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Arbeitsgruppe Anwendungstechnik Erneuerbarer Werkstoffe
Forschung

Forschung

Anwendungstechnik WVC
Prototyp eines Kettenfördersystems aus WVC (Darstellung ohne Zugmittel)
Prototyp eines Kettenfördersystems aus WVC
(Darstellung ohne Zugmittel)

Dieser Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich mit einer technisch angemessenen Anwendung von Holz in modularen, integrativen Bauweisen unter Nutzung des modularen Werkstoffes WVC.

Warum Holz?

Technisch angemessene Anwendungen, nutzen die historisch bekannten Vorteile des Holzes, wie:

  • die guten Bearbeitbarkeit bzw. Verfügbarkeit
  • die vergleichsweise geringen Kosten bei der Halbzeug- bzw. Bauteilherstellung
  • dem Nachhaltigkeitspotenzial in Kombination mit einem angepassten Recyclingkonzept und verbinden diese mit den Eigenschaften des Werkstoffes, die unter aktuellen Gesichtspunkten einen technischen Mehrwert generieren. Beispielhaft dafür seien genannt:
  • die mechanisch vorteilhaften Festigkeiten bezüglich der Dichte (spezifische Größe)
  • die Vorteile hinsichtlich Schwingungs- und Geräuschdämpfung
  • der geringe Materialabbau unter Einwirkung bestimmter aggressiver Reagenzien (z.B. Salzen)
  • die verminderte Temperaturdehnung.

Holz ist ein umgangssprachlicher Oberbegriff. Der Werkstoff ist immer eine Kombination aus mehreren Materialien, speziell natürlichen Polymeren (Cellulosen, Lignin) und Zusatzstoffen (z.B. Wasser, Mineralstoffe, Extraktstoffen) in einem Verbundwerkstoff. Dadurch ist über jede Holzart und damit dem Zell- (Anordnung, Form) bzw. dem Stammaufbau (Kern- Splintholz) eine neue Variante des Verbundwerkstoffes Holz verfügbar.

Es existieren ca. 40.000 bekannte Holzarten, von denen etwa 1500 bisher näher beschrieben wurden, um anhand charakteristischer Merkmale im Aufbau eine Differenzierung z.B. in Laub- oder Nadelholz vornehmen zu können. Die Eigenschaften des Holzes sind unter anderm abhängig von Holzart, Standort, Klima, Belastungsart, Belastungsrichtung, Halbzeugart. Diese hohe Variantenvielfalt ist ein Grund für die oftmals als Kompliziertheit (schwer fassbare Beschaffenheit) missverstandene Komplexität (Vielschichtigkeit) des Holzes. Der schwierig zu begreifende Werkstoff erfordert einen erhöhten Planungsaufwand. Seine Komplexität bietet die Möglichkeit in Verbindung mit einer hohen Kombinationsfreiheit im Aufbau, einen maßgeschneiderten und damit modularen Werkstoff zu gestalten.

WVC - ein modularer Werkstoff
Verschiedene WVC-Aufbauten
Verschiedene WVC-Aufbauten

Dieser Ansatz ist durch die Wiederbelebung und inhaltliche Weiterentwicklung des traditionell als Lagenholz bekannten Holzfurnierlagenverbundwerkstoffes (WVC, Wood-Veneer-Composite) möglich. Der Begriff WVC ist aus den eigenen Forschungsarbeiten hervorgegangen und wissenschaftlich noch in der Diskussion.

Ähnlich dem heute bekannten technischen Faserverbund können dabei einzelne Schichten, in diesem Fall Furnier, verschiedener Dicke und Holzart unter beliebigem Faserwinkel in einem Halbzeug definierter Form (Platte, spezielle Form), mit Additiven (Fungizide, Pestizide, Flammschutz, usw.) versetzt, verklebt bzw. mit einem aushärtbaren oder nicht aushärtbaren natürlichem oder künstlichem Polymer getränkt oder beschichtet und anschließend verpresst werden. Dabei ist auch die Kombination von jeweils vergüteten Einzelschichten (z.B. verpresst, unverpresst) möglich. Eine zusätzliche Erweiterung dieser Begriffsbildung wäre durch die Verwendung von anderen natürlichen (z.B. Flachs-) oder künstlichen (z.B. Kohle-, Glas-) Faserwerkstoffen zwischen den Holzschichten denkbar. Weiterhin ist es möglich Holzfehler (Äste, Wuchsstörungen...) auszuschließen und nur hochwertiges Holz zu verbauen. Damit steigt die Qualität des Werkstoffes und seine natürliche Streuung wird gegenüber gewachsenem Holz minimiert. Verbreitete Vetreter sind das Sperrholz, das Sternholz und das Furnierlagenholz.

Modulare, integrative Bauweisen mit WVC

Aufbauend auf dem modularen Werkstoff WVC ist es möglich in der Bauweise neben mechanischen Anforderungen (z.B. Leichtbau), Anpassungen an Umwelteinflüsse (z.B. aggressive Reagenzien) und andere Anforderungen (z.B. Dämpfung) vorzunehmen und die Konstruktion damit integrativ zu gestalten.

Projektbeispiele
Rollenbahn aus WVC - praktische Umsetzung
Rollenbahn aus WVC - praktische Umsetzung
Veröffentlichungen (Auswahl)
Ansprechpartner
Anwendungstechnik WPC
Trag-Gleitelement in Hybridbauweise
Trag-Gleitelement in Hybridbauweise

WPC ist die Abkürzung für Wood Polymer Composites, Holzpolymerwerkstoffe. Im WPC werden Holzfasern- oder Partikel (z.B. aus Weichholz wie Fichte, Tanne) im Massenverhältnis von mindestens 50% mit einer Matrix aus meist künstlichem thermo- oder duroplastischen Polymer (z.B. PE, PP, ABS, PVC, Melaminharz) in einem Verbundwerkstoff vereint.

Die Vorteile des Holzes sind dadurch in einge- schränktem Maße für den Verbundwerkstoff nutzbar. Werkstoffkombinationen aus diesen Materialien besit- zen höhere Steifigkeiten und Festigkeiten als die reine Polymermatrix, sind hinsichtlich einer thermoplastischen Matrix recycelfähig und können durch Spritzguss, Extrusion bzw. Pressen zu technischen Halbzeugen oder fertigen Bauelementen verarbeitet werden.

Hängefördersystem mit kompletten Trag-und Gleitprofil aus WPC
Hängefördersystem mit kompletten Trag-und Gleitprofil aus WPC

Historisch betrachtet ist die Kombination aus Holz und Polymer bereits Mitte des 19. Jahrhunderts durch Naturabkömmlinge wie mit Bluteiweiß (Albumin) gehärtetem Holzmehl entdeckt worden. Nach einer längeren Periode der Vernachlässigung wurde der Werkstoff als WPC wiederentdeckt.

Aktuelle Anwendungsschwerpunkte sind vorrangig im Bausektor und im Möbelbau in Form von Terrassendecks (decking) oder Systemen für kleine Hallen (simply housing) bzw. als Verkleidungselemente im Fahrzeugbau zu finden. Im Maschinenbau wird durch den Holzpolymerwerkstoff zur Zeit lediglich eine Hilfsfunktion (Verkleidung) erfüllt. Seit 2007 gibt es im deutschsprachigen Raum Bestrebungen WPC in tragenden Anwendungen im Maschinenbau einzusetzen.

Die Arbeitsgruppe befasst sich aktuell mit der Realisierung eine kombinierten Anwendung, einem tribologisch und mechanisch aktiven Maschinenelement. Dadurch soll eine Möglichkeit der integrativen Bauweise für WPC im Maschinenbau dargestellt werden.

Projektbeispiele
Veröffentlichungen (Auswahl)
Ansprechpartner
Tribologie
Verschlissene Reibpaarung - Stand der Technik
Verschlissene Reibpaarung - Stand der Technik

Aufbauend auf bekannten tribologischen Grundlagen geht der Forschungsschwerpunkt Tribologie erneuerbarer Werkstoffe der Fragestellung nach, ob und wie es möglich ist, in einem tribologisch aktiven Maschinenteil die typischen Verschleiß- ursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie:

  • starke Abrasion der Reibpartner,
  • mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen
  • und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone

durch gezielten Zusatz von erneuerbaren Werkstoffen in eine Polymermatrix zu minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin zu verschieben.

Projektbeispiele
Veröffentlichungen (Auswahl)
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