abgeschlossene Promotionen & Habilitationen

Dissertation

Der Einsatz von leichten Sandwichwerkstoffen stellt für die Möbelindustrie eine interessante Perspektive dar, da dieser Werkstoff neben den bewährten Platten-Eigenschaften viele Vorteile aufweist. Zu den bedeutendsten gehören die Ressourceneffizienz und die damit einhergehende Gewichtseinsparung im Möbel, welche sich beim Transport (Fahrzeugauslastung) und beim Endkunden (Handling) positiv auswirkt.
Die Befestigung von Beschlägen in leichten Sandwichwerkstoffen mit dünnen Deckschichten und Papierwabenkern stellt derzeit die zentrale Kernaufgabe dar und ist entscheidend für die Marktdurchdringung der Sandwichwerkstoffe. Zur Lösung der Problemstellung wurde im Rahmen der Arbeit eine Unterteilung des Möbelbauteils in zwei Bereiche vorgenommen: Die Beschlagbefestigung im Randbereich und in Plattenmitte (mit Abstand zum Bauteilrand).
Für den Randbereich ist das im Möbelbau eingeführte Systemraster 32 bekannt. Dabei handelt es sich vereinfacht um Lochreihen mit Bohrungen im Abstand von 32 mm zueinander und meist 37 mm von der Vorder- und Hinterkante eines Bauteils. Auf dieses System ist eine Vielzahl von gängigen Beschlägen abgestimmt. Aktuell ist die Anwendung des Systemrasters nur in Sandwichbauteilen möglich, welche entweder während des Plattenherstellungsprozess oder durch nachträglich eingefügte Riegel im Randbereich verstärkt wurden. Für riegellose, großformatige Sandwichplatten bietet der bisherige Wissensstand keine Lösung.
In Plattenmitte erfolgt die Befestigung von Beschlägen ohne Vorgaben. Die Mehrzahl konventioneller Beschläge wird mit Schrauben befestigt. Mit dem Einsatz von Sandwichwerkstoffen konzentriert sich der Anteil hochfesten Materials auf die dünnen Deckschichten. Eine wirksame Befestigung ist ohne spezielle Dübel und Sonderbeschläge nicht (oder nur in dickeren Deckschichten) möglich. Die entwickelten Leichtbaubeschläge eignen sich mehrheitlich für Deckschichten mit einer Dicke ≥ 3 mm. Für die Steigerung der Effizienz bei dünnen Möbelbauteilen (≤ 19 mm) ist der Trend zur Verwendung noch dünnerer Deckschichten (< 3 mm) ein konsequenter Schritt. Aus dem Wissensstand wurden entsprechend der vorgenommenen Einteilung zwei ergänzende Verfahrensansätze mit dem Ziel entwickelt, Beschläge an leichten Sandwichwerkstoffen mit dünnen Deckschichten zu befestigen.
Das erste entwickelte Verfahren basiert auf der Grundidee, den Randbereich des Möbelteils nachträglich durch zusätzliches, flachbandförmiges Material zu verstärken. Dieses wird „liegend“, plattenparallel und mit Abstand zur Deckschicht in die Kernschicht eingefügt. Die Kernaufgabe in den Voruntersuchungen bestand in der Flexibilisierung des Bandes, um dieses in einem kontinuierlichen Prozess zuzuführen. Als Vorzugslösung wurde zur Flexibilisierung die Reduzierung des Bandquerschnitts durch das Stanzen von Schlitzen ausgearbeitet. In die erzeugten Öffnungen wird im gebogenen Zustand des Bandes eine größere Menge Klebstoff eingetragen, welche nach Rückverformung des Bandes im Bauteil (in den Ausgangszustand) die Verbundfestigkeit zum Möbelbauteil herstellt. Nach Herstellung der Bohrungen können handelsübliche Bodenträger eingesetzt werden.
Das zweite Verfahren beruht auf der Idee, Beschläge unabhängig vom Befestigungsort und dem Materialaufbau auf die Deckschicht aufzukleben. Um eine hohe Effizienz und Sauberkeit im Prozess zu gewährleisten, besteht das Kernkonzept in der induktionsgestützten Erwärmung vorbeschichteter, ferritischer Beschläge. In Voruntersuchungen wurde eine geeignete Anordnung des Induktors zum Beschlag mit dem Ziel einer sicheren Verklebung durch die homogene Erwärmung im Verarbeitungsfenster des Klebstoffs und eine niedrige Zykluszeit erarbeitet. Die Klebstoffauswahl wurde durch die Produktanforderungen an den Klebstoff (u. a. „trocken“ nach Vorbeschichtung, Zwischenlagerfähigkeit, Wärmestandfestigkeit) und die Prozessanforderungen (Vorapplizieren, Reaktivieren durch induktionsgestützte Verarbeitung) stark eingeschränkt und reduzierte sich sukzessive auf die Gruppe nachvernetzender Schmelzklebstoffe.
Ausgehend von den produkt- und verfahrensseitigen Anforderungen wurden nach Aufstellung der jeweiligen Verfahrenskonzepte einschließlich der Erarbeitung der Randbedingungen die Funktionsstrukturen formuliert. Darauf aufbauend erfolgte nach Konzipierung und Entwicklung die Errichtung der Anlagen im Demonstrator-Maßstab unter Berücksichtigung der verfahrensseitigen Einflussgrößen. Die Anlagen- und Prozessparameter wurden durch Versuche ermittelt. Nach Funktionsnachweis der beiden Verfahren wurden die Eigenschaften der erzeugten Produkte und erarbeiteten Verfahren experimentell untersucht.
Zur Charakterisierung des lokalen Verhaltens von Möbelsandwichwerkstoffen erfolgte eine Analyse des Werkstoffs. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Holzwerkstoff-Deckschichten mit ihrem ausgeprägten Rohdichteprofil ein „Sandwich im Sandwich“ darstellen, wobei der Festigkeitsverlauf direkt mit dem Rohdichteprofil korreliert. Die Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene wird aufgrund der „Reihenschaltung der Einzelfestigkeiten“ durch die schwächste Sandwichkomponente definiert. Eine Bewertung des lokalen Materialverhaltens ist mit den bisher vorhandenen Methoden für die Prüfung von Holzwerkstoffen nicht hinreichend möglich. Zur Bewertung der Eigenschaften des Verfahrens der Randverstärkung wurde die selbst entwickelte Prüfmethode zur Bestimmung der Bodenträgerfestigkeit erarbeitet. Für die Einschätzung der Verbindung von verklebten Beschlägen auf Trägerwerkstoffen wurde die Prüfmethode zur Bestimmung der Abhebefestigkeit in Abhängigkeit von der Fügefläche entwickelt.
Im Ergebnis der Untersuchungen (Kraft-Verschiebungs-Verlauf des Bodenträgers) weisen randverstärkte Proben etwa die 3-fache Belastbarkeit gegenüber dem unverstärkten Sandwichwerkstoff auf und erreichen in Bezug auf das Referenzmaterial Spanplatte etwa 2/3 der Belastbarkeit. Bei geringfügig höherer Verschiebung des Bodenträgers bezogen auf die Referenz (P2) werden auch die Mindestfestigkeiten von 30 kg je Bodenträger überschritten. Auf Basis weiterführender Untersuchungen mittels optischen Messsystems konnte die überlagerte Bewegung aus Verdrehung und Verschiebung eines Bodenträgers weitergehend verifiziert werden.
Die Ergebnisse der induktiv geklebten Prüfkörper zeigen, dass im Vergleich zu verschraubten Proben bei selber Beschlagvariante grundsätzlich ähnliche Abhebekräfte auf dem Referenzmaterial (P2) erreicht werden. Die Festigkeit ist in allen Versuchen vom Trägerwerkstoff abhängig; die Proben versagen überwiegend aufgrund von „Holzbruch“. Die Sandwichmaterialien erreichen aufgrund der geringen inneren Verbundfestigkeit in der Fügestelle Kern–Deckschicht bzw. des Fehlens der verstärkend wirkenden Oberflächenbeschichtung maximal 50 % der Festigkeit des Referenzmaterials. Mit den ermittelten Kennwerten aus der entwickelten Prüfmethode ist eine Abschätzung der Abhebekräfte bzw. -festigkeiten weiterer Beschläge möglich, bzw. es können Aussagen zur nötigen Beschlaggröße getroffen werden. Die Abschätzungen zu den Abhebekräften weiterer Beschläge (z. B. Kreuzplatte) zeigen, dass durch die größere Klebefläche eine hinreichend sichere Verklebung von Beschlägen möglich ist.
Resümierend ist festzustellen, dass im Rahmen der Arbeit Lösungen zur Beschlagbefestigung auf leichten Sandwichwerkstoffen mit dünnen Deckschichten sowohl im Bauteilrand als auch in Bauteilmitte erarbeitet und deren Eignung nachgewiesen wurde. Zur Herstellung der Beschlagverbindungen nach den jeweiligen Verfahrensansätzen wurden sowohl Demonstratoren in Betrieb genommen als auch entsprechende Prozessparameter ermittelt. Die Ergebnisse der neu entwickelten Materialprüfungen zeigen, dass grundsätzlich konkurrenzfähige Festigkeiten erreicht werden. Im Fall reduzierter Festigkeiten ist das Versagen auf die geringe „innere“ Verbundfestigkeiten der leichten Sandwichwerkstoffe zurückzuführen. Das Ergebnis der Verfahrensentwicklung ist exemplarisch als Musterbauteil in Abb. dargestellt.

Verfahrensansätze, Beschlagbefestigung, Möbelbauteile, Sandwichbauweise