Vorhersagen und Optimieren

Mit der Modelierung und der Optimierung des Herstellungsprozesses und der damit verbundenen Platteneigenschaften befassten sich 50 Teilnehmer eines Holzwerkstoff-Workshops. Dieser wurde vom 24. bis 25. März zum 2. Mal von der Universität Hamburg veranstaltet.Beständigkeit von Klebharze. Über die Hydrolyse-Beständigkeit von Klebharzen informierte Dr. Ralph Lehnen, Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, Hamburg/DE. In Kooperation mit Werzalit, Oberstenfeld/DE, und basierend auf dort durchgeführte Untersuchungen wurden folgende Ergebnisse abgeleitet:
-Vergleich der Formaldehyd-Abgabe und des Abbaugrads bei der Hydrolyse unterschiedlicher Klebstoff-Systeme, sowie Klassifikation ihrer Hydrolyse-Resistenz
-Vergleich der Hydrolyse-Beständigkeit der untersuchten Harze mit den Ergebnissen der SpanplattenprüfungAbbaugrad guter Parameter. Unter den für diesen Versuch gewählten Bedingungen lässt sich die Harz-Stabilität gut über den Abbaugrad erfassen, während eine Abstufung mit der freigesetzten Formaldehydmengen nicht zweifelsfrei möglich ist. Zwischen dem Abbaugrad und der Scherfestigkeit von Spanplatten, die einem V70- beziehungsweise V100-Dauertest unterworfen waren, kann ein Zusammenhang hergestellt werden. Weniger klar lässt sich das Verhalten der Harze in den Zyklustest EN321 und der bei Werzalit festgelegten Norm voraussagen. Eine gute Korrelation besteht zudem zwischen dem Abbaugrad und der Dickenquellung nach Wasserlagerung und Zyklustests.

Festigkeitsentwicklung aufzeigen. 3 Methoden zur Bestimmung der Festigkeits-Entwicklung verschiedener Klebharz-Systeme beim Heißpressen zeigte Dr. Christian Heinemann, Bundesforschungsanstalt für Forst und Holzwirtschaft, Hamburg, auf.
Bei der ABES-Methode (Automated Bonding Evaluation System) dienen Furnierstreifen als Trägermaterial. Diese müssen neben einer guten Wärmeleitfähigkeit hohe Festigkeiten aufweisen.
„Bei diesem Zugscherversuch müssen die Randbedingungen berücksichtigt werden”, gibt Heinemann zu bedenken. Denn: Bei hohen Festigkeiten treten in der Klebfuge zunehmend Normalspannungen auf, die somit keinen reinen Zugscher-Belastungen mehr entsprechen. Werte oberhalb von 3,5 N/mm² finden somit keine Berücksichtigung bei der Berechnung.Miniaturfaser-Proben. Die ComTeS-Methode (Composite Testing System) ist eine Weiterentwicklung des ABES-Systems. Damit wird die Aushärtung anhand von Miniaturfaser-Proben im Schermodus bestimmt. Zur Klassifizierung werden zusätzlich spezifische Press- und Proben-Parameter herangezogen.
Das Itegrated Pressing and Testing System (ipates) wurde in Hamburg entwickelt. Damit werden ausgehärtete Klebharze in Verbindung mit Holzpartikeln auf Querzugfestigkeit geprüft. Das Härtungsniveau wird in Abhängigkeit von Presszeit, -temperatur und Rohdichte ermittelt.
Das Ergebnis kann in das folgend beschriebene Modell zur Simulation von Platteneigenschaften übernommen werden.Modellhaft pressen. Den Stand der physikalischen Modellierung des Heißpress-Vorganges erläuterte Dr. Heiko Thömen, Universität Hamburg. Dabei geht es vor allem um Stoff- und Wärmetransportvorgänge in einem porösen, hygroskopischen Material. Mittlerweile beschäftigen sich weltweit schon 8 Forschergruppen mit dessen Vorhersage.
Die Simulationsplattform Virtual Hot Press (VHP) wurde in Zusammenarbeit von der Universität Hamburg und der Oregon State University entwickelt. Als Industriepartner konnte Siempelkamp, Krefeld/DE, gewonnen werden.
Die Software ist so ausgelegt, dass sowohl Takt- als auch kontinuierlich arbeitende Doppelbandpressen betrachtet werden können. Graphisch dargestellt werden die simulierte Temperatur-, Gasdruck- und Pressdruck-Entwicklung sowie das Feuchte- und Rohdichteprofil am Ende des Pressvorgangs.Variationen über die Mattenbreite. Interessante Schlussfolgerungen lassen sich über die Variation der Eigenschaften über die Mattenbreite ziehen. So beträgt zum Beispiel der Gasdruck an den Kanten währende des gesamten Pressvorgangs annähernd Atmosphärendruck, während er in Mattenmitte erheblich erhöht ist. Derartige Unterschiede im Gasdruck führen zwangsläufig zu unterschiedlichen Temperatur- und Feuchtebedingungen. Reduzierte Gasdruck-Unterschiede haben somit gleichmäßigere Rohdichte-Profile zur Folge. Wenige Faserplatten-Hersteller fahren daher ihre Matten der Länge nach geteilt durch die Presse.
„Selbst wenn die maschinenbaulichen und steuerungstechnischen Schwierigkeiten von breiten Pressen gelöst werden können, so werden dennoch die lokal unterschiedlichen Platteneigenschaften tendenziell einer weiteren Verbreiterung entgegenstehen”, gibt Thömen zu bedenken.
Ein wichtiges Einsatzgebiet von VHP liegt in der Schulung, der Prozess- und Produktoptimierung sowie der Anlagenplanung.Echtzeit-Qualitätskontrolle. Mit der statistischen Prozess-Modellierung in der Holzwerkstoff-Industrie beschäftigt sich Jörg Hasener, Universität Hamburg, seit 2 Jahren im Rahmen eines Forschungsvorhabens. Grundlage ist ein von einem HDF-Hersteller zur Verfügung gestellten Datensatz, der einen Produktionszeitraum von 14 Monate abdeckt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden dann unterschiedliche Strategien zur Entwicklung einer datenbasierten Echtzeit-Qualitätskontrolle untersucht.
„Heute können bis zu 500 Parameter des gesamten Herstellungsprozesses - vom Holzplatz bis zur Heißpresse - zentral in einer Datenbank erfasst werden”, erläutert Hasener, „allerdings ist die richtige Variablen-Auswahl entscheidend für die Interpretierbarkeit der Modelle.”Variablen-Auswahl. Die Variablen in der Holzwerkstoff-Industrie sind innerhalb ihrer Prozess-Abschnitte stark untereinander korreliert. Gut zu beobachten ist dies zwischen den Variablen der Beleimung und denen der Heißpresse. Daher muss die Auswahl innerhalb dieser Parameter beschränkt werden. So ist zum Beispiel zu vermeiden, dass die Distanzen und Drücke aller Pressenrahmen im Modell verwendet werden.
Als Zielvariable hat sich Hasener auf Querzug-, Abhebefestigkeit, 24-Stunden-Dickenquellung und Rohdichte festgelegt. Mit einem multivariaten Regressionsmodell wurde der Zeitraum von 3 Monaten untersucht. Es konnte die Querzugsfestigkeit mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 96%, die Dickenquellung und die Abhebefestigkeit mit 94% und die Rohdichte mit über 99% vorhergesagt werden.Gasdruck-Verlauf in Spanplatten. Über den Gasdruck-Verlauf in kontinuierlich hergestellten Spanplatten und dessen Einfluss auf die Platteneigenschaft informierte Niels Meyer, Universität Hamburg.
Er ermittelte in einem deutschen Spanplattenwerk mit Hilfe eines transportablen Datenloggers (PressMAN) des Alberta Research Council, Edmonton/CA, den internen Gasdruck sowie die Temperatur. Die austauschbaren Mess-Spitzen hatten eine Länge von 300, 450 und 600 mm. Es wurden Platten mit Stärken von 16, 28 und 38 mm und einer Breite von 2200 mm untersucht.

Gasdruck über die Länge und Stärke. Ein erstes Gasdruck-Hoch stellt sich nach dem Presseneinlauf ein. Es ist auf die Verdichtung von in der Matte eingeschlossener Luft zurückzuführen. Es folgt eine GasdruckAbnahme durch das Entweichen des Gases über die Plattenkanten. Zum Pressenende hin zeigt sich das eigentliche Gasdruck-Maximum, wobei dieses hauptsächlich aus Wasserdampf besteht. Der Auslauf der Matte aus der Presse hat schließlich einen Abfall auf Atmosphären-Druck zur Folge.
Über den Plattenquerschnitt ist die Gasdruck-Entwicklung und die entsprechende Gasdruck-Höhe annähernd identisch.
Je dünner die produzierte Platte ist, desto höher ist der Gasdruck während des Herstellprozesses. Durch die bei dünneren Platten höhere Vorschub-Geschwindigkeit hat die gleiche Menge Luft und Gas pro Volumeneinheit weniger Zeit sich über die Kanten abzubauen. Zudem führt ein höherer Vorschub zu einem schnelleren Schließen der Presse, was einem höheren Gasrückstau innerhalb der Matte erzeugt.Unterschiede über die Plattenbreite. Der horizontale Gasdruck-Verlauf zeigt einen von der Mitte zu den Kanten der Platte abnehmenden Trend. Damit verbunden sind ungleichmäßige Temperatur- und Feuchtigkeitszustände, die zu unterschiedlichen Platteneigenschaften führen können.
Bei MDF-Matten ist im Vergleich zu Span-Matten mehr Luft eingeschlossen, was bei der Verdichtung im Presseneinlauf zu höheren Gasdrücken führt. Die niedrigere Gas-Permeabilität von MDF-Matten führt - im Vergleich zu Span-Platten - zu höheren Gasdrücken über die gesamte Pressenlänge.
„Um Produktionszahlen und -qualitäten zu optimieren, muss eine optimale Einstellung der Matten-Feuchtigkeit, des Pressprogramms, der Produktions-Geschwindigkeit und -temperatur, erfolgen”, gibt Meyer zu bedenken.Matten-Vorwärmung und Rückkühlung. Über die jüngsten Erfahrungen mit Dampfschwert und Rückkühlung bei MDF Hallein, Hallein, informierten DDr. Marius Barbu und Andreas Köck.
Je nach Mattenstärke ist der Einsatz des Dampfschwertes (CoreHeaterTM) begrenzt. Bei Platten unter 12 mm wird die über das Schwert laufende Mattenhälfte vom Dampf zerstört und weggeblasen, hier empfiehlt sich vielmehr das Besprühen der Oberfläche mit Wasser.
Die Dampfschwertlage ist für die Dampfentweichung und für die Dichteprofil-Gestaltung von Bedeutung. Eine 10 bis 20%-ige Abweichung von der Mittellinie nach oben hat sich als vorteilhaft erwiesen.
Die Erhöhung der Matten-Feuchte führt zu einer größeren Dampfspalter-Gefahr. „Durch die Kombination mit der Kühlzone bei MDF Hallein ist dieser Nachteil aufgehoben”, erläutert Barbu.
Die vom Hersteller zugesicherte Pressgeschwindigkeit von 12 m/min konnte problemlos auf bis zu 16 m/min erhöht werden.Veränderung der Platteneigenschaften. „Das Rohdichteprofil bleibt beim Einsatz des Dampfschwerts unverändert”, erläutert Köck. Bleibt die Pressgeschwindigkeit erhalten, so ist eine Verbesserung der Dichteverteilung in der Mittelschicht zu erwarten. Bei stärkeren Platten ist aufgrund der asymmetrischen Dampfschwert-Stelle eine ungleiche Verdichtung der Deckschichten möglich.
Die Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul sind vom Einsatz des CoreHeaters nicht betroffen. Die Querzugsfestigkeit verbessert sich, bei Presszeitverkürzungen ist die Tendenz fallend.
Der Feuchtegehalt der MDF-Platte steigt mit aktivierter Kühlzone um 0,5 bis 1,5%. Ein Dampfschwert erhöht die Plattenfeuchte nochmals um 1%.
Allein mit dem CoreHeater ist je nach Plattenstärke eine Verkürzung der Presszeit bis zu 15% möglich. Bei einer gleichzeitigen Inbetriebnahme von Dampfschwert und Kühlzone rechnet Barbu mit einer Produktivitätssteigerung um bis zu 30% - unter Beibehaltung der Platteneigenschaften sowie des Leimanteils.

Verhalten während der Stapel-Lagerung. Das Verhalten isocyanat-gebundener Spanplatten während der Stapellagerung untersuchte Dr. Martin Ohlmeyer, Bundesforschungsanstalt für Forst und Holzwirtschaft.
Ohlmeyer variierte bei seinen Laborversuchen die Parameter Presszeit, Stapeltemperatur sowie Stapeldauer und prüfte die Querzugsfestigkeit, die Dickenquellung sowie die Gleichgewichtsfeuchte.
Die Laborergebnisse zeigten, dass die Klebefestigkeit der PMDI-gebundenen Spanplatten nicht beeinflusst wird. Die Querzugsfestigkeit ändert sich nicht signifikant.
Die Dickenquellung und die Wasserlagerung werden während der Lagerung deutlich reduziert. Die größte Abnahme ist innerhalb der ersten 6 Stunden zu verzeichnen, darüber hinaus wird die Quellung nur noch geringfügig verbessert. Die bei höheren Temperaturen gelagerten Platten erreichen das niedrigere Niveau. Die Gleichgewichtsfeuchte wird während der Stapellagerung von 9,7% um bis zu 1% abgesenkt.
„Aus diesen Ergebnissen ist zu schließen, dass die Lagerung bei erhöhten Temperaturen keinen Einfluss auf den Klebstoff, wohl aber auf das Holz ausübt”, erläutert Ohlmeyer.VOC-Emissionen aus Holzwerkstoffen. „Die Musterbauordnung berücksichtig künftig die Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DiBt) für das Emissionsverhalten von Bauprodukten”, gibt Mathias Makowski, BFH, zu bedenken.
Kiefer weist im Vergleich zu anderen heimischen Hölzern die höchsten VOC-Emissionswerte auf. Dies hängt vor allem mit den dominierenden Terpen-Konzentrationen zusammen. Holzwerkstoffe emittieren mehr Aldehyde, die sich bei Oxidations-Vorgängen bei der Trocknung von Spänen, Strands und Fasern bilden. Die höchsten Emissionen wiesen Span-Platten aus Kiefer auf, die niedrigsten eine MDF-Platte aus Laubholz. Platten müssen leichter werden. Anhand des bekannten Billy-Bücherregals erläuterte Fredrik Andersson, Ikea Sweden, /SE, den Plattenherstellern seine Wünsche: „Ein Paket wiegt 38 kg, das ist eindeutig zu schwer.”
Er kann sich auch - je nach Belastung des Möbel - Spanplatten mit unterschiedliche Festigkeitswerten (Biegung, E-Modul) vorstellen.
Der Trend geht zu Möbel mit starken oder aber filigranen Wangen.