Holzwerkstoff- und Naturfaser-Technologien

Forschungsprojekt

Simulationsgestützte Entwicklung von mitteldichten Faserplatten (MDF) für den Leichtbau

Der Wettbewerb um den Rohstoff Holz und damit die zunehmend eingeschränkte Verfügbarkeit des Holzes bei gleichzeitig starkem Kostendruck zwingen Unternehmen der Holzfaserwerkstoff-Branche, neue Wege der Produktentwicklung und Prozessoptimierung zu gehen. Werkstoffe mit Mitteln der computerunterstützten Simulation gezielt zu entwerfen und ihre Eigenschaften zu optimieren, nimmt an Bedeutung zu. Eine simulationsgestützte Entwicklung von Naturfaserwerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bei geringer Materialdichte leistet einen erheblichen Beitrag für ein nachhaltiges Wirtschaften und eine bessere Rohstoffeffizienz.

Die Eigenschaften von mitteldichten Faserplatten (MDF) hängen von vielen Faktoren ab, die beim Herstellungsprozess beeinflusst werden können. Mikrostruktureigenschaften (wie z.B. Faservolumenanteil, Faserorientierung, Faserlänge, Einzelfasersteifigkeit) bestimmen maßgeblich die makroskopischen mechanischen Eigenschaften von MDF. Bisher wird bei der MDF-Herstellung die Faserorientierung nicht gezielt eingestellt. Die Ziele eines Verbundprojekts des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung (Fraunhofer WKI) und des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (Fraunhofer ITWM) sind:

  • Die simulationsgestützte Entwicklung von ressourcenschonenden und kosteneffizienten leichten MDF mit hohen Festigkeiten für den Möbelbau, Baubereich, Transportbereich und Messebau sowie ggf. für eine direkte Lackier- und Bedruckbarkeit,
  • der Aufbau eines vollständigen Mikro-Makro-Simulationsmodells für MDF,
  • die Entwicklung und Erprobung von Verfahren zur gezielten Faserorientierung bei Leicht-MDF für die Aussteifung des Porenraums.

Mit neuen bildgebenden Verfahren (Mikrocomputertomographie) in Kombination mit modernen Modellierungsansätzen (Multiskalenmethoden) soll der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften aufgeklärt werden. Dabei sind Multiskalensimulationen notwendig, um aus der Vielzahl von möglichen MDF-Varianten mit orientierten Faserschichten günstige auszuwählen, die danach hergestellt und charakterisiert werden.

© Fraunhofer WKI
Abb.1: Beispiele für Lösungsansätze zum Ausrichten von MDF-Fasern; links: V-Nuten aus Edelstahl; rechts: Steghölzer.
© Fraunhofer WKI
Abb.2: Faservlies, links ohne gezielte Vorzugsrichtung, rechts mit gezielter Vorzugsrichtung (vertikale Richtung).
© Fraunhofer WKI
Abb.3: Querzugfestigkeiten für unterschiedliche Streuvarianten: orientiert gestreute MDF (O-MDF), vereinzelt und wirr gestreute MDF (V-MDF) und konventionell hergestellte MDF (S-MDF) bei den Zielrohdichten 620 kg/m³ und 800 kg/m³

Im Rahmen einer Diplomarbeit1 wurden am Fraunhofer WKI verschiedene Ansätze zum Ausrichten konventioneller MDF-Faserstoffe untersucht (Abb. 1).

Hierfür wurden mechanisch arbeitende Versuchsaufbauten (Nadelkissen, Langlochblech, V-Nut, Steghölzer) konzipiert und anschließend ein Versuchsaufbau im Labormaßstab umgesetzt. Die Orientierungsergebnisse wurden sowohl qualitativ (vorrangig) als auch quantitativ mittels digitalisierten Aufnahmen von Vliesoberflächen bewertet (Abb. 2).

Aus orientierten Fasern wurden mit polymerem Diisocyanat (PMDI) gebundene MDF mit zwei Rohdichtevarianten hergestellt. Als Referenz dienten MDF ohne Orientierung der Fasern. Bei den MDF mit Faserorientierung wurde in Orientierungsrichtung eine Biegefestigkeitserhöhung von etwa 25 % festgestellt. Die Erhöhung der Biege-E-Moduln betrug etwa 32 % (Abb. 3). Nach den Ergebnissen der durchgeführten Untersuchungen hatte die Faserorientierung keinen Einfluss auf die Querzugfestigkeit sowie die Quellung und die Wasseraufnahme nach 24-stündiger Wasserlagerung der MDF. In Faserlängsrichtung waren die relativen Längenänderungswerte nach Lagerung in Klima 20/30 (20 °C und 30 % relative Luftfeuchte) und Klima 20/85 (20 °C und 85 % relative Luftfeuchte) geringer als quer zur Faserorientierung.

[1] Lippe, D. 2013: Verfahrensentwicklung zum experimentellen Nachweis von Eigenschaftsänderungen mitteldichter Faserplatten mit ausgerichteten Fasern. Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (FH) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer WKI.

Abb. 4: µCT-Aufnahme der MDF-Mikrostruktur (4 µm Auflösung, phoenix|x-ray, GE Sensing & Inspection Technologies GmbH)
Abb. 5: Faserrichtungsanalyse, rot: Faserbündel mit parallelen Fasern
Abb. 6: Volumenelement mit Modell der MDF-Mikrostruktur, Strukturgenerierung mit Hilfe der Software GeoDict (Math2Market) und der Software FeelMath (ITWM)

Ergebnisse der Zwei-Skalen-Simulation

Im Projekt werden 2 Skalen zur Modellierung und Simulation betrachtet, um den Einfluss mikrostruktureller Parameter (wie z.B. Faserlängenverteilung und Faserorientierung) auf die Eigenschaften der MDF oder Bauteile zu analysieren. Zur Charakterisierung der Mikrostruktur wird ein Fasernetzwerk in einem Volumenelement von wenigen Kubikmilli-metern herangezogen. Dreidimensionale µCT-Bildaufnahmen (Abb. 4) mit einer Auflösung von 4 µm sind geeignet, um einen repräsentativen Ausschnitt (mindestens die halbe Plattendicke) zu erfassen und gleichzeitig die einzelnen Fasern hinreichend gut aufzulösen.

Zur Modellierung der geometrischen Mikrostruktur wird aus dem verwendeten Faserstoff die Längen- und Dickenverteilung der Fasern und aus den µCT-Aufnahmen die Faserorien-tierung ermittelt. Zur Ermittlung der Orientierung werden automatische mathematische Algorithmen zur Faserrichtungsanalyse verwendet (Abb. 5). Dieses Verfahren erlaubt auch die Bestimmung der Lage von Faserbündeln (roter Bereich). Das Ergebnis dieses Arbeitsschritts ist ein sogenanntes stochastisches Geometriemodell.

Für das stochastische Geometriemodell können dann Realisierungen (Abb. 6) in Form von Mikrostrukturen in Volumenelementen generiert werden. Im generierten Volumenelement ist für jeden Punkt, der zu einer Faser gehört, eindeutig definiert, welche lokale Orientierung diese Faser in diesem Punkt hat. Dahingegen wäre in einem binarisierten Bild nur die Information enthalten, ob ein Punkt zum Feststoff (Zellulose) oder zum Porenraum bzw. Lumen gehört.

Im nächsten Schritt werden für die Fasern anisotrope elastische Eigenschaften und anisotrope Festigkeitseigenschaften gewählt. Danach werden 6 nichtlineare Elastizitäts-probleme (Zug in 3 Richtungen, Schub in 3 Richtungen) mit der am ITWM entwickelten Software FeelMath gelöst, um die effektiven mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.

Diese effektiven Materialparameter stellen das Endergebnis der Mikrostrukturanalyse dar und werden auf der zweiten Skala (Makro- bzw. Bauteilskala) als Materialparameter verwendet. Die Simulation auf der Makroskala erfolgt mit einer Standardmethode (FEM). Im Projekt stimmen die Ergebnisse der Makrosimulation, z.B. einer Simulation des Biegetests, sehr gut mit entsprechenden Messergebnissen überein (Abb. 7).

Der Vorteil der Zwei-Skalen-Simulation besteht nun darin, dass im stochastischen Geometriemodell systematisch einzelne Parameter gezielt variiert werden können, um ihre Sensitivität auf die makroskopische Steifigkeit und Festigkeit zu studieren, ohne die entsprechenden Materialvarianten herstellen zu müssen. Die zwar aufwändige Computersimulation braucht wesentlich weniger Zeit als Messungen und somit können sehr viele MDF-Varianten simuliert werden. Abschließend wird in Abb. 8 dazu ein Beispiel gezeigt. Bei gleicher Faserlängenverteilung und gleichem Faservolumengehalt ist nur die Orientierung geändert worden. Die Verbesserung der Steifigkeit in die Richtung, in die die Fasern ausgerichtet sind, ist die Folge. Wie groß die Verbesserung quantitativ ist, zeigt das Diagramm in Abb. 8.

Abb. 7: Biegetest: Vergleich von Simulation und Messung für eine MDF mit isotroper Faserorientierung, Spannungs-Verzerrungskurve für die Außenschicht
Abb. 8: Simulation eines Biegetests: Bei orientierten Fasern steigt die Steifigkeit in Orientierungsrichtung um ca. 25% im Vergleich zu Platten mit isotroper Faserverteilung, Spannungs-Verzerrungs-Kurve für die Außenschicht.

Förderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke e.V.« den Internationalen Verein für Technische Holzfragen iVTH e. V.

IGF-Vorhaben Nr.:    17644 N

Laufzeit:    1.2.2013 – 31.12.2015