei Atmosphärendruck. Mit steigender Faserfeuchtigkeit bildet sich ein ausgedehntes Plateau bei 100°C aus und der weitere Anstieg der Temperatur verzögert sich. Je höher die Eingangsfeuchtigkeit der Fasern ist, desto größer ist die Verzögerung bis zum Fortsetzen des Aufheizens. Dieser Punkt ist erst erreicht, wenn die Feuchtigkeit der Mattenmitte zu sinken beginnt.
BoLTON et al., 1989, entwickeln auf Basis der Ansätze von RACKWITZ, 1954, und GRASER, 1962, ein fünfphasiges Modell, das den Temperaturanstieg in der Plattenmitte charakterisiert:
Phase 1: Geringer oder kein Temperaturanstieg
Phase 2: Schneller Temperaturanstieg
Phase 3: Abnahme des Temperaturanstiegs
Phase 4: Plateauphase, mit sehr geringem oder keinem Temperaturanstieg
Phase 5: Allmählicher Temperaturanstieg
Das Ziel ist es, die Phase 5 zügig zu erreichen. Dies kann nur durch ein Herabsetzen der Eingangsfeuchte der Fasern erreicht werden. Zwar gehen MAKU et al., 1959, davon aus, dass auch mit einer Eingangsfeuchte von 1% eine Temperatur von 120°C erst nach etwa 10 Minuten erreicht wird. Dies ist allerdings sehr stark abhängig von der Plattendicke, wie BOLTON et al., 1989, zeigen (10). Eine 5 mm dicke Faserplatte weist einen sehr stark beschleunigten Anstieg der Temperatur auf, verglichen mit Plattenstärken, die darüber liegen. Die in dieser Arbeit angewendeten Dicken liegen in diesem Bereich, so dass 9 dahingehend modifiziert werden muss. Die Zeiten sind als wesentlich kürzer anzunehmen. Hinzu kommt, dass der Pressendurchmessers in der 'ipates' mit 100 mm relativ gering ist. RAUCH, 1984, stellte fest, dass sich bei kleinen Durchmessern kein wesentlicher Dampfdruck aufbaut. Da der Pressenraum der Laborpresse jedoch allseitig gegenüber der Umwelt abgeschlossen ist, kann davon ausgegangen werden, dass sich ein gewisser Dampfdruck einstellt.
Anzumerken ist an dieser Stelle, dass ein gewisses Maß an Holzfeuchtigkeit in der industriellen Plattenherstellung durchaus erwünscht ist. Die Wärmeübertragung soll möglichst schnell vonstatten gehen und erreicht in der industriellen Plattenproduktion etwa 110°C in der Mittelschicht. Zur Aushärtung des UF-Harzes ist es notwendig das abgespaltene Wasser aus dem UF-Harz zu verdampfen. Daher muss die Temperatur in der Mittelschicht 100°C überschreiten (HABENICHT, 1997). In dieser Arbeit ist eine Temperatur von etwa 135°C aus den oben genannten Gründen erwünscht.
Die Ergebnisse der Simulation mit Virtual Hot Press ergaben ein ähnliches Bild (11). Im unteren Teil der Abbildung ist der Verlauf der Temperaturkurven in den einzelnen Schichten der Matte abgetragen. Die Matte wurde in drei Schichten unterteilt (surface, intermediate, core layer). Gewählt wurde eine Zieldicke von 9 mm. Durch die virtuelle Unterteilung in zwei Decklagen entstand also eine individuelle Decklagendicke von 4,5 mm. Deutlich zu sehen ist der erwartete unmittelbare Anstieg der Oberflächenschicht auf die Pressplattentemperatur von 160°C. Obwohl die simulierte Dicke der Platte lediglich 9 mm betrug, verzögert sich der Anstieg der Temperaturkurve erheblich und erreicht in der Mittelschicht erst nach 4 Minuten die gewünschte Temperatur von etwa 135°C. In der Praxis musste demnach ein Kompromiss gefunden werden. Da die Expansion bereits bei 95°C beginnt, die optimalen 135°C allerdings erst nach etwa vier Minuten erreicht werden, hätte dies den Abschluss der Expansion bereits vor dem Erreichen der Zieltemperatur bedeutet.
Berechnung des Expansionsvolumens
Die Eigenschaften eines Schaumstoffes hängen weitestgehend von der Dichte ab. Demzufolge muss die Dichte eingestellt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
Das Aktivieren eines aufschäumbaren Kunststoffes führt zu einer Expansion. Dabei kann es sich um eine exotherme chemische Reaktion zweier Komponenten handeln, wie das Einmischen eines Aktivators oder Treibmittels im Falle eines 2-komponentigen PUR-Schaumstoffes oder die Reaktion mit der Luftfeuchtigkeit als Aktivator eines 1-komponentigen PUR-Schaumstoffes (HABENICHT, 1997). Ein Aufschäumen kann jedoch auch endotherm durch das Überschreiten einer Aktivierungstemperatur erfolgen, wie im Falle der Expancel^®-Mikrosphären. Das flüssige Treibmittel vergast und bläht die erweichte thermoplastische Hülle auf. In beiden Fällen würde das an der Ausdehnung unbehinderte Schaumsystem ein Volumen V_f, den so genannten Freischaum, mit einer korrelierenden Dichte ρ_f annehmen. Wird diese Expansion räumlich auf eine Solldichte ρ_s begrenzt, so hat die Expansion einen Schäumdruck zur Folge, mit dem der Kunststoff gegen eine Presse oder Stützform arbeitet. Das vorhandene Volumen zwischen den Pressblechen in der Heißpresse stellt eine solche räumliche Begrenzung dar. Der Schäumdruck ist abhängig vom Verdichtungsgrad E, also dem Verhältnis der Solldichte zur Dichte des Freischaums (KAMPS und BUSCHKAMP, 2000). Im Gegensatz zum ohne Behinderungen aufgeschäumten Freischaum wird ein im umgrenzten Raum aufschäumender Kunststoff immer durch Reibungswiderstände an Wänden oder an den bereits ausgebildeten Deckschichten am Expandieren gehemmt. Zusätzlich muss der Schaum gegen den Druck der zu verdrängenden Luft arbeiten. In solchen Fällen kann es zu einer Zellorientierung des sich bildenden Schaumstoffs kommen, wie in 12 zu sehen ist. Es ist offensichtlich, dass die vollkommen polyedrische Struktur einer Zelle in der Praxis unwahrscheinlich ist. Diese Erscheinung tritt auch bei den ursprünglich kugelförmigen Expancel^®-Mikrosphären auf. Der Schaum verliert durch die Orientierung seine isotropen Eigenschaften. KAMPS und BUSCHKAMP, 2000, beschreiben, dass ein Polyurethan-Schaum in Orientierungsrichtung seiner Zellen eine bis zu dreimal höhere Druckfestigkeit aufweisen kann als senkrecht dazu.
In anderen Fällen kann es während des Expandierens zu Überwälzungen kommen. Aufschäumende Bereiche umschließen bereits ausgebildete Abschnitte und bilden Einschlüsse. Dadurch kann sich keine optimale Verklebung und es entsteht eine Inhomogenität, die sich negativ auf die Eigenschaften auswirkt.
Lufteinschlüsse können eine weitere Schwachstelle indizieren. Da der expandierende Schaum in einer geschlossenen Form gegen den sich aufbauenden Luftdruck arbeitet, müssen geeignete Entlüftungsvorrichtungen angebracht werden. In der Laborpresse war dies durch eine nicht optimal anliegende Gummidichtung gewährleistet. Für die praktischen Laborversuche bedeuteten diese Punkte weiterhin, dass eine einheitliche Auftragsmenge und Verteilung des Pulvers über die Pressfläche maßgeblich für eine gleichmäßige Expansion des Schaums war.
Der Berechnung der Solldichte der aufgeschäumten Expancel^®-Mikrosphären musste bereits während der Vorversuche relativ genau durchgeführt werden, da sich unter Wärmeeinfluss und isochoren Verhältnissen ein beachtlicher Schäumdruck einstellen kann. Dieser hätte unter Umständen Schäden an der Laborpresse zur Folge haben können.
Die Expancel^®-Mikrosphären erreichen nach Herstellerangaben unter Wärmeeinwirkung eine bis zu 40-fache Volumenzunahme. Nach einer Berechnung des Volumens, welches nötig ist um den Pressenraum der 'ipates' gerade auszufüllen, dem Freischaum, wurde etwa die 1/40-fache Menge des Pulvers eingewogen.
Zur Berechnung des Volumens des Pressraumes wurde eine Höhe von 19 mm angenommen, da die Sandwichplatte eine Gesamtdicke von 25 mm mit Decklagen von jeweils 3 mm aufweisen sollte. Der Durchmesser der Platte war durch den Innendurchmesser des Presszylinders auf 100 mm festgelegt. Somit wurde eine Grundfläche von 7854 mm² errechnet, welche bei einer Höhe von 19 mm ein Volumen von 149226 mm³ ergab.
Berechnung des Volumens des Pressraums in der 'ipates':
A = π × r² = π × 50² = 7854 mm²
V = 7854 mm² × 19 mm = 149226 mm³
Um die Expansion zu berücksichtigen wurde auf das einzustreuende Volumen der Mikrosphären geschlossen, indem der vierzigste Teil des Volumens berechnet wurde:
V_Expancel = 149226mm³ = 40 = 3730 mm³
Dieses Volumen entspricht in etwa einer Menge von 3,4 g Expancel^®-Pulver bei einer Dichte von ρ_unexpandiert = 1,1 kg/m³ im unexpandierten Zustand. In den Versuchen zeigte sich schnell, dass die Menge zwar knapp ausreichte um das Volumen auszufüllen, dem berechneten Freischaum also sehr gut entsprach, jedoch keine optimale Festigkeit, in Bezug auf die Anbindung an die Deckschichten erreicht werden konnte. In den späteren Versuchen wurde die eingestreute Menge mehr als verdoppelt, um einen ausreichenden Schäumdruck zu erzeugen. Dieser ist Voraussetzung für das vollständige Ausfüllen des Pressraumes und somit eine ganzflächige Anhaftung des Schaums an die Deckschicht.
Applikation des Mittellagenmaterials
Nach dem Verdichten der Decklagen findet die Expansion des Mittellagenmaterials statt. Die Expancel^®-Mikrosphären dehnen sich unter dem Einfluss der Temperaturerhöhung im Kern aus und füllen dadurch das Volumen aus, welches ihnen durch das Öffnen der Presse vorgegeben wurde.
Bereits zu Beginn der praktischen Laborversuche stellte sich heraus, dass die gleichmäßige Verteilung des Mikrosphären-Pulvers einen grundlegenden Einfluss auf die Ausbildung eines symmetrischen Schaumkörpers hat. Nach dem Einstreuen der unteren Decklage in den Presszylinder wird das Expancel^®-Pulver als nächste Schicht aufgetragen. Nachdem die untere Decklage gebildet wurde, erfolgte ein manuelles Verdichten mittels eines Stempels, um die Rauigkeit der Oberfläche herabzusetzen. Das Verdichten sollte ein allzu starkes Vermischen und Eindringen des sehr feinen Pulvers in die bereits gestreute Decklage verhindern. Der Auftrag des Pulvers in den Zylindern erfolgte dann nach einer vorherigen Massebestimmung mit einem Löffel. Auf die beiden nun gestreuten Schichten wurde die obere Decklage aufgetragen und nach einer weiteren manuellen Vorverdichtung in die Heißpresse 'ipates' gegeben.
Es zeigte sich, dass bei diesen Versuchen keine gleichförmige Mittellage erzielt werden konnte. Nach Beendigung des Pressvorgangs war zu erkennen, dass die untere Decklage eine gute Anhaftung an die Mittellage besaß, die obere Decklage jedoch aufgrund einer sehr ungleichmäßigen Oberfläche nur wenige Kontaktpunkte zur Mittellage und somit eine ungenügende Festigkeit aufwies. Die Erklärung fand sich in der ungleichmäßigen Verteilung des Pulvers beim Einstreuen. Durch den Erhitzungsvorgang findet eine Ausdehnung der Mikro sphären um ein Vielfaches statt und dabei eine Verklebung der Sphären untereinander und mit anderen Oberflächen. Es kommt zu einer anfänglich gleichmäßigen Ausdehnung und Anhaftung an die ausgebildeten Decklagen. Durch die ungleiche Menge des Pulvers über die Fläche des Probenkörpers erreichen jedoch nicht alle Zonen gleichzeitig ihr endgültiges Expansionsvolumen. In der Folge erfolgt eine weitere Expansion in manchen Teilen, während an anderen Stellen die Expansion bereits abgeschlossen ist. Das resultiert in einer ungleichen Höhenausdehnung und letztendlich in einem Abheben der oberen Decklage, weil bereits anhaftende Zonen durch die noch nicht abgeschlossene Expansion anderer Abschnitte wieder von der Decklage getrennt werden.
Als Ursache für die ungleichmäßige Verteilung des Pulvers lässt sich einerseits die Auftragsart nennen, die in einem einfachen Einstreuen mit einem Löffel bestand und dadurch keine Gleichmäßigkeit erwarten lassen durfte, andererseits das Auftragen der oberen, die vermutlich beim Aufstreuen auf die Mittellage zu Verschiebungen im Expancel^®-Pulvergefüge geführt hat.
Um eine Vereinheitlichung der Auftragsmenge über die Fläche zu erreichen, war es notwendig die Art der Applikation so zu modifizieren, dass die Verteilung nicht durch äußere Umstände zufällig und somit ungleichmäßig entstand. Daher wurde die Streuung über ein Kupfergitter mit einer Maschenweite, die wenig über dem Durchmesser der Mikrosphären lag, egalisiert. Dieses wurde auf den Presszylinder aufgelegt. Die Mikrosphären wurden auf das Gitter gestreut und erst in einem zweiten Schritt mit einem weichen Pinsel durch das Gitter gestrichen. Dadurch war sichergestellt, dass an jedem Punkt auf dem bereits gestreuten unteren Faservlies die nahezu identische Menge an Mikrosphären-Pulver vorhanden war.
Das Ergebnis zeigte eine deutliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Mittellage, wenn auch insgesamt mit einem sehr unruhigem Verlauf. Die Ursache wurde im Eindringen des feinen Pulvers in die bereits gestreute Decklage gefunden. Durch die Offenporigkeit bildete das Pulver eine dem Verlauf der Oberfläche angepasste Struktur. Um die Gleichmäßigkeit zu erhöhen und somit das Expansionsverhalten an allen Punkten der Plattenfläche zu vereinheitlichen, musste eine Lösung gefunden werden, die das Mittellagenpulver in einem lediglich geringen Maße in die Decklagen eindringen lässt. Zu diesem Zweck wurde nach dem Streuen der unteren Decklage eine sehr feine Lage Zellstoff auf den Faservlies gelegt. Auf die darauf aufgetragene Mittellage wurde eine weitere Lage Zellstoff gelegt, damit eine Vermischung des Pulvers mit den Fasern der oberen Decklage ebenfalls ausgeschlossen werden konnte. Die Zellstofflagen verblieben während des Pressvorgangs in der Platte und waren, da sie mit den Fasern bzw. Mikrosphären verklebten, in der gefertigten Platte nicht mehr auszumachen. Die Platten mit einer so eingebrachten Mittellage wiesen ein deutlich verbessertes Verteilungsmuster des gebildeten Schaums auf und die Anhaftung an beide Deckschichten war durch die gleichmäßige Expansion wesentlich korrigiert.
Trotz der befriedigenden Ergebnisse im Hinblick auf die optische Qualität der Platten, konnte das Einfügen einer Zellstofflage nur eine Übergangsstufe zu einer weiteren Optimierung bilden, da sich ein solches Applikationsverfahren in einem kontinuierlichen industriellen Prozess nur schwer verwirklichen lassen würde.
Das Hauptaugenmerk bei der Wahl eines Applikationsverfahrens lag auf der gleichmäßigen Verteilung des Expancel^®-Pulvers. Da das manuelle Aufbringen der Mittellage im Labormaßstab sich nicht ohne weiteres auf eine industrielle Produktion umsetzen lässt, musste eine Methode entwickelt werden, die den dortigen Anforderungen an eine Streuung im weitesten Sinne entspricht. Die Streuung kann in einer industriellen Produktion sehr genau durchgeführt werden. Zudem besteht verfahrenstechnisch ein lediglich geringer Unterschied zwischen einer Holzfaser und einer analogen Faser mit anhaftendem Pulver. Es schien daher sinnvoll, das Expancel^®-Pulver an eine Matrix zu binden, die problemlos in den Prozess integriert werden kann. Hierbei wurde das Pulver vor dem Einstreuen mit unbeleimtem Fasermaterial gemischt. Durch die Oberflächenrauigkeit der Fasern erfuhren die Sphären eine Haftung an den Fasern und konnten so, einem normalen Fasermaterial entsprechend, in den Presszylinder eingestreut werden. Je nach Decklagenmaterial wurden in den weiteren Versuchen einerseits Fasern, andererseits Späne als Matrix verwendet, um durch die Verwendung von Rohstoffen, die ohnehin im Produktionsprozess verarbeitet werden, eine größtmögliche Integration in den Prozess zu erreichen Es zeigte sich, dass der Auftrag nach diesem Prinzip sehr gleichmäßig erfolgen konnte, nachdem die Fasermenge an eine korrelierende Pulvermenge angepasst worden war. Dabei ist die Menge an Trägermaterial je nach verwendetem Rohstoff unterschiedlich, da Fasern bei gleicher Gewichtsmenge eine weitaus größere Oberfläche besitzen. Bei der Verwendung von Spänen als Matrix musste demnach die Menge erhöht werden, um die gleiche Menge an Mikrosphären an sich binden zu können. Ebenso musste naturgemäß die Menge an Faser- bzw. Spanmaterial mit stei gender Pulvermenge erhöht werden. Korrelierende Wertepaare, die sich aus den Versuchen ergeben haben, finden sich unter.
Um einen negativen Einfluss des Matrixmaterials auszuschließen, der sich in einer mangelhaften Einbindung der Fasern im Schaumkern hätte zeigen können, wurden Untersuchungen über das Einbettungsverhalten der Faser bzw. Späne im Kern durchgeführt. Vorausgreifend kann gesagt werden, dass sich dieses Einbringverfahren im Labormaßstab als positiv erwiesen hat.
Weitere Versuche behandelten die Anbindung des Kerns an die Decklagen, der kritische Punkt der Sandwichplattenherstellung. Hier wurde versucht eine stärkere Anbindung zu erzielen, indem beleimte Holzpartikel als Matrixmaterial benutzt wurden. Hierbei sollte durch die Plastifizierung des Harzes im Prozess eine mögliche Verklebung der Holzpartikel mit dem Pulver einerseits und mit den Decklagenoberflächen andererseits initiiert werden.
Das beschriebene Auftragsverfahren über eine Holzpartikelmatrix wurde prinzipiell und ohne wesentliche Veränderungen in allen in den Untersuchungen verwendeten Platten angewandt.
Untersuchung weiterer Materialien für die Mittellage
Es wurden Kriterien dargestellt, denen ein Mittellagenmaterial genügen muss, um für die kontinuierliche Sandwichplattenherstellung nach dem beschriebenen Verfahren eingesetzt werden zu können. Unter diesen Vorgaben wurden verschiedene Rohstoffe in eine Vorauswahl gezogen. Dadurch sollte der Rohstoffwahl eine Breite gegeben werden, die in der Lage war durch eine ausreichende Anzahl an Alternativen Impulse für die letztendliche Wahl eines geeigneten Rohstoffs zu geben.
Natürliche Rohstoffe
In der Vorauswahl wurde anfänglich ein Schwerpunkt auf natürliche Rohstoffe gelegt. Bestimmte natürliche Rohstoffe besitzen durch ihr äußeres Erscheinungsbild und ihre physikalischen sowie chemischen Eigenschaften eine scheinbare Eignung für die Verwendung als Mittellagenmaterial. So weisen beispielsweise Getreideprodukte wie Puffmais (Zea mays L. convar. microsperma Koern.) oder sog. Pseudogetreide wie Amaranth (Amaranthus tricolor L.) und Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) eine dünne und harte Samenschale, das Pericarp, auf, die ein stärkehaltiges Endosperm umgibt. Die Stärke ist ein Gemisch aus den Untereinheiten Amylose (15–30%) und Amylopektin (70–85%), die sich in ihrer Verzweigung der α-D-Glucoseketten unterscheiden. Alle drei Getreide- bzw. Pseudogetreidesorten können unter Temperatureinfluss aufpoppen, d.h. schlagartig ihr Volumen vergrößern. Dazu muss die Samenschale sehr hart und dicht sein und die Feuchtigkeit im Inneren muss mindestens 12% betragen (BÜTZER, 2005).
Die in der Samenschale eingeschlossene Feuchtigkeit verdampft bei starker Erhitzung und übt einen Dampfdruck auf die Schale aus. Die Schale platzt, wenn sie beim Überschreiten des Grenzinnendrucks der ausgeübten Spannung nicht mehr standhalten kann. Dazu muss das Endosperm eine Temperatur von etwa 175°C erreichen. Beim Erhitzen spielen sich im Inneren des Maiskorns zwei chemische Vorgänge ab. Das Gelieren einerseits bezeichnet den irreversiblen Vorgang des Quellens und Verkleisterns der Stärkemoleküle (KÜNTZEL und DOEHNER, 1939). Andererseits findet durch die Erhitzung eine Umwandlung der Amylose zu Amylopektin statt, die sogenannte Vernetzung. Im Korn bildet sich ein Gel, welches beim Platzen des Pericarps unter Druck austritt. Hierbei tritt auch der Wasserdampf aus und kühlt sich ab, weil er durch die starke Volumenvergrößerung eine Druckabnahme erfährt (adiabatische Abkühlung). Durch den Wasserdampf kühlt sich auch das gebildete Gel ab und bildet einen festen weißlichen Schaum (BÜTZER, 2005). Ein einzelnes Maiskorn erfährt eine etwa 20fache Volumenvergrößerung.
Dieser Effekt stand beispielhaft für die Bildung der Mittellage. Eine feste Struktur, die auch unter einem äußeren Pressdruck, nämlich beim Komprimieren der Decklagen, nicht kollabiert und bei Erreichen einer Grenztemperatur unter gleichzeitigem Verkleben mehr oder weniger schlagartig ihr Volumen vergrößert. Diese Eigenschaft wiesen auch die Pseudogetreidesorten Quinoa und Amaranth auf, die in die Untersuchungen aufgenommen wurden.
Bei einer Simulation mit Mais im Trockenofen wurden die Herstellungsbedingungen im Inneren eine Holzwerkstoffmatte simuliert. Aufgrund der Ergebnisse der Simulationen wurde als Temperatur 120°C gewählt. Aus Gründen der Versuchsanordnung wurde unter Atmosphärendruck gearbeitet. Es zeigte sich, dass die Temperatur nicht ausreichte, um durch Erhitzen des Wassers im Korn einen Druck zu erzeugen, der in der Lage war, das Pericarp zu zerstören und eine Expansion einzuleiten. Zudem war die Geschwindigkeit der Temperaturzunahme im Korn durch die zu geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Innenraum des Ofens und Korn zu langsam. Es ist anzunehmen, dass der sich lang sam aufbauende Dampfdruck durch die Schale entweicht, bevor sich ein kritischer Innendruck einstellen konnte.
Mit dem Erhöhen der Temperatur des Ofens stieg auch die Rate der aufgepoppten Maiskörner. Die eingestellten Bedingungen wichen jedoch immer weiter von denen ab, die sich in einer Holzwerkstoffmatte während des Pressvorgangs einstellen. Zudem stellte sich unter den Maiskörnern nicht die gewünschte verklebende Wirkung ein, da zwar eine Verklebung der Stärkemoleküle untereinander stattfand, jedoch keine Haftung der expandierten Struktureinheiten aneinander zu erzielen war. Versuche, die die Solldichte der entstehenden Strukturen durch eine volumenbegrenzte Expansion erhöhten, brachten keine verwertbaren Ergebnisse. Auch hier zeigte sich keine Tendenz zur Verklebung.
Ähnliche Ergebnisse erzeugten die Versuche mit Amaranth und Quinoa. Während Quinoa eine bedingte Neigung zur Expansion zeigte, die allerdings keine anwendbaren Schlüsse zuließen, konnten die Versuche mit Amaranth keine Expansionstätigkeit unter den vorgegebenen Parametern erkennen lassen.
Die untersuchten natürlichen Rohstoffe Mais, Quinoa und Amaranth bieten aufgrund ihrer natürlichen Eigenschaften, in Form einer harten Schale und der grundsätzlichen Fähigkeit zur Expansion, eine zweckmäßige Grundlage für Überlegungen, die ihren Einsatz als Mittellagenmaterial in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess rechtfertigen würden. Zwar scheint die Struktur der Rohstoffe in der Lage zu sein, den im ersten Prozessschritt aufgebrachten Pressdruck standhalten zu können, die Konditionen unter denen eine Expansion stattfindet sind jedoch nicht mit denen eines Holzwerkstoffprozesses vereinbar. Zudem kann man bei natürlichen Rohstoffen von einer natürlichen Schwankungsbreite der Eigenschaften ausgehen, die konstante Produktionsbedingungen limitieren.
Aufgrund der Untersuchungen, die die Prozessbedingungen simulierten, konnte demnach keine Eignung für einen Einsatz unter den im Prozess herrschenden Bedingungen festgestellt werden.
Polymerbasierte Materialien
Im Gegensatz zu natürlichen Rohstoffen besitzen Kunststoffe eine fast unbegrenzte Anpassungsfähigkeit an geforderte Rahmenbedingungen. Durch Änderungen in der Zusammensetzung können unter anderem die Aushärtungsgeschwindigkeit und Eigenschaften nach dem Aushärten exakt definiert werden. Bei den beiden untersuchten Klebstofftypen, PUR- und Schmelzklebstoffen, ist grundsätzlich kein Aufschäumen erwünscht, um die Ausbildung einer idealen Klebefuge zu erzielen. Im Bereich der Polyurethane macht man sich das Aufschäumen zunutze und setzt diese Klebstoffe als Schäume ein.
Polyurethan-Klebstoffe
Im Bereich der schäumbaren Kunststoffe sind insbesondere die Polyurethane (PUR) sehr weit verbreitet. Polyurethane sind Kunstharze, welche durch eine Polyadditionsreaktion aus Polyolen und Isocyanaten entstehen. Charakteristisch für die Polyurethane ist die Urethan-Gruppe (-NH-CO-O-). Durch die Vielzahl an Anwendungen, für die Polyurethane sowohl in fester als auch in elastischer Form maßgeschneidert werden können, lag die Menge der produzierten Polyurethane im Jahr 2000 bei knapp 10 Mio. Tonnen (RANDALL und LEE, 2002).
Polyurethan-Schäume werden derzeit bereits als Kernmaterial in Sandwichplatten eingesetzt. In der diskontinuierlichen Prozesstechnologie wird der Schaum in einem gesonderten Prozess als Block aufgeschäumt und, nachdem er in Platten aufgetrennt worden ist, im Batch-Prozess zwischen die Decklagen geklebt. In der kontinuierlichen Produktion wird der Schaum direkt in die Plattenproduktion eingeschäumt. Eine Darstellung des Einschäumprozesses zeigt 4. Es lag daher nahe auch polyurethanbasierte Schäume mit in die Vorüberlegungen einzubeziehen.
PUR-Schäume können sowohl in 1-komponentigen als auch in 2-komponentigen Varianten eingesetzt werden. Die exotherme Aushärtung der 1-komponentigen Schäume erfolgt beim Freisetzen durch den Kontakt mit der Luftfeuchtigkeit. Durch Zugabe von weiterem Wasser, welches in die PUR-Masse gemischt wird, kann die Aufschäumreaktion verstärkt werden. Die Aushärtung erfordert bei Verwendung von 1-komponentigen PUR-Schäumen einen langen Zeitraum. Vorteile bietet die Verwendung eines 2-komponentigen Schaums. Durch das Zusammenbringen zweier Reaktionspartner, Isocyanate und Polyole, wird der Aufschäumprozess chemisch initiiert. Es erfolgt typischerweise eine 30fache Volumenvergrößerung. Hat der Schaum eine ausreichende Stabilität erreicht und ist nun in der Lage sich selbst zu stützen, wird die weitere Expansion durch die Differenz zwischen dem Gasdruck im Zellinneren und dem äußerem Atmosphärendruck vorangetrieben. Die Expansion stoppt sobald der Schaum genügend Stabilität aufgebaut hat, um der Druckdifferenz standzuhalten. Die exotherme Reaktion erfolgt in mehreren Stufen und kann im Inneren des Schaums Temperaturen von bis zu 190°C erzeugen. Die chemische Aushär tungsreaktion ist nicht mit dem Ende der Expansion abgeschlossen. Vielmehr setzt sie sich im Inneren des Schaums fort und kann die hohen Temperaturen noch über Stunden aufrechterhalten (RANDALL und LEE, 2002).
Die Stadien des Schäumprozesses eines 2-komponentigen PUR-Klebstoffs sind aus 13 ersichtlich. Mit dem Zusammenbringen der Reaktionspartner beginnt der Aufschäumprozess in dem der Schaum über eine klebrige, instabile Konsistenz verfügt (Gel time). Diese Zeit ist dadurch charakterisiert, dass sich beim Herausziehen eines eingetauchten Stabes Polymerfäden bilden. Fast gleichzeitig mit dem Erreichen der Tack-free time, also der Zeit, in der das Material eine klebefreie Oberfläche erlangt, erreicht der Schaum seine maximale Höhe.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Untersuchungen mit PUR-Klebern der Firma Casanin AG, Buchrain, durchgeführt. Zum Einsatz kamen ein 1-komponentiger PUR-Kleber, Casanin PUR 685.12, und zwei 2-komponentige PUR-Kleber, Casanin 688.30 mit Härter 688.99 und Casanin PUR 688.01 N mit Härter V4557/2. Bei allen Klebern handelte es sich um Laborprodukte. Die Untersuchungen bezogen sich in erster Linie auf das Aufschäum- und Aushärteverhalten. Hierfür wurden die Klebestoffe unter verschiedenen Bedingungen im Trockenofen ausgehärtet. Dies geschah teilweise unter Zugabe von zusätzlichem Wasser, welches mit dem Ziel eines verstärkten Aufschäumens in die Klebstoffsubstanz eingebracht wurde. Es handelte sich hierbei um orientierende Versuche. Es konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von Wasser das Aufschäumen sowohl der 1-komponentigen als auch der 2-komponentigen PUR-Klebstoffe wesentlich fördert. Das Aufschäumen beider Klebstofftypen konnte bei Temperaturen von etwa 130°C gegenüber einer Aushärtung im Normklima wesentlich beschleunigt und nach circa zwei Minuten als abgeschlossen betrachtet werden.
Als problematisch wurde allerdings die Art des Auftragens als Mittellage angesehen. Nach dem Streuen der unteren Decklage muss die flüssige Mittellage aufgebracht werden, bevor die zweite Decklage gestreut wird. Da die Komprimierung der Decklagen unter einem hohen Pressdruck erfolgt, muss die Mittellage im Stande sein, diesen Druck auszuhalten. Zudem darf das Mittellagenmaterial nicht in die Decklagen wegschlagen. Damit würde es der Mittellagenbildung nicht mehr zur Verfügung stehen bzw. an falscher Stelle reagieren. Bei Verwendung eines liquiden Schäummittels besteht die Gefahr, dass genau dieser Effekt eintritt und dass sich ein Teil des Klebstoffes aus der Mittellage in die Decklagen verlagert.
Des Weiteren besitzt eine kontinuierliche Doppelband-Heißpresse keine seitliche Begrenzung. Das flüssige Material ist dadurch nicht in der Lage einen Gegendruck gegenüber dem Pressdruck aufzubauen. Es ist zu vermuten, dass ein nicht unwesentlicher Teil des flüssigen Klebstoffs seitlich entweichen wird und somit der Mittellagenbildung nicht mehr zu Verfügung steht. Ferner entsteht dabei die Gefahr einer Beschädigung der Heißpresse durch den sehr intensiv haftenden PUR-Kleber, der nach Aushärtung nur noch mechanisch zu entfernen ist.
Hotmelts
Die Konsequenz aus den Problemen, die bei der Verwendung flüssiger, wenn auch hochviskoser, Klebstoffe auftraten, war die orientierende Untersuchung von Schmelzklebstoffen, so genannten Hotmelts. Diese 1-komponentigen thermoplastischen Klebstoffe liegen bei Raumtemperatur in fester und lösemittelfreier Form vor. Das Abbinden erfolgt im Gegensatz zu den PUR-Klebstoffen meist physikalisch. Typische Verarbeitungstemperaturen liegen je nach verwendetem Klebstofftyp zwischen 120 und 240°C (HABENICHT, 1997), was der Anwendung in einem Holzwerkstoffprozess entsprechen würde. Das Adhäsionsprinzip beruht auf der Viskositätsverringerung aufgrund des Schmelzens, wodurch eine hohe Benetzung der Werkstückoberfläche erreicht wird. Durch den reversiblen Übergang zwischen festem und flüssigem Aggregatzustand ergeben sich prinzipiell zwei Arten der Verklebungsweise. Einerseits das Fügen der Werkstücke direkt nach dem Auftrag des verflüssigten Klebstoffes und andererseits das Zusammenbringen der Werkstücke, nachdem der Klebstoff aufgetragen und erhärtet ist, um ihn dann beim nochmaligen Erwärmen wieder zu verflüssigen und die Klebefuge unter Druck auszubilden. Schmelzklebstoffe werden zumeist aus Blöcken verarbeitet, die direkt im Prozess aufgeschmolzen und eingebracht werden. Durch Gefriervermahlung ist es möglich Schmelzklebstoffe zu Granulaten oder Pulvern zu verarbeiten. Dadurch besitzen sie gegenüber den PUR-Klebstoffen den Vorteil, dass ein Einstreuen in fester Form möglich ist und das Aufschmelzen über einen relativ weiten Temperaturbereich sehr exakt eingestellt werden kann.
Schmelzklebstoffe verfügen von vornherein über keine starke Fähigkeit zur Schaumbildung. In manchen Fällen werden lediglich geringe Mengen an Wasserdampf während des Schmelzvorgangs freigesetzt, was zu einer Blasenbildung führt. Auf diesen Effekt hin wurde ein Labor-Schmelzklebstoff der Firma Albon-Chemie im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Laut Auskunft der Firma Albon-Chemie beginnt der Aufschäumprozess des verwendeten Schmelzklebers Albonit SK 356 bei einer Temperatur von etwa 90°C und erreicht sein maximales Aufschäumen bei etwa 130°C. In den Laborversuchen wurden Erfolge bei einer Temperatur von 160°C und der Zugabe von Calciumcarbonat (CaCO₃) erzielt. Es erfolgte ein leichtes Aufschäumen. Jedoch zeigte sich, dass dieses Aufschäumen zu wenig Expansionskraft besitzt um auch nur geringste Gegenkräfte zu überwinden. Zudem konnte das Aufschäumvolumen als sehr gering bezeichnet werden. Im Laborversuch wurde der mit CaCO₃ versetzte Albonit SK 356 zwischen zwei Spanplattenstreifen von jeweils 3 mm Dicke eingebracht, die mit einer Führung gegen seitliches Verrutschen gesichert waren, eine vertikale Expansion jedoch zuließen. Diese Vorrichtung wurde bei 160°C im Trockenofen erhitzt. Nach fünf Minuten war der Schmelzkleber komplett geschmolzen und es bildeten sich kleine Bläschen. Es konnte gezeigt werden, dass der Albonit SK 356 nicht in der Lage war, eine signifikante Volumenvergrößerung zu erzielen. Außerdem lieferte der geschmolzene Klebstoff keine Hinweise darauf, dass er in der Lage ist ein Anheben der oberen Spanplatte zu bewirken. In einer Sandwichplattenfertigung müsste wenigstens das Anheben der oberen Decklage vom Kleber bewerkstelligt werden.
Die orientierenden Versuche mit den beschriebenen polymerbasierten Rohstoffen als Mittellagenmaterial zeigten, dass sich die untersuchten Materialien aus verschiedenen Gründen nicht oder nur nach nachhaltigen Anpassungen in Bezug auf die Klebstoffeigenschaften oder die Verfahrenstechnik für eine kontinuierliche Sandwichplattenproduktion eignen.
Herstellung der Platten
Prozessführung
Der Prozess, der im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, lehnt sich an die Herstellung von Holzwerkstoffen wie MDF- oder Spanplatten an. Um die Bildung der Mittellage in diesen Herstellungsprozess zu integrieren, wurde das Verfahren der Holzwerkstoffherstellung um den Fertigungsschritt der Mittellagen-Expansion erweitert. An die Expansion schließt sich eine Kühlphase an, bis der expandierte Schaum seine aktive Ausdehnung durch Unterschreiten einer Temperaturgrenze eingestellt und eine feste Matrix gebildet hat.
Nach Abschluss der orientierenden Untersuchungen über geeignete Materialien und Simulationen der Prozessparameter wurden die gewonnenen Resultate in praktischen Versuchen im Labormaßstab implementiert. Durch fortlaufende Optimierungen des Pressprogramms und der Zusammensetzung der Sandwichplatten entstand ein stabiler Prozess, durch den es möglich war gleich bleibende Qualitäten zu produzieren. Im Folgenden wurden durch Modifikation der Zusammensetzung, insbesondere der Decklagen, verschiedene Varianten der Platten hergestellt.
Der Prozess setzt sich im Wesentlichen aus zwei Schritten zusammen, die zu einem Fertigungsschritt kombiniert werden: Der Bildung der Decklagen unter einem hohen Anfangspressdruck und der darauf folgenden Expansion der Mittellage. In den Laborversuchen wurde ein durchgehend distanzgesteuertes Pressprogramm gefahren. Ebenso sinnvoll erscheint ein kombiniertes Pressprogramm, welches die Decklagen unter druckabhängig bildet und dann isochor, also distanzabhängig, die Mittellage expandieren lässt. Die Presstemperatur betrug 150°C, beruhend auf den Ergebnissen der Simulation.
14 zeigt ein beispielhaftes Pressdiagramm. Im zeitlichen Verlauf sind Druck- und Distanzverlauf abgetragen. Hierbei ist zu beachten, dass ein ansteigender Pressdruck ein negatives Vorzeichen besitzt, da die MTS-Software der 'ipates' ein Schließen der Presse als negative Richtung und ein Öffnen als positive Richtung definiert. Die Distanzskala ist aufgrund der Pressen- und Softwarekonfiguration so kalibriert, dass die Presse bei etwa –41 mm vollständig geschlossen ist. Entsprechend bedeutet eine abnehmende Distanz ein Öffnen der Presse.
Im ersten Prozessschritt erfolgte die Verdichtung der Decklagen. Hierzu wurde das gestreute Faservlies auf eine Zieldicke gepresst, welche der Gesamtdicke der beiden Decklagen zuzüglich der Dicke der unexpandierten Mittellage entspricht. Im gezeigten Beispiel entspricht die Dicke von –37 mm einer Komprimierung auf 4 mm. Unter der Annahme einer Decklagendicke von jeweils 1,5 mm, entspricht das einer Mittellagendicke während des Pressvorgangs von 1 mm. Dabei baute sich kurzfristig ein Pressdruck von etwa 83 kN auf. Das entsprach bei einer Pressfläche von 7854 mm² in der 'ipates' einem spezifischen Pressdruck von 10,6 N/mm². Dieser baute sich jedoch nach einigen Sekunden wieder ab, da durch die Relaxation des Faservlieses ein Druckabbau erfolgte und die Presshydraulik zum Halten der Distanz keinen weiteren Druck aufbringen musste. Nach 40 Sekunden waren die Decklagen ausgebildet, so dass die Presse auf die vordefinierte Zieldicke von 20 mm (entspricht –23 mm in 14) geöffnet wurde. Dies ging einher mit einem vollständigen Druckabbau, da der Schaum noch unexpandiert war. Während des Pressens erfolgte eine Erhitzung der Mittellage und somit eine Aktivierung der Mikrosphären. Mit dem Öffnen der Presse begannen diese zu expandieren und den Pressraum auszufüllen. Es zeigte sich, dass ein schnelles Öffnen der Presse auf die Zieldicke bessere Ergebnisse erzielte, als ein langsames Öffnen. Letzteres resultierte in der Ausbildung einer gekräuselten Oberfläche und folglich einer unzureichenden Anbindung der Mittellage an die Decklagen. Etwa 30 Sekunden nach dem Erreichen der Zieldicke erlangten die Mikrosphären das Volumen, das den auf die Zieldicke eingestellten Pressraum gerade ausfüllte. Der vergrößerte Ausschnitt in 14 zeigt, dass zu diesem Zeitpunkt kein Druck vorhanden ist. Die Menge der eingesetzten Expancel^®-Mikrosphären war unter Berücksichtigung des vorab bestimmten Expansionsvolumens des Materials auf ein etwa dreifaches Zielvolumen der Mittellage berechnet, um die gewünschte Solldichte einzustellen. In der Folge begann ein durch die weitere Expansion der Mikrosphären ausgelöster Druckaufbau, der in der Regel bis zu 0,19–0,25 N/mm² (entspricht –1500 bis –2000 N) erreichte. Danach erfolgte keine weitere Druckzunahme, sondern eine allmähliche Konsolidierung des Schaumgefüges mit einem einhergehenden Druckabbau. Zu diesem Zeitpunkt (t = 500 s) wurde die Beheizung der Pressplatten gestoppt. Da die 'ipates' nicht über eine interne Rückkühlung verfügt, wurde die Kühlung durch einen Ventilator unterstützt. Erst nach Unterschreiten der Aktivierungstemperatur von 90°C erreichten die Mikrosphären einen stabilen Zustand, der auch nach dem vollständigen Öffnen der Presse beibehalten wurde.
Untersuchung physikalischer Eigenschaften/Optimierung
Die Untersuchung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften bildete die Grundlage einer objektiven Qualitätsbewertung der Platten. Dieses war notwendig, um die hergestellten Platten mit industriell hergestellten Leichtbauplatten vergleichen zu können. Darüber hinaus dienten diese Daten als Grundlage zur Optimierung des Prozesses (SÖDERBERG und ROSSKOTHEN, 2003).
Ziele
Um die Qualität der hergestellten Platten beurteilen zu können, mussten die hergestellten Probenkörper objektiven Untersuchungen unterzogen werden. Anhand dieser Untersuchungen war es möglich die Qualität von Deck- und Mittellage festzustellen. Insbesondere durch die Bestimmung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene nach DIN 53292 war es möglich, Aufschlüsse über die Güte der Verbindung zwischen Deck- und Mittellage zu erlangen. Im Bereich der Kernverbundplatten stellt dies die kritische Eigenschaft dar und kann gemeinsam mit der Biegefestigkeit (DIN 53293) besonders zur Evaluierung herangezogen werden. Die Bestimmung der Biegesteifigkeit konnte mit den Proben der 'ipates' nicht durchgeführt werden, da nach Prüfvorschrift die Länge des Prüfkörpers das 24fache der Dicke betragen muss.
Aus dem Bruchbild, welches nach der Querzugprüfung am Prüfkörper verblieb, ließen sich Rückschlüsse auf prozesstechnische Unausgereiftheiten ziehen. So bildeten alle durchgeführten Prüfungen immer die Grundlage für Optimierungen des Herstellungsprozesses.
Durch die Wiederholung der mechanischen Eigenschaftstests konnte die Reproduzierbarkeit der Platteneigenschaften überprüft werden. Sehr starke Schwankungen unter den Testergebnissen wiesen demnach auf einen unstabilen Prozess hin, während gleichmäßige Festigkeitswerte einen stabil eingestellten Prozess charakterisierten.
Um den Einfluss der kompressiblen Mittellage während des Heißpressens auf die Verdichtung der Decklage beurteilen zu können, wurden hochauflösende Aufnahmen am Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Anhand einer visuellen Beurteilung der Proben und einer Gegenüberstellung mit MDF-Proben ähnlicher Dichte aus der Literatur konnten Schlüsse über die Qualität der Probenkörper gezogen werden.
Von besonderem Interesse war in diesem Zusammenhang der Übergang zwischen Deck- und Mittellage. Da die beleimten Fasermatten der Decklagen während des Heißpressens gegen eine kompressible pulverige Schicht gepresst wurden, konnte es hier zu einem Dichteabfall kommen. Die mittellagennahe Faserschicht erfährt einen verminderten Gegendruck durch die weichere Mittel tage, wodurch eine Sollbruchstelle entstehen kann. Dieser Übergang wurde auch anhand von Dichteprofilen am Röntgenscanner. Da der Durchmesser der Expancel^®-Mikrosphären vor der Expansion etwa 10 μm beträgt, sollte gezeigt werden, ob das Pulver in der Lage ist, alle Freiräume auszufüllen, so dass eine optimale Anbindung der Mittellage an die Decklage gegeben ist. Ebenso sollte die Vermischung der Mikrosphären mit den Trägerfasern und -spänen in der Mittellagenmatrix untersucht werden, um Konsequenzen in Bezug auf das Vermischen des Pulvers mit dem Trägermaterial zu ziehen.
Die REM-Bilder sollten aufzeigen, ob die Expancel^®-Mikrosphären ein gleichmäßiges Aufschäumverhalten zeigen und ob der geschlossenzellige Schaum durch Einflüsse wie Druck oder Temperatur in der Heißpresse Schaden genommen haben kann. Das kann zu einem Verlust positiver Eigenschaften, wie einem hohen Wärmedurchlasswiderstand oder Druckstabilität, führen. Zudem könnten die isotropen Eigenschaften des Schaumstoffs durch eine zu stark orientierte Expansion verloren gegangen sein. Zugleich konnte durch die REM-Bilder die Verdichtung der Expancel^®-Mikrosphären anhand der Größe der individuellen Zellen bewertet werden.
Die Ergebnisse der Untersuchungen bildeten die Grundlage für die Entscheidung zukünftiger Forschungen. Sie leisteten den entscheidenden Beitrag um die Vision einer industriellen Fertigung des neu entwickelten Produktes in einer Umsetzung des an die Versuche angelehnten kontinuierlichen Verfahrens zu bewerten.
Untersuchungsmethoden
Zur Festigkeitsprüfung wurden die Platten den normierten Standardprüfverfahren unterzogen. Die Rohdichteprofilmessung gab Aufschluss über das Verdichtungs- bzw. Aufschäumverhalten der Plattenebenen und die Ausbildung des Rohdichteprofils. Anhand der Rasterelektronenmikroskopie konnte ein visueller Eindruck über die Ausbildung der Deck- und Mittellagen gewonnen und ein Vergleich zu Standardplatten gezogen werden.
Probenherstellung und Versuchsplan
Bestimmung der Querzugfestigkeit
Für die Bestimmung der Zugfestigkeiten senkrecht zur Deckschichtebene wurde in Anlehnung an die Norm DIN 53292-A für Kernverbunde (1982) vorge gangen und quadratische Probenkörper zugeschnitten. Abweichend von der Norm wurden die Probenkörper mit einer Kantenlänge von 40 mm anstatt von 50 mm gefertigt. Das Motiv dafür war die zeitaufwendige Herstellung der Platten. Bei einem Plattendurchmesser von 100 mm konnten nun pro Platte zwei Probenkörper für die Festigkeitsprüfung herzustellen, so dass die doppelte Anzahl an Prüfkörpern zur Verfügung stand.
Die Proben wurden mit Hilfe eines Polyurethan-Klebers der Firma Casanin auf Birken-Sperrholzjoche geklebt. Versuche, die Prüfkörper mit Hilfe von Schmelzkleber auf Aluminiumjoche zu kleben, scheiterten an der thermischen Aktivierbarkeit der aufgeschäumten Mittellage. Die Proben wurden gemäß DIN 50014 im Normklima bei 20°C und 65% relativer Luftfeuchte konditioniert und anschließend an einer Universalprüfmaschine der Firma Losenhausenwerk GmbH mit einer Traversengeschwindigkeit von 0,5 mm/s geprüft. Es wurden die Querzugfestigkeit sowie die Bruchebene notiert.
Die Berechnung der Zugfestigkeit für Kernverbunde erfolgte nach der Formel:
Hierbei ist die Kraft F_max die Höchstkraft in [N], bei der der Bruch der Probe eintritt. Die Skala der Prüfmaschine gibt die Kraft in Kilogramm [kg] an. Um die Kraft F_max in [N] zu erhalten, musste die auf der Prüfmaschine angegebene Kilogramm-Skala umgerechnet werden, dabei entspricht 1 Kilogramm etwa 9,8 Newton. A₀ bezeichnet die ursprüngliche Fläche der Probe in mm². Diese wurde vor der Prüfung gemessen und notiert.
Bestimmung der Rohdichteprofile
Die Bestimmung der Rohdichteprofile der Proben war ein wichtiger Schritt zur Visualisierung und Beurteilung des Verdichtungs- bzw. Expansionsverhaltens. Die Messung wurde nach einer Klimatisierung an 50 × 50 mm großen Probenkörpern durchgeführt.
Die Messung erfolgte mit einem Gammastrahlenmessgerät der Firma Ragtest Isotopenmessgeräte GmbH (Straubenhardt). Die mittels eines Amencum-Strahlers (Am²⁴¹) erzeugte Gammastrahlung, wurde durch eine Schlitzblende auf einen Strahl von 10 mm Höhe und 0,2 mm Breite fokussiert. Dieser durchdringt den Probekörper parallel zur Plattenoberfläche. Die Messungen erfolgten schrittweise in Abständen von 75 μm. Die in Abhängigkeit der Rohdichte beim Durchgang durch die Probe abgeschwächte Strahlung wurde mittels eines Detektors (NaJ(TI)-Szintillationszähler) erfasst, der die radiometrischen Impulse in Lichtsignale umwandelt, welche über eine Photokathode in Spannungsimpulse umgewandelt und danach verarbeitet werden können. Durch die Messung von Referenzwerten in der Luft ergeben sich für jeden Messpunkt individuelle Rohdichtewerte, die in ihrer Gesamtheit eine Rohdichtekurve über den Plattenquerschnitt bilden. Die Werte des so erzeugten Rohdichteprofils konnten nun mit Hilfe von Datenverarbeitungsprogrammen weiterverarbeitet werden und gaben einen sehr guten Eindruck von der Ausbildung der einzelnen Plattenlagen.
Von den hergestellten Probenplatten wurde eine zufällige Auswahl getroffen und ein Rohdichteprofil von insgesamt acht Probenkörpern verschiedener Herstellungsmuster vorbereitet. Hierbei ging es in erster Linie nicht um eine Herstellung von identischen Rohdichteprofilen, sondern um einen Eindruck des grundsätzlichen Aufbaus der Sandwichplatten. Die gewünschten Profile sollten Rohdichtemaxima im Bereich der Decklagen aufweisen und im Bereich der Mittellage ein gleichmäßiges, symmetrisches Minimum zeigen. Erstrebenswert war im mittleren Bereich eine Rohdichte, die weit unterhalb der Decklagendichten lag, um somit eine mittlere Rohdichte von etwa 0,2 kg/m³ zu erreichen. Entscheidend war der Übergangsbereich Decklage-Mittellage. Hier konnte man prozessbedingt einen starken Abfall der Rohdichte befürchten.
Rasterelektronenmikroskopie
Im Gegensatz zur Lichtmikroskopie liefert die Rasterelektronenmikroskopie REM hochauflösende Aufnahmen von Oberflächenstrukturen. Die Untersuchungen wurden an einem Gerät der Firma Hitachi Typ S-520 am Institut für Holzbiologie der BFH durchgeführt. Die vorbereiteten Probenkörper wurden auf Probenträger, sog. stubs, geklebt und in einem Gerät der Firma BIO-RAD SEM Coating Systems Typ SC 510 mit Gold bedampft. Um eine Aufladung der Proben im REM zu reduzieren und einwandfreie Aufnahmequalität zu garantieren, wurden die Proben zweifach bei einer Spannung von 2 kV und einem Plasmastrom von 20 mA bedampft.
Durch die hohe Auflösung und die Tiefenschärfe ermöglicht diese Abbildungsmethode eine präzise Aussagekraft über die Ausbildung von Faser-Faser Bindungen in den Decklagen der Versuchsplatten oder die Struktur der geschäumten Mittellage, insbesondere die Anbindung der Mittellage an die holzpartikelbasierte Decklage. Die Aufnahmen wurden qualitativ beurteilt und mit Literaturdaten abgeglichen, um insbesondere eine objektive Einordnung der Ausbildung der Decklagen zu bekommen.
Eine weitere Aussage wurde über das Expansionsverhalten der Expancel^®-Mikrosphären erwartet. Für die Aufnahmen der Expancel^®-Proben wurden zwei Probenträger mit doppelseitigem Klebeband beklebt und in die unexpandierten Mikrosphären getaucht. Ein Probenträger wurde danach im Trockenofen bei einer Temperatur von 130°C für zwei Minuten erhitzt um eine vollständige Expansion zu gewährleisten. Der zweite Probenträger verblieb im unexpandierten Zustand. Dadurch sollte ein visueller Eindruck von der Expansionsfähigkeit der Mikrosphären gewonnen werden. Weiterhin wurde der Schaum im Kern der Platten einer genauen Betrachtung unterzogen, um eine mögliche Zellorientierung, wie sie vorstehend beschrieben ist, festzustellen. Auch die Einbettung der Fasern bzw. der Späne, die die Matrix der Mikrosphären bildeten, verlangte eine detaillierte Betrachtung. Hier war es wichtig zu erkennen, ob sich die Holzpartikel gut in den Schaum einfügten oder wie Fremdkörper wirkten.
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Abbildungen
1: Fünf Zellformen zur Modellierung von Zellstrukturen in Schäumen
2: Aufbau einer Wabenplatte
3: Aufbau einer Schaumkernplatte
4: Kontinuierliche Schaumkernplatten-Produktion (DAVIES, 2001)
5: Beispiel eines Expansionsverlaufs (Expancel 009-80)
6: Miniatur-Heißpresse 'ipates'
7: Simulation zweier virtueller Deck-schichten
8: Wärme- und Massenstrom in der Matte während des Heißpressens (nach GEFAHRT, 1977
9: Temperaturverlauf der Mittelschicht während des Heißpressens als Funktion der Eingangsfeuchte der Fasermatte. Plattentemperatur 135°C (MAKU et al., 1959)
10: Temperaturverlauf über die Presszeit (0 = Presse geschlossen) in Abhängigkeit von der Plattendicke (BOLTON et al., 1989)
11: Ergebnis der Simulation mit VHP (160°C), Spezifischer Pressdruck und Mattendicke (oben), Verlauf der Mattentemperaturen und des internen Gasdrucks (unten)
12: Aufbau einer Schaumzelle
13: Zeitliche Entwicklung von Temperatur und Schaumhöhe (Randall und Lee, 2002)
14: Distanz- und Druckverlauf während des Pressvorgangs

1: Spulen
2: Profiling
3: Aufheizen
4: Schauminjektion
5: Druckbereich
6: Abkühlung
7: Ablängung
8: T_start
9: T_max
10: Maximalvolumen Microsphere
11: Kraftmessdose (Zug 20 kN)
12: beheizter Pressblock
13: Pressraum
14: Presszylinder
15: beheizter Pressblock
16: Kraftmessdose (Druck 200 kN)
17: Deckschicht
18: leichte Mittelschicht
19: Deckschicht
20: Pressplatte
21: Plattenkante
22: Mattenmitte
23: Konduktion
24: Verdampfung
25: Kondensation
26: Konvektion
27: Spezifischer Druck
28: Mattendicke
29: Temperatur (Oberfläche, Zwischenschicht, Kernschicht)
30: Gasdruck
31: Form einer Zelle: Pentagon-Dodekaeder
32: Orientierung einer Zelle in Schäumrichtung
33: Cream-Zeit
34: Gel-Zeit
35: Tack-free-Zeit
36: End-of-rise-Zeit
37: Schaumhöhe
38: Schaumtemperatur

Claims

Holzwerkstoffplatte in Sandwichkonstruktion, umfassend: a. zumindest eine obere Decklage b. zumindest eine untere Decklage, c. zumindest eine zwischen der oberen und unteren Decklage angeordnete geschäumte Zwischenlage, welche eine geringere Dichte als die obere und untere Decklage aufweist und diese verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Decklage hochverdichtet sind.
Holzwerkstoffplatte in Sandwichkonstruktion, umfassend: a. zumindest eine obere Decklage b. zumindest eine untere Decklage, c. zumindest eine zwischen der oberen und unteren Decklage angeordnete geschäumte Zwischenlage, welche eine geringere Dichte als die obere und untere Decklage aufweist und diese verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenlage ein von einem geschäumten Material umgebenes Trägermaterial, insbesondere ein Träger für die Schaumausgangsstoffe wie Holz, Fasern, Späne, Vlies oder ein Material für Zusatzfunktionen für Flammschutz, Farbgebung, enthalten ist.
Holzwerkstoffplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen mit einem Pressdruck verdichtet sind, welcher höher ist als der durch das Aufschäumen der Zwischenlage erzeugte Druck.
Holzwerkstoffplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen auf der zur Zwischenlage weisenden Seite eine höhere Welligkeit aufweisen als auf der von der Zwischenlage wegweisenden Seite, insbesondere eine dreimal höhere Welligkeit.
Holzwerkstoffplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen eine Dichte größer als 500 kg/m³ ATRO (absolut trocken) hat, insbesondere größer 650 kg/m³ ATRO.
Holzwerkstoffplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Dichte der Decklage zu Zwischenlage größer 5/3 ist, vorzugsweise größer 5/1,5.
Holzwerkstoffplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Decklage und der Zwischenlage ein mikroskopisch gradieller Dichte-Übergang ausgebildet ist.
Holzwerkstoffplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen und/oder die Zwischenlage aus gestreutem Ausgangsmaterial zusammengesetzt sind.
Holzwerkstoffplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen aus hochverdichtetem Material bestehen und die Zwischenlage aus einem unter thermischem Einfluss aufgeschäumten Material besteht.
Holzwerkstoffplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Decklagen und Zwischenlage ein gradieller Dichteübergang ausgebildet ist.