abgeschlossene Promotionen & Habilitationen

Dissertation

Mit der Entwicklung von dreischichtigen, flachgepressten Spanplatten und Faserplatten (Erste Faserplattenwerke in Deutschland 1932) sowie der einhergehenden Etablierung großer industrieller Produktionsanlagen wurde es möglich, großformatige und homogene Werkstoffe für die Möbel-, Innenaus- und Objektbaubranche herzustellen. In der Europäischen Union liegt der Verbrauch bei Span- und Faserplatten seit Jahren auf einem konstant hohen Niveau. Im Jahr 2016 wurden ca. 28,7 Mio. m³ an Spanplatten und ca. 11,2 Mio. m³ an Faserplatten hergestellt. Diese Partikelwerkstoffe auf Span- und Faserbasis sind gekennzeichnet durch eine sehr glatte und ebene Breitfläche, die großflächig mit dekorativen Materialien beschichtet werden kann. An den Schmalflächen sind sie demgegenüber porös, deutlich rauer und meist mehrschichtig aufgebaut. Der Bedarf einer Schmalflächenbeschichtung liegt daher u. a. in der Generierung eines optischen Mehrwerts und funktionellen Schutzes bspw. gegenüber Feuchtigkeit und mechanischer Beanspruchung. Der Begriff des Bauteils auf Basis dieser Holzwerkstoffe (HWS) als konstruktive Elemente für den Möbel- und Innenausbau wird folglich als Gesamtheit eines Werkstücks sowie der gefügten Schmalflächenbeschichtung verstanden.
Die Auswahl eines geeigneten Fügeverfahrens zur Schmalflächenbeschichtung an Holzwerkstoffen stellt für ein produzierendes Unternehmen ein wirtschaftlich entscheidendes Kriterium dar, denn häufig ist die Qualität der Verbindung aus Holzwerkstoffplatte und entsprechendem Schmalflächenbeschichtungsmittel (SFBM) für den Kauf eines Produktes mitentscheidend. Hieraus resultieren zahlreiche Anforderungen an ein Verfahren zur Schmalflächenbeschichtung. Neu entwickelte Fügeverfahren sind vor allem dadurch gekennzeichnet, die Qualität der Produkte und die Leistungsfähigkeit der Fertigungsanlage (z. B. Prozessgeschwindigkeit oder Maschinenverfügbarkeit) zu verbessern.
Die Motivation der Arbeit bestand darin, ein industrietaugliches Fügeverfahren zu entwickeln, das es erstmals ermöglichen soll, direkt an der Fügestelle zwischen SFBM und Holzwerkstoffplatte die notwendige Energie zur thermischen Aktivierung einer adhäsiv wirksamen Schicht mittels einer rotierenden Ultraschallsonotrode (Radialschwinger) bereitzustellen. Mit einem ortsfesten, rotierenden Werkzeug soll es möglich sein, ein vorbeigeführtes streifenförmiges Beschichtungsmaterial mittels Ultraschallschwingungen an ein Werkstück gleicher Vorschubgeschwindigkeit und -richtung zu kleben.
Die zahlreichen im Stand der Technik verfügbaren Verfahren im Bereich der Schmalflächenbeschichtung haben gemeinsam, dass bislang keines davon in der Lage ist, direkt an der Fügestelle die notwendige Energie zum Fügen des Schmalflächenbeschichtungsmittels mit dem Holzwerkstoff bereitzustellen. Der charakteristische Temperaturverlauf beim Erwärmen und Abkühlen von Schmelzklebstoffen diente für die Formulierung der Zielsetzung als Ausgangsbasis. Durch die Entfernung zwischen Auftragen des flüssigen Schmelzklebstoffs bzw. Aktivierung der Funktionsschicht (Bereich Aufschmelzen und Auftragen) müssen für das Fügen höhere Temperaturen durch die Energiequelle bereitgestellt werden, als notwendig sind. Das heißt, dass für die Klebstoffschicht bzw. Funktionsschicht Temperaturen deutlich über der minimalen Verarbeitungstemperatur erreicht werden müssen, bevor der Abkühlvorgang bis unterhalb der Erweichungstemperatur weiterläuft und die Werkstücke gehandhabt werden können. Außerdem findet dadurch eine materialseitige Überbeanspruchung des Klebstoffs/ der Funktionsschicht statt.
Die Zielsetzung, ein ultraschallgestütztes Fügeverfahren für die Schmalflächen-beschichtung zu entwickeln, sollte mittels einer rotierenden Sonotrode (Rollsonotrode) erreicht werden, welche im Frequenzbereich zwischen 20…40 kHz schwingen soll. Als Fügematerialien wurden SFBM auf Basis von ABS und PP und Werkstücke auf Span- sowie Faserbasis eingesetzt. Darüber hinaus sollte eine ausreichend gute und reproduzierbare Fügequalität erreicht werden. Dabei wurde das Verfahrensprinzip gemäß nachstehender Abbildung angestrebt. Durch das ultraschallgestützte Fügen, welches direkt an der Fügestelle mechanische Energie in die Wirkpaarung SFBM und Werkstück einträgt, soll Wärmeenergie eingespart werden. Weiteres Einsparpotenzial kann darüber hinaus in einem geringeren Bedarf an elektrischer Energie vermutet werden.
Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden aus der komplexen Hauptfunktion einer „Kantenanleimmaschine“ (KAM) erste Entwicklungsentscheidungen getroffen, die in die konstruktive Phase einflossen und im Ergebnis eine Vorauswahl von Prozessbedingungen darstellten. Die wesentlichen Herausforderungen bei der Verfahrensentwicklung bestanden zudem darin, die Toleranzen der Fügepartner gegenüber den vergleichsweise kleinen Schwingungsamplituden der Sonotroden beim ultraschallgestützten Fügen zweier unterschiedlicher Fügematerialien/ Werkstoffe zu beherrschen.
In den Hauptversuchen wurden die erarbeiteten Lösungskonzepte auf deren praktische Eignung verifiziert und eine Analyse zwischen der erarbeiten, theoretischen Funktionsstruktur und dem realen Verhalten innerhalb der Maschinenperipherie vorgenommen. Mit dem Funktionsmuster wurden in der Maschinenumgebung einer Kantenanleimmaschine systematische Versuchsreihen durchgeführt, um die Wechselwirkungen von Eingangs- zu Ausgangsgrößen zu ermitteln. Die gefertigten Materialproben wurden in Ergänzung zu den mechanischen Prüfmethoden aus den Voruntersuchungen zusätzlich klimatischen Tests unterzogen.

Dieses Funktionsmuster bietet hinsichtlich wechselnder Einflussgrößen umfangreiche Möglichkeiten der Parametervariation. Mit der Aufzeichnung und Diskussion der Prozessparameter Schwingungsamplitude, Fügedruck, Leistungsaufnahme des Hochfrequenz-Generators und Stromaufnahme des Linearantriebs sowie der begleitenden Erfassung der Fugentemperatur an der Fügestelle wurden die Wechselwirkungen der Prozesseingangsgrößen auf den Fügeprozess betrachtet. In Addition der Untersuchungsergebnisse konnten Bereiche vorzugsweiser Parameterkombinationen ermittelt werden. Die Parameter Schwingungsamplitude und Vorschubgeschwindigkeit haben den größten Einfluss auf den Fügeprozess bzw. auf die Qualität der Fügeverbindung. Eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf weitere Funktionsschichten oder Basisbeschichtungen ist grundsätzlich gegeben, jedoch materialspezifisch zu überprüfen. Eine Einschränkung der Parameterbereiche ist aufgrund der Robustheit des vorliegenden Prozesses beginnend bei kleinen Vorschubgeschwindigkeiten zielführend.
Im Vergleich zu konventionell verfügbaren Fügeverfahren weist das entwickelte, ultraschallgestützte Fügeverfahren eine deutlich größere Energieeffizienz auf. Das liegt insbesondere an der Positionierung des Energieeintrages, welche direkt an der Fügestelle liegt. Fügeverfahren aus dem Stand der Technik bringen die notwendige Energie demgegenüber weit von der Fügestelle entfernt in das System ein. Nach aktuellem Entwicklungsstand stellt das ultraschallgestützte Fügen vordergründig eine sinnvolle Alternative für den Einsatz im handwerklichen Bereich kleiner und mittelständischer Unternehmen dar. Der Trend hin zu einer vollumfänglichen Losgröße-1-Fertigung entlang des kompletten Möbelherstellungsprozesses kann die Bedeutung und Anwendung des neuen Verfahrens vergrößern, da der Fokus dabei zunehmend auf der Material- und Formenvielfalt und Prozessstabilität liegt, als das eine weitere Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit angestrebt wird. Der zunehmende Einsatz von Robotertechnik in der Möbelindustrie kann für das ultraschallgestützte Fügen eine weitere Perspektive sein, da das Mitführen eines Ultraschallschwingsystems gegenüber anderen Fügetechnologien u. a. aufgrund der niedrigen Sicherheitsanforderungen sinnvoll sein kann.

Beschichten der Schmalflächen, Holzwerkstoffe, Ultraschallsonotrode